合成孔徑雷達干涉測量技術在衛(wèi)星監(jiān)測大壩中的應用

［瑞典］O.E.里爾 等

1 概述

在斯堪的納維亞，隨著監(jiān)管機構和公眾對大壩的要求越來越高，運行已久的大壩安全性變得尤為重要。由于人們對儀器儀表規(guī)格、測量精度和監(jiān)測時間間隔要求越來越高，這就需對傳統(tǒng)的監(jiān)測方法加以改進，因此改進技術便成為了研究熱點。對大壩而言，其測量精度需達到毫米級才能確保監(jiān)測方法的有效性。例如高土壩，一旦建成，第1年就會以幾分米或幾厘米的速度沉降(沉降速度取決于大壩高度、施工方法、填壓方法、材料和壩基等)。隨后幾年，大壩將以合理的對數(shù)速度沉降，直到年沉降速度僅幾毫米(或不足1 mm)為止。目前要求每年或每兩年對大壩進行地質監(jiān)測，以確認大壩垂直和水平位移是否正常。大壩任何方向的加速位移，都預示著發(fā)展態(tài)勢不佳，據(jù)此可在大壩出現(xiàn)問題之前進行有效的處理。

到目前為止，人們一直致力于運用成熟的方法來監(jiān)測大壩，如大地測量或激光掃描等，但這些方法成本高，效果也很有限。此外，已經(jīng)證實傳統(tǒng)方法在觀測水庫邊坡方面的應用非常受限，因為監(jiān)測水庫邊坡可能需要大量的測量點，且處理偏遠地區(qū)或地形陡峭地區(qū)的水庫也絕非易事。而現(xiàn)在采用新的測量技術，便能擴大可選范圍，獲得較為理想的成果。

2 合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)

在過去的幾十年中，合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)已被證實在地形位移測量中是一種非常強大的測量工具。SAR干涉測量(合成孔徑雷達干涉測量的簡稱)技術結合了兩個(或更多)連續(xù)的復值SAR圖像。在不同時間拍攝的兩個SAR圖像之間的相位差稱為干涉相位，它是幾個信號分量的總和，即地形信號、雷達視距中的地形變形信號和大氣環(huán)境差異信號，見圖1。兩個SAR圖像之間的相位差有望用來監(jiān)測毫米至厘米級的地面變形。

然而，干涉相位測量會受各種因素的影響，從而妨礙地表位移監(jiān)測的進行。大氣路徑延遲是主要限制因素，它會在相位測量中引入一個未知的偏差并使時間相關性消失，這就使得InSAR相位測量不可靠，因為分辨單元中分散時的相對位置會發(fā)生改變。但通過使用多時相InSAR技術，結合多個SAR觀測結果，可在一定程度上減輕這種影響。使用兩個以上SAR觀測區(qū)可能會使測量冗余，因此可考慮使用更先進的時間序列法。

圖1 InSAR技術原理

由于衛(wèi)星無法精確重復其運行軌道，衛(wèi)星的兩個位置之間會存在一定距離(基準線B，如圖1中所示)，因此地面上點的高度z不斷變化。InSAR處理過程可通過使用一個現(xiàn)成的數(shù)字高程模型(DEM)，以達到忽略信號影響的目的。若忽略地形影響，則可獲得所需的變形信號(如果該信號存在)及一個由大氣環(huán)境變化引起的信號分量。在某些情況下，噪音太多而無法分辨出變形信號，在積雪多、土壤水分變化大或植被茂密的地區(qū)更是如此。因此在冰雪覆蓋的地區(qū)、潮濕的沼澤地和茂密的森林帶，InSAR技術是無法正常運用的。

地面變形大于兩個分辨單元(像素點)之間雷達波長(ERS衛(wèi)星約50mm)時，相位是否可復原是不可確定的。例如，在重大建設工程中，受影響的像素點連貫性會消失。然而，InSAR技術用不上的地方總會存在，特別是在工程建設領域。

進行InSAR分析時，也可同時獲得連貫性結果，連貫性可用于測量干涉相位的穩(wěn)定性。在常規(guī)分析中，人們往往只關注非常緩慢的變形，也就是說，相位穩(wěn)定性越高，獲得的結果就越可靠。

研究的結果是各點的時間變形序列，每個點的信號質量都進行了測試，信號質量本質上是指連貫性的高級閾值。一種常用的變形結果表示方法是為每個測量點的預估時間變形序列擬合一條線性曲線，這條線的斜率就等于該點的平均變形速度。本文用的所有InSAR處理過程都是基于NORUT開發(fā)的GSAR軟件完成的。

3 InSAR在大型土石壩中的應用

瑞典高125 m的特蘭斯賴特(Tr?ngslet)堆石壩建在厄斯特達爾河上，厄斯特達爾河長30km，沿東南方向穿過瑞典中部的達拉納省。人們對該壩進行了數(shù)十年的研究，收集了自1961年其建成以來的大量歷史沉降數(shù)據(jù)，但遺憾的是，1988年數(shù)據(jù)采集工作中斷，因此而失去了原先的基準，新老數(shù)據(jù)就很難聯(lián)系起來，因為1993～2000年的歷史 SAR數(shù)據(jù)與新數(shù)據(jù)不能完全吻合。

本文分析建立在1993年5月23日至2000年7月23日期間歐洲航天局(ESA)1號歐洲遙感衛(wèi)星(ERS－1)和2號歐洲遙感衛(wèi)星(ERS－2)的43個SAR數(shù)據(jù)(下行軌道，22號軌道2367幀)的基礎之上。雷達掃描面積約100km×100km。ERS衛(wèi)星的工作波長為56.6 mm，雷達朝向西方(105°)，垂直方向角度約為23°。ERS衛(wèi)星方位角上的空間地面分辨率約為5 m(沿飛行路徑)和20m(垂直飛行路徑方向)。對于特蘭斯賴特壩而言，這意味著分辨率最低，而位移卻很大(垂直于壩軸線方向為20m，平行于壩軸線方向為5 m)。

將一個面積約7 km×10km的分區(qū)SAR圖像進行了處理，重點關注壩區(qū)?？偣灿嬎懔?41個干涉圖，使用的空間基線閾值為300m，時間基線閾值為3 a。采用了2 m高的地面標識的數(shù)字高程模型來消除地形相位的影響，之后進行了多次多角度的復雜觀測，分別在一定范圍和方位角各觀測1次和5次，在這兩方向上獲得的像素點的地面分辨率接近20m。由于分析僅僅涉及一個小區(qū)域，因此可忽略軌道數(shù)據(jù)誤差帶來的緩慢變化的影響。為了排除不相關區(qū)域的影響并使相位解纏可行，只選擇了相位穩(wěn)定的像素，至少50%干涉圖的相干性在0.25以上。所選擇的大多數(shù)像素與房屋和其他基礎設施等工程建筑相關聯(lián)，因此可以作為分析基準，以確保大壩位移映射的準確性。干涉圖中所有相干像素通過使用SNAPHU軟件解纏，并最終將解纏數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)輸入到小基線子集(SBAS)時間序列InSAR算法中。SBAS處理技術使用解纏干涉圖來過濾掉不需要的信號，而這些信號主要是由于環(huán)境的變化和高程模型的誤差所產生。使用空間插值法編寫結果地理編碼可以提高結果的可讀性和實用性。為了與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行對比，需將變形測量值從視距方向投影到垂直方向，最終找出SBAS處理技術獲得的地理編碼/可用于地理資訊系統(tǒng)的輸出值與復達欣能源公司在特蘭斯賴特壩基于現(xiàn)場基準的人工觀測法收集的歷史測量數(shù)據(jù)之間的相互關系。

高質量的像素點也能很好地覆蓋整個壩體結構，這些像素點可用于校準衛(wèi)星圖像，以盡量減少讀數(shù)誤差。InSAR只能夠測量相對位移，且必須選擇位移已知的參考區(qū)域以供參考。所有位移都是相對于相干性高的一個建筑物上點(緯度61.386725，經(jīng)度13.711330)的相對值。通過進行多次多角度觀測得到了SBAS－InSAR結果，其中地面分辨率約20m×20m，再通過插值法，將其定位在10m×10m上。5 m×20m是SAR原始分辨率，與SBAS不相關。SBAS處理時預計誤差出現(xiàn)在應用數(shù)字高程模型中，這個誤差只會影響最終定位(地理編碼或落點)，因此預計精確度的影響不會很大。

4 歷史測量數(shù)據(jù)分析

與大多數(shù)土石壩工程一樣，特蘭斯賴特壩在完工之后，必須對其進行密切的監(jiān)測來確保其安全運行。自大壩建成50a以來，在安全監(jiān)測原則符合當前標準之前，由于部分監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失，監(jiān)測序列中出現(xiàn)了大量的空白。目前，可用于測量的可信施工記錄始于1961年，且主要集中于1970，1972年和1988年。1983年出臺新標準之后，獲取了最后一輪監(jiān)測數(shù)據(jù)，1988年原項目結題。2003年新的標準再次出臺，大壩監(jiān)測工作才在中斷15 a后重新啟動。

大量新沉降測量工作收集了2003，2004，2009年和2010年的沉降數(shù)據(jù)。因為許多原先在施工期間用來衡量沉降的測點都已損壞或丟失，因此過渡期遇到了一些難題。由于大壩中心上升時必須開展大量的修復工作，或由于自然的磨損和斷裂，因此在15 a的中斷期期間，測點損壞或丟失不足為奇。多年來，壩頂?shù)臏y點不斷上升，最高的兩條馬道也被回填，靠近壩坡坡底的許多測點也遭到了損壞。

遺憾的是，2003年以來的大多數(shù)測點不符合當時的相關規(guī)定，從而進一步降低了成果的可信度?；诖耍柙u估建立可靠的大壩新基準和測點來取代當前基準和測點的必要性，InSAR研究是評估這一必要性的項目的一部分。

從2010年的監(jiān)測數(shù)據(jù)測評結果看，現(xiàn)有基準和測點的可靠性問題很突出。此次測評發(fā)現(xiàn)，某些測點，特別是2003年之后一些測點的測評結果表明，大壩會持續(xù)出現(xiàn)位移，但是這種位移與一般在此類壩中監(jiān)測到的隨時間的沉降有所不同。有人懷疑這是新舊基準的不一致性所致，但由于原先的基準已經(jīng)丟失，因此該論點無法得到證實。

有人建議建立新基準點和測量點，以驗證實際位移。但是，這將需要花幾年時間來觀測大壩，以驗證是否確實存在持續(xù)的位移，或者驗證測量值是否與新舊基準之間的偏差及人工讀數(shù)誤差有關。經(jīng)徹底檢查編錄的全部位移數(shù)據(jù)之后，根據(jù)可用性、目測情況及歷史記錄數(shù)據(jù)的一致性，從原先測點和新的測點中挑選出了13個測點。由InSAR分析趨勢線中新舊數(shù)據(jù)集之間的相關性證實了在預期值和記錄值之間存在系統(tǒng)誤差。圖2描述了這種不一致性，之前在2010年大地測量數(shù)據(jù)的分析中也監(jiān)測到了這種不一致性。趨勢走向曲線，不僅可用于描述其他大型堆石壩中監(jiān)測到的沉降模式，還可使觀測到的跳躍值可視化。

圖2 歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)與InSAR數(shù)據(jù)的擬合

圖2綜合了InSAR歷史數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)，In－SAR數(shù)據(jù)顯示的是相對位移趨勢，而不是絕對位移趨勢。由于InSAR測量數(shù)據(jù)與第一顆人造地球衛(wèi)星圖像一致，因此應將初始數(shù)據(jù)與1988年的歷史測量值綜合起來，因為這些測量值是公認最可靠的，而且更重要的是這些測量值與大壩的原始位移有關。綜合這些數(shù)據(jù)的另一個原因是，最可能出臺的新基準將用于測量相對位移，而不是絕對位移。

5 結果分析

位移加速觀測表明:2003年后讀取的數(shù)據(jù)與InSAR技術分析結果不一致。如圖2所示，InSAR數(shù)據(jù)與起初的沉降測量數(shù)據(jù)趨勢一致。該圖中選取的新測量值更大，這表明相比舊基準，新基準在同一高度參照體系中無相關性，因此原始測量中使用了更舊的且不相關的參照體系的假設似乎是成立的。新基準很可能與初始讀數(shù)之間無任何聯(lián)系，因為新基準旨在測量相對位移，且舊基準似乎在建立新基準之前就已經(jīng)丟失了。為研究壩體完工后的位移變化趨勢，需測量每個測點的絕對位移。

目前正在進行深入調查，以確定并記錄新舊基準之間的關系。這次深入的人工調查包括調查原基準的應用領域。如果能找到舊基準應用領域，則將開展校正工作，將這些應用領域相互關聯(lián)并建立其與當前基準體系的關系。

某些測點人工觀測讀數(shù)所顯示的位移加速變化趨勢可能與1983年和2003年新基準的建立有關，因為1988年的位移讀數(shù)顯示了非下降位移。除此之外，對歷史數(shù)據(jù)產生重大影響的因素有兩個。1988年之后的讀數(shù)是用全站儀而不是水準儀測量的，出現(xiàn)高度測量誤差達7 mm的測點是可能的，加上調節(jié)振幅較大且測量時間與水庫位移變化趨勢無關聯(lián)，這些都意味著歷史數(shù)據(jù)存在很大的不確定性。

InSAR測量數(shù)據(jù)與預期一樣同趨勢曲線吻合。InSAR分析結論是有用的，因為它可能可以證實2010年分析得出的不同基準體系之間的不一致性猜測。還可以進一步推斷的是，大壩位移與預期趨勢線一致，但這并不能反映2010年將新舊測量點綜合進行分析時得出的位移加速的結果。

6 InSAR應用潛力及其局限性

從試點研究結果來看，InSAR技術似乎有望滿足地面位移監(jiān)測中有關大壩安全的要求，因為它符合精度要求，且具備傳統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)勢。In－SAR技術具有的優(yōu)點概述如下。

(1)無需到達測量區(qū)就可以較高精度測量某一給定點相對一個參考區(qū)的位移。

(2)不會受當?shù)鼗鶞驶驕y量點質量或損壞情況的影響，不受測量點的凍脹、意外損壞或其他人為因素的影響。

(3)如果可獲得調查區(qū)的歷史衛(wèi)星數(shù)據(jù)，則可得到過去20～25 a的歷史變形數(shù)據(jù)，這使得填補歷史人為讀數(shù)數(shù)據(jù)空白成為了可能。

(4)可驗證其他觀察法獲得的歷史數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)相關聯(lián)及校準不同儀器的測量數(shù)據(jù)。

(5)覆蓋面積較大，使用戶能看到更大區(qū)域的變形狀況。

(6)空間分辨率高。

(7)商業(yè)化的衛(wèi)星系統(tǒng)重復周期長(4～24 d)，可以以合適的成本進行頻繁更新。

當然，InSAR技術也有上文所述的一些劣勢，概述如下。

(1)大壩多建于偏遠山區(qū)，氣候條件變化快。積雪和茂密的植被可能會限制可獲得的衛(wèi)星圖片數(shù)量，從而減少可獲取的可靠數(shù)據(jù)。對于瑞典等北部地區(qū)，其地形可能會導致雷達陰影和定格，從而屏蔽掉部分需探測的區(qū)域。不過也可從其他角度來獲取數(shù)據(jù)，或許可彌補上述不足。

(2)一個通路的重復時間至少為4 d，而且還因衛(wèi)星而異，如果需要對某些區(qū)域進行連續(xù)監(jiān)測，該方法可能失效。

(3)衛(wèi)星雷達視距會降低某些大壩(位移)方位的監(jiān)測靈敏度，但這一情況在某種程度上可以通過同時獲取上行下行軌道數(shù)據(jù)來緩解。南/北方向上，受衛(wèi)星極地軌道影響，(水平)位移靈敏度最低。

在進行該研究之前，除了有待確定成本和性能之外，還需要指出的是，上述劣勢并非InSAR方法所特有，因為積雪覆蓋也會影響大部分傳統(tǒng)監(jiān)測方法的監(jiān)測精度，但隨著衛(wèi)星圖像質量的提高以及新衛(wèi)星和傳感器應用于軌道上，監(jiān)測精度極具提高的潛力。

從試點研究結果看，InSAR技術似乎很適合用于監(jiān)測大壩安全。盡管此前很少有人去系統(tǒng)地嘗試構建監(jiān)測大壩的方法，但2011年挪威斯瓦特范(Svartevann)壩的試點研究就是這樣一種嘗試。該研究揭示了InSAR方法的應用潛力，但未能用人工監(jiān)測點或基準去驗證所記錄的位移。雖然特蘭斯賴特壩分析確實對于了解InSAR方法提供了有用信息，但由于歷史數(shù)據(jù)與基準的不一致性，它沒能完全驗證InSAR技術的監(jiān)測精度。因此對歷史測量點讀數(shù)精度得到驗證的大壩進行分析是有必要的。

7 結語

本文研究結果表明，InSAR測量技術精度足夠用于大壩壩坡的監(jiān)測;分辨率低的ERS－1和ERS－2衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)可用于填補測量數(shù)據(jù)上的空白，且可進一步作為質量控制器，檢測現(xiàn)有人工測量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)中的不足。

目前商業(yè)化的衛(wèi)星，如TerraSAR－X衛(wèi)星，其分辨率高達1 m×1 m(聚光燈模式)及3 m×3 m(條帶式模式)。正在進行中的下一階段試點研究的研究對象是瑞典和挪威的4座大型壩。屆時將利用X波段(TerraSAR－X)和C波段(ERS－1/2，Enivsat ASAR和RADARSAT－2)圖像跟蹤這些大壩的沉降情況，從而建立該技術的可信度。該研究的長期目標是通過替代當前的人工沉降觀測，在提高大壩安全性的同時降低成本。