基于時序InSAR技術(shù)的三峽大壩及周邊地區(qū)形變監(jiān)測

李偉學

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014；2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

隨著大壩廣泛而持久的使用，各種技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，其中安全監(jiān)測技術(shù)也得以高速發(fā)展，在高新科技的投入下，已經(jīng)確立了完善的安全檢測體系，也進行了許多深入的科學研究。三峽大壩作為我國最大的水電工程，其安全重要性自然不言而喻。國內(nèi)外很多學者采用SBAS-InSAR、D-InSAR等技術(shù)對三峽大壩進行變形監(jiān)測，證明InSAR形變監(jiān)測方法在水庫安全狀況普查及形變歷史回溯等工作中具有巨大的應(yīng)用潛力。

本文采用InSAR中的另一種技術(shù)——PS-InSAR技術(shù)，對三峽大壩周邊的地表形變進行變形監(jiān)測。對數(shù)據(jù)進行處理后，利用得到的測區(qū)的整體形變圖和形變量時序圖，對三峽大壩周邊的地表形變進行研究，分析產(chǎn)生形變地區(qū)的原因，并給出安全建議。

1 研究區(qū)域概況

三峽大壩位于我國湖北省宜昌市三斗坪鎮(zhèn)境內(nèi)，距下游葛洲壩水利樞紐工程38 km，是當今世界最大的水利發(fā)電工程——三峽水電站的主體工程、三峽大壩旅游區(qū)的核心景觀、三峽水庫的東端。三峽大壩工程包括主體建筑物及導流工程2個部分，全長約3 335 m，壩頂高程185 m，工程總投資為954.6億元，于1994年12月14日正式動工修建，2006年5月20日全線修建成功。本文研究范圍在東經(jīng) 110°99′～111°04′、北緯 33°80′～33°84′之間，占地面積約為19.35 km2[1]。三峽大壩及周邊地區(qū)示意見圖1。圖中，監(jiān)測點A位于關(guān)門洞地區(qū)，點B位于銀杏沱村地區(qū)，點C位于大壩壩體上。

圖1 三峽大壩及周邊地區(qū)示意

2 InSAR及PS-InSAR基本原理

SAR(Synthetic Aperture Radar)即合成孔徑雷達，是一種主動式的對地觀測系統(tǒng)， 通過沿著1條直線移動天線，對同一地物多次成像，把同一地物的多次成像合成為一幅圖像，等效于增大天線，形成1根很長的天線，從而改善分辨率。利用SAR發(fā)射和接收電磁波干擾的技術(shù)稱為干涉合成孔徑雷達或InSAR。InSAR是常規(guī)SAR技術(shù)和射電天文干涉技術(shù)的結(jié)合，需要2景或多景SAR數(shù)據(jù)(1個任意選擇的參考圖像或主圖像，以及1個或多個其他圖像稱為從圖像)，主要使用其中的相位信息。在合成孔徑雷達中有3種測量模式：交叉軌道干涉法、沿軌道干涉法和重復軌道干涉法。如果雷達發(fā)射的微波頻率2次相等，成像時不會中斷，平臺軌跡大致平行，收斂時雷達的振動方向幾乎沿同1直線，收斂時2個雷達波相互干擾。InSAR利用雷達波的這種干擾現(xiàn)象，從稍有不同的角度對同一區(qū)域成像至少2次，并利用2幅圖像上各像素相位信息的差異提取地面特征的相對高度[2]。

為克服常規(guī)D-InSAR技術(shù)存在的時空失相干和大氣延遲相位，F(xiàn)erretti等于2000年提出PS-InSAR方法，其基本思想是通過從覆蓋同一研究區(qū)的多景SA干涉圖像中，識別并提取散射特性穩(wěn)定的永久散射體(如人工建筑物、巖石等)，這些永久散射體可以在長時間間隔內(nèi)保持高相干，且其相干性不受空間基線的影響，從而克服常規(guī) D-InSAR技術(shù)存在的時間失相干和空間失相干問題，極大地增加了數(shù)據(jù)的利用率。PSI技術(shù)的基本步驟包括：PS候選點的查找；估計并去除大氣效應(yīng)；計算DEM誤差和PS點視線方向的移動速度以及提取PS點構(gòu)成不規(guī)則格網(wǎng)。識別PS是整個技術(shù)流程的關(guān)鍵，PS點過多或過少都對測量精度有很重要的影響。通過計算由PS擬合生成的格網(wǎng)圖并剔除大氣效應(yīng)貢獻值是整個技術(shù)流程最有意義的步驟。該技術(shù)的流程為，每景影像根據(jù)主影像配準并生成參考DEM，計算ASI，生成PSC的不規(guī)則格網(wǎng)，抑制大氣效應(yīng)的影響，識別PS點和生成平均偏移率圖[3]。

3 試驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理流程

基于PS-InSAR 技術(shù)的形變速率提取流程見圖2。其提取流程為：

圖2 形變速率提取流程

(1)數(shù)據(jù)預處理。通過得到的經(jīng)緯度信息，對原始SAR影像進行裁剪，得到研究區(qū)域的影像。

(2)多視數(shù)處理。因為從1個像元散射出的雷達回波信號的相干疊加，造成了強度信息出現(xiàn)不少噪聲。多視處理是平均始狀態(tài)的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)方位向和距離向上的一些像元，呈現(xiàn)的結(jié)果是多視后的強度結(jié)論。經(jīng)過多視處理給予的單視復(SLC)影像，降低了空間分辨率，但提升了數(shù)據(jù)的輻射分辨率，也就是強度信息。本文所進行的多視數(shù)處理采取5∶1的多視比例。

(3)地理編碼。各種幾何特征會在SAR影像上呈現(xiàn)不同程度的畸變，為消除這些幾何畸變，可以利用地理編碼的手段。本文利用NASA提供的SRTM-DEM數(shù)據(jù)對SAR數(shù)據(jù)進行地理編碼，校正后得到WGS84坐標系下的地理編碼圖像。地理編碼前后的強度見圖3。

圖3 地理編碼前后的強度

(4)基線選擇。本文利用多主影像的方法進行干涉處理，時間基線越長，導致去相干現(xiàn)象越嚴重。因此，將時間相鄰的SAR影像組成干涉對，共形成了135對干涉對。

(5)差分干涉處理。使用干擾處理處理所有干擾對，可以通過外部DEM模擬獲得地形階段，并將其從干擾階段中刪除，從而獲得差分干擾階段。

(6)時維解纏。將PS點網(wǎng)格合并，相鄰PS點的相位為二階差分時，進行時維解纏，獲得繞線階段的線性變形相位和高程殘留相位。

(7)非線性變形的獲取。大氣相位、軌道相位、非線性變形相位和其他噪聲相位仍保留在剩余相位中。關(guān)于大氣相位，由于大氣相位受海拔高度的影響，大氣相位區(qū)域可以分為大氣相位和隨機相位，并且大氣相位和海拔之間有高度相關(guān)的線性關(guān)系，可以通過擬合DEM數(shù)據(jù)去除(見圖4)。其他噪聲相位可以通過濾波去除。去除所有類型的噪聲相位后，即可獲得非線性形狀變量。

圖4 大氣改正

(8)形變相位獲取。將PS點的線性形變相位和非線性形變相位疊加，即可得到總的形變相位，根據(jù)相位和形變量的關(guān)系，即可得到形變量，提取得到形變序列。

4 結(jié)果分析

4.1 測區(qū)整體形變

利用2018年1月6日～2020年4月25日期間的66景哨兵1號衛(wèi)星影像，基于PS-InSAR技術(shù)，對三峽大壩周邊的地表形變進行了變形監(jiān)測，將PS點狀態(tài)分布圖與實際影像圖合成，即得到了測區(qū)的整體形變圖(見圖5)。從圖5可知，三峽地區(qū)整體呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，絕大多數(shù)地區(qū)都沒有或只發(fā)生細微的形變，可見相關(guān)部門的運維監(jiān)測工作做得十分到位。但是，也有一些區(qū)域存在一定程度的形變，以下針對測區(qū)中出現(xiàn)形變的區(qū)域進行重點分析。

圖5 測區(qū)整體形變

4.2 形變區(qū)域

(1)從測區(qū)整體形變圖可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)門洞地區(qū)較其他地區(qū)相比明顯出現(xiàn)了一些沉降。該地區(qū)的形變速率見圖6。從圖6可知，關(guān)門洞地區(qū)的形變量呈線性增加的趨勢，在近兩年累積了約40 mm的形變。關(guān)門洞地區(qū)位于大壩上游，正是大壩蓄水最多的地方。同時，該地區(qū)在長江沿岸，土質(zhì)可能相對松軟，含水量比較大，又在大壩上游，沒有壩體本身那么堅固的構(gòu)造，所以會出現(xiàn)很明顯的沉降。

圖6 監(jiān)測點A形變量時序

(2)從測區(qū)整體形變圖也可以發(fā)現(xiàn)，銀杏沱村地區(qū)較其他地區(qū)相比同樣明顯出現(xiàn)了一些沉降，該地區(qū)的形變速率見圖7。從圖7可知，銀杏沱村地區(qū)的形變量也是呈線性增加的趨勢，在近兩年累積了約50 mm的形變。銀杏沱村地區(qū)位于長江轉(zhuǎn)彎處，也是大壩上游，蓄水量大而且會遭受水流的沖擊。同時，該地區(qū)也在長江沿岸，土質(zhì)可能相對松軟，含水量比較大，該區(qū)還存在碼頭等建筑，可能會出現(xiàn)高質(zhì)量的貨物運輸，所以會產(chǎn)生更大的沉降。

圖7 監(jiān)測點B形變量時序

(3)大壩本身的形變。監(jiān)測點C的形變量時序見圖8。從圖8可知，大壩本身幾乎沒有出現(xiàn)形變，說明大壩本身是非常堅固的。

圖8 監(jiān)測點C形變量時序

4.3 整體分析

對基于PS-InSAR技術(shù)得到的三峽大壩及周邊地區(qū)的形變及其特征進行分析，結(jié)果表明：

(1)大壩的蓄水以及本身的質(zhì)量會對周邊地區(qū)產(chǎn)生一定影響，從而出現(xiàn)一定的線性形變，不斷累積達到了-50 mm。

(2)大壩本身幾乎沒有受到過多影響，幾乎沒有形變產(chǎn)生。相關(guān)部門應(yīng)把運維工作的注意力集中在大壩周邊地區(qū)，加強對大壩周邊形變的監(jiān)控，避免潛在的安全隱患，消除大壩的負面影響。

(3)三峽大壩投入使用多年，整體安全維護十分優(yōu)秀，沒有突出的安全隱患。

5 結(jié) 語

本文利用2018年1月6日～2020年4月25日期間的66景哨兵1號衛(wèi)星影像，基于PS-InSAR技術(shù)，對三峽大壩周邊的地表形變進行了變形監(jiān)測，基于干涉點目標分析技術(shù)獲取三峽大壩及周邊地區(qū)形變速率，得出結(jié)論：

(1)使用InSAR技術(shù)可以對已修建大壩及大壩周邊地區(qū)進行大范圍的變形監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)潛在的變形區(qū)域。

(2)周邊地區(qū)監(jiān)測到的幾個形變區(qū)域主要是位于北岸太平溪村周邊和南岸秭歸縣周邊；大壩附近大部分區(qū)域在本研究期間的形變量很小，壩體本身形變比大壩周邊地區(qū)形變小，大壩本身基本沒有形變。

需要注意的是，進行調(diào)查的影像面積很大，多視數(shù)也比較大，對于發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的形變存在一些困難。三峽大壩周邊以丘陵地區(qū)為主，受到了幾何畸變的影響，對于不同軌道的影響敏感性也不同。研究區(qū)域覆蓋范圍不夠，從形變序列圖可以看出，研究區(qū)域覆蓋范圍的邊界已經(jīng)出現(xiàn)形變，說明區(qū)域外側(cè)也很有可能存在形變，下一步應(yīng)該擴大研究區(qū)域。同時，研究的重點也更應(yīng)放在大壩周邊的地區(qū)，因為壩體相對而言形變較小。