一種露天礦高邊坡形變監(jiān)測的新方法

劉小陽 李 峰 孫廣通 錢 安 朱 紅 李佳樂

（防災(zāi)科技學(xué)院生態(tài)環(huán)境學(xué)院，河北三河065201）

露天礦邊坡垮塌所引起的災(zāi)害是礦山建設(shè)的主要災(zāi)害之一，為預(yù)警和防治露天礦邊坡災(zāi)害發(fā)生，對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行有效的形變監(jiān)測尤為重要。傳統(tǒng)監(jiān)測方法中GPS測量、全站儀測量、水準(zhǔn)測量、傾斜測量、位移計(jì)測量等雖然精度高，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，危險(xiǎn)性高。攝影測量、星載SAR和三維激光掃描等非接觸測量技術(shù)因測量精度低而難以滿足礦山邊坡形變監(jiān)測的要求。

地基雷達(dá)作為一種新型高精度測量技術(shù)，具有非接觸、全天候、設(shè)站靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能全面監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的整體形變情況，已成為國內(nèi)外各監(jiān)測領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。GENTILE等［1-2］利用地基SAR對(duì)橋梁環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測試驗(yàn)研究，將地基雷達(dá)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，取得了理想成效。ALBERTO［3］利用GBSAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了冰川變化監(jiān)測，初步探討了應(yīng)用地基雷達(dá)監(jiān)測冰川變化的技術(shù)方法。ALESSANDRO等［4］用GB-InSAR技術(shù)成功監(jiān)測了意大利艾米利亞—羅馬地區(qū)的滑坡。VENTISETTE等［5］利用GB-SAR技術(shù)對(duì)位于意大利卡拉布里亞地區(qū)的緊急滑坡進(jìn)行了監(jiān)測，根據(jù)GB-SAR技術(shù)測量結(jié)果，評(píng)價(jià)了該滑坡對(duì)高速公路的安全影響。MONSERRAT等［6］針對(duì)地面雷達(dá)干涉測量在長期監(jiān)測中受到相位測量的模糊性以及大氣相位影響導(dǎo)致可測量點(diǎn)減少的問題，對(duì)以不連續(xù)模式獲取的地面合成孔徑雷達(dá)（GB-SAR）數(shù)據(jù)幅度分量處理方法進(jìn)行了研究，使用與匹配技術(shù)相結(jié)合的振幅圖像的幾何特征估算特定目標(biāo)的位移。對(duì)西班牙比利牛斯東部地區(qū)8個(gè)不同運(yùn)動(dòng)中活躍滑坡進(jìn)行了19個(gè)月的定期觀測試驗(yàn)，并與其它測量技術(shù)成果進(jìn)行對(duì)比，兩者形變測量結(jié)果完全吻合，且精度優(yōu)于1 cm。文獻(xiàn)［7］分析了GB-SAR技術(shù)原理、儀器設(shè)備研制及其技術(shù)特點(diǎn)，討論了該技術(shù)的適用條件、應(yīng)用現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢。ATZENI等［8］利用地基合成孔徑雷達(dá)對(duì)自然和人工邊坡進(jìn)行了預(yù)警監(jiān)測研究，討論了現(xiàn)代SAR技術(shù)對(duì)邊坡監(jiān)測的主要技術(shù)特點(diǎn)，并與其他監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行比較分析，給出了一些成功的坡度監(jiān)測案例。

在國內(nèi)，鄧增兵等［9］利用IBIS系統(tǒng)對(duì)露天礦邊坡形變進(jìn)行了監(jiān)測，獲得多時(shí)相形變圖，對(duì)邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)測方法進(jìn)行了初步探索。邱志偉等［10］利用地基SAR對(duì)隔河巖大壩進(jìn)行了監(jiān)測研究，通過對(duì)比傳統(tǒng)監(jiān)測方法，分析了地基雷達(dá)技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中的優(yōu)勢。汪學(xué)琴等［11］等通過對(duì)地基雷達(dá)大氣擾動(dòng)影響的分析，建立了基于二次曲面函數(shù)的大氣擾動(dòng)分布模型，利用固定點(diǎn)估算了測區(qū)內(nèi)任意位置的大氣擾動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)了大氣改正。張享［12］應(yīng)用地基雷達(dá)進(jìn)行滑坡監(jiān)測研究，并就大氣校正問題進(jìn)行了探討。LIU等［13］利用IBIS-L對(duì)深基坑邊坡進(jìn)行了微形變應(yīng)急監(jiān)測，獲得了較為理想的結(jié)果，為基坑施工應(yīng)急監(jiān)測提供了一種新方法。徐亞明等［14］針對(duì)地基SAR測量中的氣象影響，提出了構(gòu)建永久散射體網(wǎng)改正氣象擾動(dòng)方法。黃長軍等［15］針對(duì)地基雷達(dá)測量中的大氣干擾問題，基于測量區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定地面控制點(diǎn)對(duì)觀測目標(biāo)中的大氣擾動(dòng)誤差進(jìn)行了改正，提高了觀測精度。曾濤等［16］對(duì)現(xiàn)階段地基差分干涉雷達(dá)處理中的差分干涉、PS點(diǎn)選擇、大氣相位補(bǔ)償?shù)戎匾夹g(shù)問題進(jìn)行了分析，并結(jié)合山體滑坡監(jiān)測和橋梁振動(dòng)測量實(shí)例進(jìn)行了分析。周呂等［17］為研究地基SAR形變探測能力與精度，建立了一套精度驗(yàn)證平臺(tái)和系統(tǒng)，驗(yàn)證了其具有亞毫米級(jí)形變探測精度，對(duì)于緩慢微小變化，其具有更好的形變探測能力與可靠性。

上述研究表明，地基雷達(dá)可用于人工邊坡監(jiān)測，且相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)測方法具有優(yōu)勢。但基于地基雷達(dá)的露天礦高邊坡微形變監(jiān)測的應(yīng)用成果較少，同時(shí)，在露天礦高邊坡長時(shí)間、大范圍、遠(yuǎn)距離監(jiān)測中，不同區(qū)域的大氣變化存在較大差異，已有的大氣校正方法處理效果不穩(wěn)定。本研究依據(jù)地基雷達(dá)系統(tǒng)測量原理，提出了基于地基雷達(dá)的露天礦高邊坡形變監(jiān)測方法，結(jié)合三友露天礦邊坡監(jiān)測工程實(shí)例，分析了監(jiān)測過程及數(shù)據(jù)處理方法，重點(diǎn)討論了基于PSC（Persistent Scatterer Candidates）網(wǎng)的大氣校正方法，對(duì)比分析了同期高精度測量機(jī)器人的監(jiān)測結(jié)果，驗(yàn)證了FastGBSAR系統(tǒng)用于露天礦邊坡監(jiān)測的有效性。

1 監(jiān)測原理與方法

1.1 地基雷達(dá)測量原理

地基雷達(dá)測量采用合成孔徑雷達(dá)和進(jìn)步頻率連續(xù)波等技術(shù)，利用兩個(gè)不同時(shí)刻拍攝的同一場景的一對(duì)復(fù)雜且相干的雷達(dá)圖像相位之間的定量比較來實(shí)現(xiàn)測量［18］。系統(tǒng)發(fā)射電磁波到目標(biāo)表面，反射回來再接收。發(fā)射波對(duì)應(yīng)的后向散射回波的時(shí)延與雷達(dá)和目標(biāo)間距對(duì)應(yīng)。雷達(dá)以距離向和橫向分辨率輸出二維相位和振幅圖像。振幅表示目標(biāo)的反射率，相位取決于目標(biāo)和雷達(dá)距離以及大氣擾動(dòng)等。通過計(jì)算兩幅相位差得到干涉相位：

式中，?disp為物體相對(duì)雷達(dá)移動(dòng)造成的相位差；?atm為大氣擾動(dòng)引起的相位差；?noise為噪聲引起的相位差；n為整周模糊度。

通過濾波去除噪聲相位，相位解纏得到整周模糊度n，通過大氣改正方法消除大氣擾動(dòng)相位后，視線向位移即可通過相位差解算。

1.2 數(shù)據(jù)采集

地基雷達(dá)作為一種高精度、高頻率的非接觸測量技術(shù)，但只能觀測到一維視線向形變信息。為最大限度地提高地基雷達(dá)設(shè)備在形變監(jiān)測中的靈敏度，雷達(dá)的觀測視線方向應(yīng)盡量與監(jiān)測目標(biāo)的形變方向相一致［19］。在露天礦高邊坡監(jiān)測中，可將觀測設(shè)備安置于邊坡正前方，天線入射角設(shè)置在水平5°以內(nèi)。為減少監(jiān)測誤差，應(yīng)保證觀測過程中觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)考慮到長時(shí)間觀測，大氣溫差、濕度和氣流等大氣環(huán)境變化的影響，在保證視線角度的前提下，盡可能減小觀測距離。

1.3 大氣改正

地基雷達(dá)監(jiān)測精度的主要影響因素有雷達(dá)系統(tǒng)相位的不穩(wěn)定性、儀器觀測平臺(tái)的不穩(wěn)定性、噪聲、大氣擾動(dòng)等。噪聲相位通過加權(quán)圓周中值濾波去除。在不考慮儀器誤差和觀測平臺(tái)穩(wěn)定性的情況下，大氣擾動(dòng)的影響極其顯著［11-12］。因此，要獲得高精度雷達(dá)視線向形變量，必須有效消除大氣擾動(dòng)的影響。

針對(duì)露天礦高邊坡形變監(jiān)測特點(diǎn)，本研究探索構(gòu)建PSC三角網(wǎng)來消除大氣擾動(dòng)影響。首先通過設(shè)定相干系數(shù)閾值提取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的穩(wěn)定點(diǎn)作為PS（Persistent Scatterer）點(diǎn)，再利用振幅離散指數(shù)閾值對(duì)所選PS點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步篩選，選擇其中更加穩(wěn)定的點(diǎn)位作為PSC點(diǎn)。利用提取出的PSC點(diǎn)構(gòu)建PSC三角網(wǎng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的氣象改正。

1.4 時(shí)序分析

地基雷達(dá)干涉處理比星載雷達(dá)數(shù)據(jù)簡單。由于滑動(dòng)軌道以較短的工作周期反復(fù)成像，能夠克服空間失相關(guān)問題?？臻g基線為0，地基雷達(dá)不需要去地形效應(yīng)和軌道誤差修正。在時(shí)間上，由于觀測間隔較短，干涉圖的相干性在很大程度上得到了保證［20］。在進(jìn)行數(shù)據(jù)聚焦、解纏、大氣校正處理后，獲得邊坡位移隨時(shí)間的變化規(guī)律。

2 實(shí)例分析

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取

三友礦位于河北省唐山市古冶區(qū)趙各莊西，主要生產(chǎn)礦石、水泥，露天開采礦區(qū)面積約2.4 km2，邊坡長度約5.2 km，礦區(qū)邊坡落差最大約100 m。為保障礦區(qū)生產(chǎn)安全，應(yīng)相關(guān)部門要求，于2015年開始利用高精度測量機(jī)器人對(duì)礦區(qū)高邊坡進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，因測量距離遠(yuǎn)，受測量機(jī)器人精度及監(jiān)測環(huán)境的影響，監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差較大，難以反映礦區(qū)邊坡微小形變信息。同時(shí)因測量機(jī)器人只能觀測到有限點(diǎn)位的形變信息，難以精確反映高邊坡的整體形變情況。為精確實(shí)時(shí)獲取高邊坡的整體形變信息，本研究利用Fast GBSAR對(duì)礦區(qū)中部的高邊坡進(jìn)行了形變監(jiān)測，觀測技術(shù)參數(shù)如表1所示。

為有效監(jiān)測邊坡的形變信息，選擇邊坡對(duì)面的山坡作為儀器安置點(diǎn)，因觀測視線傾角小，雷達(dá)視線方向與露天礦邊坡移動(dòng)方向基本平行，故認(rèn)為雷達(dá)監(jiān)測視線向距離形變量即為露天礦邊坡的位移量。為保障監(jiān)測過程中儀器穩(wěn)定，將Fast GBSAR架設(shè)于測量機(jī)器人監(jiān)測棚前的水泥硬化地面。監(jiān)測邊坡位于儀器正前方，監(jiān)測距離為250～420 m，監(jiān)測現(xiàn)場如圖1所示。本次監(jiān)測數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2018年11月1日17時(shí)10分—11月4日12時(shí)00分，每5 min進(jìn)行一次采樣，共采集了SAR影像803幅。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用SePSI數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行聚焦處理后，獲得露天礦邊坡監(jiān)測區(qū)域的平均振幅強(qiáng)度，如圖2所示。露天礦邊坡巖石散射性好，因此可以明顯看出露天礦邊坡巖石具有較高的平均振幅強(qiáng)度。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)SAR數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的振幅離散指數(shù)、估計(jì)的穩(wěn)定性指數(shù)、位移精度等質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行分析。監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，目標(biāo)區(qū)域穩(wěn)定的巖石邊坡的振幅離散指數(shù)優(yōu)于0.1（圖3），即振幅標(biāo)準(zhǔn)偏差與其平均振幅之比較小，表明雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定；相位相干性系數(shù)大于0.9（圖4），即信號(hào)具有很好的相干性；估計(jì)的穩(wěn)定性指數(shù)大于10（圖5），即信號(hào)振幅值變化穩(wěn)定性好；位移精度優(yōu)于0.2 mm（圖6），即相位精度高。上述分析表明：本研究地基雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

2.3 基于PSC的大氣校正

本研究數(shù)據(jù)處理設(shè)定相干系數(shù)閾值為0.9，振幅離散指數(shù)閾值為0.2，得到PSC點(diǎn)458個(gè)。最后設(shè)定距離閾值為50 m，利用所選的PSC點(diǎn)構(gòu)建875個(gè)PSC氣象校正網(wǎng)如圖7所示。

為反映監(jiān)測邊坡的位移形變情況，從PS點(diǎn)網(wǎng)中選取振幅離散指數(shù)優(yōu)于0.1的19個(gè)PS點(diǎn)（圖8）進(jìn)行形變分析，得到其大氣校正前的位移變化，如圖9所示。由于監(jiān)測是從下午5時(shí)開始，從圖9中分析得到各點(diǎn)在下午5時(shí)至上午9時(shí)向遠(yuǎn)離雷達(dá)方向移動(dòng)，最大位移達(dá)到13 mm，上午9時(shí)至11時(shí)隨著溫度變化迅速向雷達(dá)方向移動(dòng)，白天基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，下午氣溫下降后又開始重復(fù)周期性變化。監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際情況完全不符，表明監(jiān)測結(jié)果受大氣影響較大，需要進(jìn)行大氣校正。

圖10為采用PSC網(wǎng)進(jìn)行大氣校正后的各PS點(diǎn)的位移形變量。經(jīng)大氣校正后，各點(diǎn)位移集中在±0.2 mm以內(nèi)，對(duì)于個(gè)別位移跳動(dòng)較大的點(diǎn)，可認(rèn)為是由于異常引起的。由圖10可以看出改正后的位移受大氣擾動(dòng)影響較小，說明通過PSC網(wǎng)消除大氣影響有效可行。各PS點(diǎn)位移變化約0.2 mm，表明在監(jiān)測期內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)基本沒有發(fā)生形變位移。圖11給出了露天礦監(jiān)測區(qū)域內(nèi)邊坡的整體形變情況，也表明了邊坡整體基本穩(wěn)定，無明顯形變。

2.4 測量機(jī)器人數(shù)據(jù)對(duì)比分析

Fast GBSAR系統(tǒng)作為一種新的形變監(jiān)測技術(shù)，為驗(yàn)證其形變監(jiān)測結(jié)果的有效性，本研究將地基SAR監(jiān)測數(shù)據(jù)和高精度測量機(jī)器人監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)選擇了2個(gè)測量機(jī)器人監(jiān)測點(diǎn)（A1、A2點(diǎn)），自2018年11月1日19時(shí)01分—11月4日15時(shí)01分，每隔4 h測量一次點(diǎn)位位移形變量，共得到2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的18個(gè)位移變化信息。A1、A2點(diǎn)形變位移曲線如圖12所示。由圖12可知：A1點(diǎn)的位移變化量保持在6.3 mm左右，測量中誤差為1.96 mm；A2點(diǎn)的位移變化量保持在6.5 mm左右，測量中誤差為1.89 mm?？梢钥闯龈鼽c(diǎn)位移變化量有一定的波動(dòng)，但位移變化趨勢保持穩(wěn)定，各點(diǎn)位移變化量的上下波動(dòng)主要是測量機(jī)器人的測量誤差引起的，表明邊坡整體基本無變形?？傮w上，F(xiàn)ast GBSAR系統(tǒng)監(jiān)測精度優(yōu)于測量機(jī)器人。

3 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足，提出了基于地基雷達(dá)的露天礦高邊坡形變監(jiān)測新方法。通過Fast GBSAR設(shè)備對(duì)三友露天礦高邊坡進(jìn)行了監(jiān)測試驗(yàn)，并將監(jiān)測結(jié)果與高精度測量機(jī)器人的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。研究表明：Fast GBSAR能有效實(shí)現(xiàn)露天礦高邊坡亞毫米級(jí)的形變監(jiān)測，相對(duì)于傳統(tǒng)的露天礦高邊坡監(jiān)測技術(shù)，具有更高的測量精度，且能提供監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的整體形變信息。同時(shí)，因其全天候、自動(dòng)化、非接觸、設(shè)站靈活等優(yōu)勢，地基雷達(dá)作為一種新的監(jiān)測技術(shù)在露天礦等各種人工邊坡監(jiān)測領(lǐng)域?qū)⒕哂懈玫膽?yīng)用前景。