基于SAR的洞庭湖堤壩形變監(jiān)測(cè)方法研究

袁會(huì)林 譚三清 李建輝 曾榮亮 楊振興

摘 要：對(duì)于監(jiān)測(cè)堤壩形變信息的需求，根據(jù)SAR系統(tǒng)的特性，介紹SAR系統(tǒng)成像的基本原理和影響SAR觀測(cè)結(jié)果精度的因素，并探討不同的SAR形變監(jiān)測(cè)技術(shù)。以洞庭湖研究區(qū)域?yàn)槔?，選用Sentinel-1A雷達(dá)數(shù)據(jù)，利用SNAP軟件進(jìn)行形變信息提取，得到時(shí)序形變圖，為洞庭湖堤壩安全做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：SAR系統(tǒng) 堤壩形變 洞庭湖區(qū)域

中圖分類號(hào)：TV698.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（b）-00-04

Abstract：According to the characteristics of SAR system， the basic principle of SAR imaging and the factors affecting the accuracy of SAR observation results are introduced， and different SAR deformation monitoring techniques are discussed. Taking the study area of Dongting Lake as an example， Sentinel-1A radar data is selected to extract deformation information using SNAP software， and time series deformation map is obtained， which contributes to the dam safety of Dongting Lake.

Key words：SAR system； Dam deformation； Dongting Lake area

堤壩作為防范水患、引流蓄水的重要工程建筑，在維護(hù)生態(tài)環(huán)境安全和人類生命財(cái)產(chǎn)安全方面有著舉足輕重的作用。隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)從建國(guó)初期的4.2萬(wàn)km堤壩到如今已建成29萬(wàn)km堤壩，并且材質(zhì)由大量的土石壩改進(jìn)為混凝土壩，我國(guó)堤壩建設(shè)工程發(fā)展迅速，已達(dá)到世界前列的地位。修筑堤壩在防洪灌溉和蓄水發(fā)電的同時(shí)，也存在一定的危險(xiǎn)隱患，堤壩因不同的土壤、溫度、地質(zhì)等自然原因和自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、荷載承重等自身原因，加上長(zhǎng)年累月的河床沖刷，可能出現(xiàn)不同程度的滲漏和形變，嚴(yán)重影響堤壩的穩(wěn)定性，威脅到人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，人類對(duì)及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)堤壩形變信息的需求越來(lái)越迫切。

如今堤壩形變監(jiān)測(cè)方法的研究已經(jīng)取得了一些成果，綜合來(lái)看，主要分為基于點(diǎn)和基于面的兩大類。多傳感器融合技術(shù)、光電準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)、全球定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等是基于點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方法，即檢測(cè)有限個(gè)點(diǎn)的形變情況來(lái)判斷堤壩的形變情況；三維激光掃描技術(shù)則屬于基于面的監(jiān)測(cè)方法，它是快速重構(gòu)三維點(diǎn)云模型，形成基于面的監(jiān)測(cè)方法[1]。SAR數(shù)據(jù)因其全天時(shí)、全天候的特點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于堤壩形變監(jiān)測(cè)的研究。本文主要論述在洞庭湖流域，利用SAR技術(shù)進(jìn)行堤壩形變監(jiān)測(cè)的方法，為維護(hù)洞庭湖生態(tài)安全做出貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)概括

洞庭湖位于長(zhǎng)江中游，跨湖南、湖北兩省，總面積為2579km2，總?cè)莘e為220億m3。洞庭湖是由燕山運(yùn)動(dòng)斷陷所形成的碟形盆地，東、南、西三面環(huán)山，北邊敞口，東南低、西北高，湖體整體呈U形[2]。新中國(guó)成立以后，以水利建設(shè)為核心的洞庭湖治理工程成為政府主抓的重點(diǎn)，在“蓄泄兼籌，以泄為主”為主的治理方針下，國(guó)家開始圍繞洞庭湖流域大力建設(shè)和維護(hù)防洪堤壩，保證了湖區(qū)的蓄水泄洪能力。正因?yàn)槎赐ズ?qiáng)大的蓄洪能力，曾多次化解長(zhǎng)江地區(qū)洪水危機(jī)，維護(hù)了長(zhǎng)江中下游平原地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。近年來(lái)，因泥沙淤積、人工圍墾，湖區(qū)面積逐漸縮小，洞庭湖區(qū)頻繁的洪水災(zāi)害加上獨(dú)特的地貌環(huán)境，使得洞庭湖流域堤壩滲透、形變情況嚴(yán)重，給防洪工作帶來(lái)隱患。洞庭湖位置如圖1所示。

2 SAR基本原理

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）作為高分辨率成像雷達(dá)，具有全天時(shí)、全天候工作特點(diǎn)，不受天氣與光照影響，并能有效穿透掩蓋物，可在能見(jiàn)度極低的情況下得到高分辨率圖像。

2.1 SAR成像原理

SAR系統(tǒng)成像方式都是側(cè)視距離成像，搭載雷達(dá)傳感器的飛行器在距地面H的高度進(jìn)行觀測(cè)，雷達(dá)天線長(zhǎng)和寬分別為L(zhǎng)和W，雷達(dá)的波束大小與雷達(dá)天線和波長(zhǎng)有關(guān)。距離向張角βr=λ/W，方位向張角βa=λ/W。雷達(dá)傳感器對(duì)觀測(cè)物進(jìn)行觀測(cè)時(shí)形成的幾何觀測(cè)圖如圖2所示[4]。

2.2 SAR成像影響因素

SAR應(yīng)用于觀測(cè)或形變監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)其觀測(cè)精度有非常高的要求，要提高觀測(cè)精度就必須了解影響SAR成像的因素。SAR信號(hào)在發(fā)射、傳輸、接受的過(guò)程中主要是受自身系統(tǒng)和外部環(huán)境影響。

2.2.1 自身系統(tǒng)影響因素

SAR系統(tǒng)在觀測(cè)獲取結(jié)果時(shí)，影響其精度的自身系統(tǒng)因素主要是雷達(dá)波段和極化方法。

（1）雷達(dá)波段。

SAR系統(tǒng)工作的不同微波波段，適用的觀測(cè)對(duì)象也不相同。L低頻波段用于植被覆蓋地表的觀測(cè)；S波段較為平衡，能適用各需求；C波段大多用于海洋觀測(cè)；X、Ku高頻波段用于城市建筑的觀測(cè)[5]。SAR系統(tǒng)微波波段范圍如表1所示。

（2）極化方法。

雷達(dá)極化方式是指雷達(dá)發(fā)射的能量脈沖的電場(chǎng)矢量，可以在垂直（V）或水平（H）面內(nèi)被偏振。SAR系統(tǒng)主要運(yùn)用HH、VV、HV、VH這4種極化方法，不同的極化方法，在觀測(cè)目標(biāo)時(shí)，所接受的圖像信息各不相同。因此，極化方法的選擇對(duì)SAR的觀測(cè)精度有極其重要的影響。

2.2.2 外部環(huán)境影響因素

外部環(huán)境條件對(duì)SAR系統(tǒng)發(fā)射、傳輸、接收信號(hào)的過(guò)程有著非常大的影響，觀測(cè)目標(biāo)的特性和大氣條件是其中最主要的影響因素。

（1）觀測(cè)目標(biāo)的特性。

觀測(cè)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、方位、幾何復(fù)雜程度、掩體介質(zhì)等特征信息，在SAR系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，都影響著最終的觀測(cè)影像結(jié)果，它影響著SAR系統(tǒng)獲取的地物目標(biāo)散射信息和影像特征。

（2）大氣條件。

SAR系統(tǒng)在觀測(cè)時(shí)，微波信號(hào)的發(fā)射和接收都在大氣中進(jìn)行傳輸。SAR系統(tǒng)雖能做到全天候工作，但在極端惡劣的天氣情況下進(jìn)行觀測(cè)，SAR成像依然會(huì)存在一些影響。對(duì)于在雷達(dá)干涉測(cè)量的工作中，主要的誤差可能就是大氣條件的影響導(dǎo)致的。

3 SAR形變監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前雷達(dá)技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，為了得到更加高精度、高效率的雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，SAR形變監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究越來(lái)越重要。當(dāng)前，應(yīng)用于SAR形變監(jiān)測(cè)的技術(shù)主要是合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（InSAR）和合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)（D-InSAR）。

3.1 InSAR技術(shù)原理

InSAR技術(shù)因其高效穩(wěn)定的特點(diǎn)，是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，它是利用SAR數(shù)據(jù)對(duì)地表重復(fù)觀測(cè)形成的微波相位差計(jì)算地表形變。當(dāng)相干性良好時(shí)，相干像元密度較高，能夠直接獲取相連的面，即可反映形變的情況。

如圖3為InSAR觀測(cè)示意圖，SAR系統(tǒng)對(duì)地進(jìn)行觀測(cè)，o為坐標(biāo)原點(diǎn)，代表地球中心，x軸代表距離向，y軸代表SAR指向天線的方向。

3.2 D-InSAR技術(shù)原理

D-InSAR技術(shù)是利用同一地區(qū)的不同時(shí)間的SAR影像，通過(guò)差分干涉方法，去除不同觀測(cè)相位中的共有量，從而得到形變相位。最后將差分干涉相位通過(guò)相位解纏等操作轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兾灰屏康倪^(guò)程即為差分干涉測(cè)量。D-InSAR技術(shù)主要應(yīng)用在地震、滑坡崩塌、地面沉降等方面。

4 洞庭湖堤壩形變信息提取

4.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

Sentinel系列衛(wèi)星是歐洲哥白尼計(jì)劃空間部分的專用衛(wèi)星系列，由歐洲委員會(huì)投資，歐洲航天局研制。Sentinel-1A衛(wèi)星載有合成孔徑雷達(dá)，能提供全天候的雷達(dá)影像。

該研究通過(guò)Sentinel官方網(wǎng)站https：//scihub.copernicus.eu/dhus/#/home下載Sentinel-1A的IW數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)覆蓋范圍如圖5所示。

4.2 數(shù)據(jù)處理

SNAP軟件是雷達(dá)數(shù)據(jù)的專業(yè)處理軟件，可進(jìn)行雷達(dá)影像處理分析工作，堤壩形變監(jiān)測(cè)工作、滑坡形變工作等。利用SNAP對(duì)洞庭湖Sentinel-1A數(shù)據(jù)進(jìn)行處理流程如圖6所示。

4.3 洞庭湖堤壩形變結(jié)果

洞庭湖Sentinel-1A數(shù)據(jù)影像經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)、裁剪、校正等預(yù)處理過(guò)程，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行相干性處理，去除平地相位，得到差分干涉圖。運(yùn)用最小費(fèi)用流算法進(jìn)行相位解纏處理，得到相位解纏圖，對(duì)于大面積的相干區(qū)域，這種方法能有較好的效果。將相位信息轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫冃畔?，得到如圖7所示的洞庭湖堤壩時(shí)序形變圖。

5 結(jié)語(yǔ)

SAR技術(shù)因其具有穿透性、全天時(shí)、全天候、高精度的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地表形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。在觀測(cè)過(guò)程中，SAR系統(tǒng)自身的因素和外部環(huán)境會(huì)影響其觀測(cè)精度。同時(shí)，對(duì)于不同特性的觀測(cè)目標(biāo)所需選用的形變監(jiān)測(cè)技術(shù)方法也不相同。該文通過(guò)利用Sentinel-1A雷達(dá)數(shù)據(jù)，對(duì)洞庭湖堤壩進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，得到了洞庭湖堤壩時(shí)序形變圖，為維護(hù)洞庭湖堤壩安全做出貢獻(xiàn)，同時(shí)也表明了利用SAR數(shù)據(jù)在堤壩形變監(jiān)測(cè)方面具有較大的前景。

參考文獻(xiàn)

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