地基合成孔徑雷達(dá)在大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

姜春生，汪 劍，何玉童(上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 201702)

地基合成孔徑雷達(dá)在大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

姜春生，汪 劍，何玉童
(上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 201702)

水電站邊坡安全監(jiān)測(cè)方法，目前以北斗監(jiān)測(cè)、全站儀監(jiān)測(cè)、人工監(jiān)測(cè)等方法為主。本次上海華測(cè)公司運(yùn)用地基InSAR系統(tǒng)，對(duì)水電站邊坡進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)，拓寬了該技術(shù)在水電站庫(kù)區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)類(lèi)似形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)具有借鑒意義。地基InSAR系統(tǒng)由雷達(dá)主機(jī)、數(shù)據(jù)處理單元、能量供應(yīng)單元和線(xiàn)性滑軌等組成，是一套主動(dòng)采集、自動(dòng)化處理的系統(tǒng)。其監(jiān)測(cè)精度能夠達(dá)到0.1 mm，作業(yè)距離4 km，在水庫(kù)和大壩監(jiān)測(cè)上有非常大的應(yīng)用價(jià)值。

InSAR；大壩監(jiān)測(cè)；邊坡監(jiān)測(cè)；合成孔徑雷達(dá)

0 地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)概述

地基合成孔徑雷達(dá)(Ground-based Synthetic Aperture Radar)干涉測(cè)量技術(shù)是近十多年間發(fā)展起來(lái)的地面主動(dòng)微波遙感形變探測(cè)技術(shù)。合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)采用地基重軌干涉SAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度形變測(cè)量，通過(guò)高精度位移臺(tái)帶動(dòng)雷達(dá)往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)合成孔徑成像，再通過(guò)對(duì)同名點(diǎn)不同時(shí)相圖像進(jìn)行相位干涉處理提取出相位變化信息，實(shí)現(xiàn)邊坡表面微小形變的高精度測(cè)量，可用于山體滑坡、大壩壩體、重大建筑設(shè)施的變形監(jiān)測(cè)、預(yù)警、穩(wěn)定性評(píng)估、結(jié)構(gòu)測(cè)試、撓度監(jiān)測(cè)等[1]。具有全天時(shí)、全天候、高精度和時(shí)空連續(xù)測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2]。

系統(tǒng)由雷達(dá)處理單元、線(xiàn)性?huà)呙柩b置、操作及分析軟件、高分辨率干涉雷達(dá)、天線(xiàn)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、UPS、電纜及其他輔助件組成完整可工作系統(tǒng)。使用數(shù)據(jù)記錄單元內(nèi)安裝的現(xiàn)場(chǎng)采集分析和數(shù)據(jù)后處理軟件，可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可以對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析、解釋?zhuān)⒌贸鑫灰菩巫兘Y(jié)果[3](圖1)。

圖1 數(shù)據(jù)流程圖Fig.1 Data flow diagram

本項(xiàng)目應(yīng)用當(dāng)前較為先進(jìn)的GB-SAR系統(tǒng)LKR-05-KU-S100進(jìn)行，(圖2)。

圖2 設(shè)備安裝圖Fig.2 Installation diagram

1 地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

雷達(dá)系統(tǒng)功能有：(1)可進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙測(cè)，無(wú)須在目標(biāo)區(qū)域安裝反射器，無(wú)須靠近或進(jìn)入目標(biāo)物；(2)可連續(xù)工作時(shí)間大于100 d；(3)能夠?qū)崿F(xiàn)在相同或不同時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量同一表面；(4)在天線(xiàn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)同時(shí)監(jiān)測(cè)(一般有幾平方千米)，并可以得到動(dòng)態(tài)位移圖；(5)可監(jiān)測(cè)出目標(biāo)物的振動(dòng)信息，精確測(cè)出0～50 Hz的振動(dòng)頻率，能夠測(cè)出目標(biāo)物的1～4階振動(dòng)頻率；(6)直接、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)解析單個(gè)像素的信息，能夠得到局部的位移量，實(shí)現(xiàn)全目標(biāo)24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，可遙控測(cè)量，無(wú)須操作人員現(xiàn)場(chǎng)守候；(7)具有數(shù)據(jù)采集時(shí)間短，設(shè)備耗電量小等特點(diǎn)(表1、表2)。

表1 雷達(dá)參數(shù)表Table 1 SAR parameter list

表2 系統(tǒng)參數(shù)表Table 2 System parameter list

2 大華僑電站邊坡監(jiān)測(cè)

設(shè)備安裝點(diǎn)位于大華橋水電站滄江橋滑坡區(qū)域，測(cè)點(diǎn)距邊坡水平距離約500 m，光學(xué)影像圖及雷達(dá)強(qiáng)度影像見(jiàn)圖3。

圖3 大華僑水電站邊坡光學(xué)照片及雷達(dá)強(qiáng)度影像圖Fig.3 Optical and radar intensity images of dahuaqiao hydropower station

通過(guò)對(duì)圖像特征進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：(1)雷達(dá)圖像中邊坡坡面雷達(dá)回波較強(qiáng)；(2)作業(yè)區(qū)域中建筑物雷達(dá)回波較強(qiáng)；(3)作業(yè)區(qū)域中的公路雷達(dá)回波較強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的分析可見(jiàn)，被監(jiān)測(cè)區(qū)域的邊坡表面、建筑、公路等重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象在雷達(dá)圖像中均具有顯著特征，雷達(dá)回波較強(qiáng)且很穩(wěn)定。

圖4給出了監(jiān)測(cè)過(guò)程中不同時(shí)刻邊坡表面的累積形變量監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖5提取出了累計(jì)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果并在matlab中顯示出來(lái)，從監(jiān)測(cè)結(jié)果中可以看到從監(jiān)測(cè)初期開(kāi)始，監(jiān)測(cè)區(qū)域中的不同位置表現(xiàn)出來(lái)的位移變化情況，具體表現(xiàn)為：(1)由于時(shí)間原因，所監(jiān)測(cè)邊坡坡面整體無(wú)較大位移；(2)選取其中5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行定量分析，可以看出邊坡坡面大體穩(wěn)定，最大位移量沒(méi)有超過(guò)2 mm。

圖4 雷達(dá)變形分布圖及變化過(guò)程線(xiàn)Fig.4 InSAR deformation distribution and variation process line

圖5 累計(jì)變形分布圖Fig.5 Cumulative deformation map

3 小灣電站大壩監(jiān)測(cè)

小灣水電站位于云南省大理州南澗縣與臨滄市鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，距昆明公路里程為455 km。系是瀾滄江中下游水電規(guī)劃“兩庫(kù)八級(jí)”中的第二級(jí)，上游為功果橋水電站，下游為漫灣水電站(圖6)。

圖6 小灣水電站邊坡光學(xué)照片及雷達(dá)強(qiáng)度影像圖Fig.6 Optical and radar intensity images of xiaowan hydropower station

邊坡雷達(dá)的雷達(dá)圖像和邊坡光學(xué)照片對(duì)比如上所示，通過(guò)對(duì)圖像特征進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：(1)雷達(dá)圖像中大壩坡面雷達(dá)回波較強(qiáng)，特征明顯。(2)作業(yè)區(qū)域中的建筑物雷達(dá)回波較強(qiáng)，特征明顯。

通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的分析可見(jiàn)，被監(jiān)測(cè)區(qū)域的大壩表面、建筑物等重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象在雷達(dá)圖像中均具有顯著特征，雷達(dá)回波強(qiáng)，且特征穩(wěn)定，對(duì)于雷達(dá)技術(shù)的使用不存在環(huán)境障礙。

圖7 監(jiān)測(cè)區(qū)域雷達(dá)變形分布圖及測(cè)點(diǎn)變化過(guò)程線(xiàn)Fig.7 InSAR deformation distribution and variation process line

圖7給出了監(jiān)測(cè)過(guò)程中不同時(shí)刻邊坡表面的累積形變量監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖8提取出了累計(jì)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果并在matlab中顯示出來(lái)，從監(jiān)測(cè)結(jié)果中可以看到從監(jiān)測(cè)初期開(kāi)始，監(jiān)測(cè)區(qū)域中的不同位置表現(xiàn)出來(lái)的位移變化情況，具體表現(xiàn)為：

圖8 監(jiān)測(cè)區(qū)域累計(jì)變形分布圖Fig.8 Cumulative deformation map

(1)所監(jiān)測(cè)邊坡坡面整體沒(méi)有較大變化，在0附近上下波動(dòng)；

(2)選取其中5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行定量分析，可以看出邊坡坡面大體穩(wěn)定，移量沒(méi)有超過(guò)2 mm。

4 結(jié)論

通過(guò)本次采用邊坡雷達(dá)對(duì)云南邊坡的長(zhǎng)時(shí)間實(shí)地監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

(1)地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)具有高精度、測(cè)量面積大、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，用于水電站的大壩和邊坡監(jiān)測(cè)是非常適用的。

(2)在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備會(huì)受到植被的影響，所以如果在有植被覆蓋的地區(qū)使用，要謹(jǐn)慎處理數(shù)據(jù)。

冬季多雪的地區(qū)，如果地表有雪的覆蓋，也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。

(3)目前雷達(dá)設(shè)備的測(cè)量距離、測(cè)量面積、精度等方面已經(jīng)滿(mǎn)足水電站邊坡監(jiān)測(cè)的要求，但是它測(cè)量的是視線(xiàn)方向的變化量，如何轉(zhuǎn)化為三維位移量，仍需要進(jìn)一步研發(fā)。

[1] 佘景波，劉國(guó)林，曹振坦.差分干涉測(cè)量(D-InSAR)技術(shù)在礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng), 2010, 35(5):54-60. SHE Jingbo, LIU Guolin, CAO Zhentan. D-InSAR technology application in mining subsidence monitoring[J]. GNSS World of China, 2010, 35(5):54-60.

[2] 孔祥元,梅是義.控制測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社,1996. KONG Xiangyuan, MEI Shiyi. Geo-spacial information science[M]. Wuhan: Geomatics and Information Science of Wuhan UniversityPress,1996.

[3] 金旭輝.地基雷達(dá)在橋梁微變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].東南大學(xué),2015. JIN Xuhui. Ground-based radar application in bridge micro-deformation monitoring[D]. Southeast University, 2015.

Application of ground synthetic aperture radar in dam safety monitoring

JIANG Chunsheng， WANG Jian， HE Yutong
(CHCnavigationtechnologyLimitedbyShareLtd,Shanghai,201702,China)

The Beidou System(BDS), total station solution, manual monitoring, etc. are the main techniques for hydropower station slope deformation monitoring. In this project, ground-based InSAR(GB-InSAR) technology has been used by Shanghai Huace Navigation technology Ltd for hydropower station slope deformation monitoring. This successful case gave a good references of GB-InSAR technology in hydropower station slope deformation monitoring applications. The GB-InSAR system consists of ground radar as the mainframe, computer control unit, power supply and linear slide etc., is an active acquisition, automatic processing system. The monitoring accuracy can reach 0.1 mm, working distance is 4 km, and this technology could be bring a great value to in the reservoir deformation monitoring and dam deformation monitoring.

InSAR; dam monitoring; slope monitoring; synthetic aperture radar

2016-11-29;

2016-12-29

上海市科委項(xiàng)目(16530730700).

姜春生(1980-)男，山東煙臺(tái)人，學(xué)士，資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理專(zhuān)業(yè)，主要從事監(jiān)測(cè)變形方面工作。E-mail:chunsheng_jiang@huace.cn

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.20

P642

A

1003-8035(2017)02-0146-04