基于北斗/GNSS與InSAR的水庫群壩體表面變形監(jiān)測體系

熊尋安，龔春龍，王明洲

（深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518001）

0 引言

根據(jù)2016年全國水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，我國已建成各類水庫約 9.8 萬座，中小型水庫占絕大多數(shù)[1]。為數(shù)眾多的中小型水庫主要在20世紀(jì) 50—70 年代建成，受各種因素影響，安全問題十分突出[2]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國病險(xiǎn)水庫約占水庫總數(shù)的 40.8%。點(diǎn)多，面廣，量大，且工程設(shè)施老化、運(yùn)行管理薄弱的狀況長期存在，是水利管理工作的短板[3]。尤其是位于高度發(fā)達(dá)城市里的水庫群，需要更高的安全防護(hù)等級，且有必要做到萬無一失。

針對城市中小型水庫群管理，深圳市人民政府于2017 年7月出臺了《深圳市小型水庫管理辦法》[4]，其中對小型水庫的安全運(yùn)行提出了明確要求：“?。?）型和壩高超過15m 的?。?）型水庫應(yīng)當(dāng)設(shè)置大壩變形和滲壓監(jiān)測設(shè)施?！钡侨绱吮姸嗟乃畮?，安全監(jiān)測采用何種方式方法開展？如何做到既經(jīng)濟(jì)合理，又能滿足管理要求？如何采用更多高科技、信息化手段來支持？這一系列的問題考驗(yàn)當(dāng)今的水利工作者。

在表面變形監(jiān)測方面，綜合運(yùn)用北斗/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（以下簡稱北斗/GNSS）監(jiān)測和合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）等技術(shù)，具有實(shí)現(xiàn)水庫群高效精準(zhǔn)監(jiān)測的潛力。北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測技術(shù)具有全天候、實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動化監(jiān)測的能力，可在夜間、臺風(fēng)暴雨期間正常觀測，能夠24h 連續(xù)不間斷地獲取大壩變形監(jiān)測資料。北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測技術(shù)在大壩安全監(jiān)測中已有較多的應(yīng)用案例[5-8]，但是，現(xiàn)有的水庫大壩北斗/GNSS 表面變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)多采用單水庫建設(shè)基準(zhǔn)站的模式，尚未采用建立北斗/GNSS 基準(zhǔn)站網(wǎng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)測點(diǎn)變形監(jiān)測的策略。InSAR 技術(shù)，作為一種新的空間對地觀測技術(shù)，具有全天時(shí)、全天候、大觀測范圍、觀測時(shí)間可回溯、高性價(jià)比等特點(diǎn)，已逐漸在國土、水利、電力、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用。時(shí)間序列 InSAR 分析技術(shù)在近10a 同樣得到了持續(xù)的發(fā)展，比較有代表性的算法主要包括PSInSAR，SBAS，CT，STUN，StaMPS，PSP，SqueeSAR，QPS 等[9-12]。

為此，利用北斗/GNSS 監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市水庫群壩體表面變形的自動化監(jiān)測，同時(shí)結(jié)合 InSAR 技術(shù)大范圍、高精度的優(yōu)勢，建立水庫壩體表面變形監(jiān)測作業(yè)新模式，以提升水庫工程安全管理和應(yīng)對惡劣天氣的能力。

1 北斗/GNSS 和 InSAR 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 北斗/GNSS 技術(shù)應(yīng)用情況

國內(nèi)最早利用 GPS 導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測的大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)是原武漢測繪科技大學(xué)開發(fā)研制的清江隔河巖大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)[4]，其在1998年長江流域特大洪水期間讓水庫超量攔洪蓄水，減輕了長江中下游的防汛抗洪壓力，避免了荊江分洪，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。但是受制于導(dǎo)航系統(tǒng)的限制和高昂的硬件成本，該技術(shù)的推廣難度較大。

深圳市從2015年開始，在茜坑、西麗、松子坑、炳坑等水庫建設(shè)了北斗/GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)，形成了很好的應(yīng)用示范。北斗/GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)水平監(jiān)測精度優(yōu)于2mm，高程監(jiān)測精度優(yōu)于3mm，能滿足《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中 ±3 mm 監(jiān)測精度的要求[13]。隨著中國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷完善，實(shí)現(xiàn)了高精度 GNSS 定位終端核心技術(shù)完全自主化和產(chǎn)業(yè)化。圖1為茜坑水庫北斗/GNSS 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)平面布置圖，圖中基準(zhǔn)站位于壩體西側(cè)山體頂部，壩體表面共布置12個變形監(jiān)測點(diǎn)，分4 個縱斷面布設(shè)，其中迎水面1個縱斷面，背水面3 個縱斷面。

圖1 茜坑水庫基準(zhǔn)站與監(jiān)測站分布圖

圖2為茜坑水庫主壩體表面監(jiān)測點(diǎn) XK01 變形過程和庫水位曲線，由圖2分析可知，監(jiān)測點(diǎn)的變形序列與庫水位變化曲線有較強(qiáng)的相關(guān)性。對監(jiān)測點(diǎn)變形序列與庫水位變化曲線進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)茜坑水庫在 XK01 測點(diǎn)位置，當(dāng)庫水位高度變化1m，會導(dǎo)致該點(diǎn)在上下游方向出現(xiàn)大約1mm 的形變，在其余測點(diǎn)也有類似的監(jiān)測點(diǎn)變形序列與庫水位變化曲線明顯相關(guān)的情況，說明北斗/GNSS 技術(shù)能夠獲取水庫壩體表面的微小形變，具有較高的監(jiān)測精度和可靠性。

圖2 茜坑水庫 XK01 測點(diǎn)變形過程和庫水位曲線

1.2 InSAR 技術(shù)應(yīng)用情況

雷達(dá)衛(wèi)星遙感已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，免費(fèi)和高分的數(shù)據(jù)源不斷增加。Sentinel-1 衛(wèi)星、TerraSAR-X雙星、COSMO-SkyMed 星座、ALOS-2 衛(wèi)星、Radarsat-2、國產(chǎn)高分3號衛(wèi)星為 InSAR 技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)源。常用 SAR 衛(wèi)星數(shù)據(jù)基本參數(shù)如表1所示。

表1 常用 SAR 衛(wèi)星數(shù)據(jù)基本參數(shù)

在水利設(shè)施監(jiān)測方面，若干研究學(xué)者利用InSAR 技術(shù)在三峽大壩、Pertusillo 土石壩等獲取了較好的研究成果[14-15]，為 InSAR 技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了成功案例。2011 年，王騰等[14]首次采用3m分辨率 TerraSAR 影像對三峽大壩表面變形進(jìn)行研究，取得了較好的研究成果。

深圳市從2012年開始利用 InSAR 技術(shù)對水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行表面變形監(jiān)測研究，目前 InSAR 技術(shù)已在深圳長嶺陂、公明水庫壩體，以及深圳水庫渡槽、海堤等設(shè)施形變監(jiān)測方面進(jìn)行了成功應(yīng)用。圖3為利用3m 分辨率 SAR 影像獲取的公明水庫5# 壩體在建成初期的表面變形場，監(jiān)測時(shí)間段為2015 年1月至2016年10月。壩體主要沉降區(qū)域發(fā)生在壩頂及上坡面位置，從壩體結(jié)構(gòu)可知，這方面的沉降量主要來自于回填粘土的收縮。由圖3分析可知，InSAR 技術(shù)可在水庫壩體表面獲取高分辨率的沉降監(jiān)測結(jié)果。

圖3 公明水庫 5# 壩體 InSAR 變形監(jiān)測結(jié)果

在土石壩表面變形監(jiān)測的應(yīng)用中，北斗/GNSS與 InSAR 技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體比較如表2所示。實(shí)際應(yīng)用中，2 種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)可相互補(bǔ)充，如北斗/GNSS 技術(shù)可以全天候24h 進(jìn)行單點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，而 InSAR 技術(shù)則在面域監(jiān)測上有優(yōu)勢，但在全天候方面明顯不足。

表2 北斗/GNSS 與 InSAR 技術(shù)性能指標(biāo)

2 城市水庫群表面變形監(jiān)測體系

在2000 km2的狹小空間內(nèi)，深圳市目前共有各類型水庫160余座，其中小型水庫145座，此外，深汕合作區(qū)還有各類型水庫28座。水庫群與城市建筑區(qū)交織在一起，且部分水庫地勢較高，下游人口達(dá)百萬，一旦失事后果不堪設(shè)想。大中型水庫主要采用人工觀測方式進(jìn)行壩體表面變形監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每季度1次至每月1次；大部分小型水庫目前尚無表面變形監(jiān)測設(shè)施。

為滿足城市水庫群安全保障的需要，摸清水庫大壩、庫岸邊坡等設(shè)施的安全狀況，需要開展相應(yīng)的安全監(jiān)測工作，形成高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的綜合安全監(jiān)測模式，為水庫管理部門定期提供全面、豐富、可靠的安全監(jiān)測信息，在出現(xiàn)異常情況時(shí)能及時(shí)預(yù)警。監(jiān)測總目標(biāo)如下：

1）建立以衛(wèi)星技術(shù)為核心的全局性高效監(jiān)測能力，通過定期獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成水庫群綜合安全監(jiān)管新模式。以 InSAR 技術(shù)為基礎(chǔ)，對區(qū)域內(nèi)水庫大壩、庫岸邊坡等進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測；以北斗/GNSS技術(shù)為支撐，對重要水庫設(shè)施開展實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測；在緊急情況下（如臺風(fēng)、特大暴雨、災(zāi)后等），對特殊部位開展應(yīng)急監(jiān)測；輔以人工監(jiān)測及滲流量、滲流壓力等的監(jiān)測，綜合各種技術(shù)手段，做到“點(diǎn)面結(jié)合無盲區(qū)，主次有序高效率”。

2）建設(shè)覆蓋區(qū)域的北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)，提升應(yīng)急監(jiān)測能力。北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)為水源工程設(shè)施開展北斗/GNSS 監(jiān)測提供基準(zhǔn)，用于日常和應(yīng)急監(jiān)測。在應(yīng)急狀態(tài)下，借助基準(zhǔn)網(wǎng)快速部署北斗/GNSS 設(shè)備即可開展實(shí)時(shí)自動化監(jiān)測，縮短響應(yīng)時(shí)間，提升應(yīng)急能力。

2.1 覆蓋區(qū)域水庫的 InSAR 表面變形監(jiān)測

利用 InSAR 技術(shù)對區(qū)域內(nèi)水庫群大壩及庫岸邊坡等重要設(shè)施及其周邊地表進(jìn)行普查性的全覆蓋監(jiān)測，檢查水源工程設(shè)施是否存在潛在的隱患部位，指導(dǎo)北斗/GNSS、人工監(jiān)測等手段開展有針對性的表面變形監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)高效低成本的 InSAR 全覆蓋監(jiān)測。高分辨率 SAR 影像在深圳市覆蓋情況如圖 4所示，可知兩景高分辨率 SAR 影像即可基本實(shí)現(xiàn)深圳市的全覆蓋。

InSAR 監(jiān)測工作包含歷史和更新2個方面的數(shù)據(jù)分析。利用存檔的雷達(dá)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域歷史變形序列的追溯，通過與其他數(shù)據(jù)聯(lián)合，分析各水庫及邊坡等在過去幾年內(nèi)的變化規(guī)律，識別歷史隱患部位并在隱患數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行標(biāo)記。每個季度可根據(jù)數(shù)據(jù)源及實(shí)際需求進(jìn)行多次更新數(shù)據(jù)分析，提取該季度內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的表面變形監(jiān)測結(jié)果，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)源如 TerraSAR-X，可每隔11d提供1次數(shù)據(jù)更新。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對歷史隱患部位進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，對新增隱患部位進(jìn)行識別和標(biāo)記。

圖4 高分辨率 SAR 影像在深圳市覆蓋情況

2.2 覆蓋區(qū)域水庫的北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測基準(zhǔn)站網(wǎng)

對單座水庫實(shí)施北斗/GNSS 監(jiān)測，通常需要在距離監(jiān)測點(diǎn)一定范圍內(nèi)建立基準(zhǔn)站。但是對水庫分布比較密集的區(qū)域存在以下2個問題：

1）需布設(shè)的站點(diǎn)太多，以深圳市為例，在近2000 km2的土地上有160 多座中小型水庫；

2）大多數(shù)小型水庫平時(shí)不需要進(jìn)行24h監(jiān)測，但是應(yīng)急時(shí)又沒有相應(yīng)的基準(zhǔn)站。為解決這些問題，提出建立覆蓋區(qū)域內(nèi)水庫的北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測基準(zhǔn)站網(wǎng)，平時(shí)作為區(qū)域內(nèi)大中型及部分小型水庫的基準(zhǔn)網(wǎng)站，應(yīng)急時(shí)可為區(qū)域內(nèi)其它水庫或工程提供參考基準(zhǔn)。

以深圳市為例，在區(qū)域內(nèi)布設(shè)由若干座基準(zhǔn)站組成的水源工程設(shè)施北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測基準(zhǔn)站網(wǎng)，基準(zhǔn)站網(wǎng)布設(shè)如圖5所示?；鶞?zhǔn)站建成后，可保證任何一座中型或?。?）型水庫在5km 范圍內(nèi)有基準(zhǔn)站可用，為北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測的快速部署提供基礎(chǔ)設(shè)施保障。

圖5 北斗/GNSS 變形監(jiān)測基準(zhǔn)站網(wǎng)

北斗/GNSS 監(jiān)測基準(zhǔn)站網(wǎng)可以由水利部門單獨(dú)興建，也可以同國土或其它部門共建共管，納入市一級層面的基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃。

2.3 日常和應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

對于區(qū)域內(nèi)的水庫大壩及相關(guān)設(shè)施，利用InSAR 可以進(jìn)行全覆蓋普查性監(jiān)測，利用監(jiān)測結(jié)果，平時(shí)可以檢查相關(guān)工程設(shè)施是否存在潛在的隱患部位及確定風(fēng)險(xiǎn)級別，形成水庫風(fēng)險(xiǎn)隱患庫，以便在應(yīng)急時(shí)了解監(jiān)測的部位及等級，使水庫管理人員清楚現(xiàn)場情況。

部分有條件的地方，對壩高超過15m 的?。?）型水庫的大壩設(shè)立北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測永久設(shè)施，實(shí)行常態(tài)化不間斷監(jiān)測即日常監(jiān)測，以確保該類型水庫的安全。

在水庫大壩或其它部位出現(xiàn)險(xiǎn)情預(yù)警（如水庫邊坡滑坡），或超強(qiáng)臺風(fēng)過境，或大暴雨、高水位期間，可增設(shè)應(yīng)急設(shè)施進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測。為保證應(yīng)急監(jiān)測的可靠性，應(yīng)做好基準(zhǔn)站網(wǎng)的建設(shè)和應(yīng)急保障演練，保障在4h 內(nèi)（甚至更少時(shí)間）設(shè)施能布置到位，精度可靠，以保證水庫本身及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全。

3 結(jié)語

針對城市水庫群安全監(jiān)測的需求，結(jié)合水庫群的空間分布特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，探討了基于北斗/GNSS 與 InSAR 技術(shù)的水庫群壩體表面變形監(jiān)測體系。以深圳市水庫群為研究對象，發(fā)現(xiàn)利用兩景 SAR 影像可基本實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)所有水庫的全覆蓋監(jiān)測，可用于水源工程基礎(chǔ)設(shè)施的普查性監(jiān)測，通過建立區(qū)域性質(zhì)的北斗/GNSS 表面變形監(jiān)測基準(zhǔn)站網(wǎng)，可支撐實(shí)現(xiàn)重要設(shè)施的實(shí)時(shí)北斗/GNSS 連續(xù)監(jiān)測，同時(shí)可為特殊時(shí)段及部位施加應(yīng)急監(jiān)測提供基礎(chǔ)條件。本研究提出的水庫群壩體表面變形監(jiān)測體系，適用于中小型水庫土石壩，對大型或混凝土壩型水庫僅供參考，可推廣至地質(zhì)災(zāi)害、道路交通、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等監(jiān)測領(lǐng)域。

近年來，雖然北斗/GNSS 和 InSAR 技術(shù)在水利工程表面變形監(jiān)測領(lǐng)域取得了一定的發(fā)展和應(yīng)用，但北斗/GNSS 技術(shù)仍然受限于較為高昂的建設(shè)成本，同時(shí) InSAR 技術(shù)的應(yīng)用場景易受復(fù)雜地形、植被等因素的影響。未來需要圍繞限制進(jìn)一步規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，集中技術(shù)力量開展技術(shù)攻關(guān)，以促進(jìn)北斗/GNSS 和 InSAR 技術(shù)在水利及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)在壩體內(nèi)部變形監(jiān)測上還依賴于其它監(jiān)測方式，需要開展壩體內(nèi)觀和外觀一體化監(jiān)測體系的應(yīng)用研究。