InSAR衛(wèi)星遙感在農(nóng)村水電站擋水建筑物安全形變監(jiān)測上的應(yīng)用

楊 佳， 劉若星，金華頻

(1.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310012)

1 概 述

農(nóng)村水電站在解決山區(qū)農(nóng)村供電、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、改善農(nóng)民生活條件與生態(tài)環(huán)境、調(diào)整當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及保障應(yīng)急供電等方面具有重要作用，是農(nóng)村重要基礎(chǔ)設(shè)施和公共設(shè)施[1]。根據(jù)2019年全國農(nóng)村水電統(tǒng)計年報顯示，全國農(nóng)村水電站共有45 000多座，廣泛分布于全國除上海以外的各省、直轄市和自治區(qū)。組成水電站的水工建筑物包括擋水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物和廠房等，其中擋水建筑物一旦發(fā)生危險極易引起公共安全事故。

農(nóng)村水電站運行風(fēng)險主要源于病險水工建筑物，特別是病險擋水建筑物。根據(jù)以往的水庫工程安全經(jīng)驗，多數(shù)安全事故發(fā)生在擋水建筑物運營期間，原因主要是工作條件復(fù)雜，在長期運行中，相關(guān)參數(shù)受地質(zhì)、氣候等內(nèi)外因素影響，發(fā)生了一定的變化，從而出現(xiàn)安全隱患乃至事故。水利部、能源局及各級行政主管部門多年來制定了比較健全的規(guī)章制度與技術(shù)標準，近些年，對小型水庫、山塘的安全監(jiān)管工作也不斷加強。如2020年11月浙江省發(fā)布的《浙江省小型水庫系統(tǒng)治理工作方案》，推動了小型水庫管理粗放型向?qū)I(yè)型轉(zhuǎn)變，安全鑒定和除險加固實現(xiàn)常態(tài)化，構(gòu)建了工程安全生態(tài)、管理智慧高效的小型水庫治理體系。

2 現(xiàn)狀分析

擋水建筑物安全監(jiān)測主要包括對建筑物結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)、兩岸邊坡、相關(guān)設(shè)施以及周圍環(huán)境的儀器觀測、儀器探查和直觀檢查。在監(jiān)測內(nèi)容上，我國現(xiàn)階段對大壩安全進行自動化監(jiān)測主要包括滲流監(jiān)測和形變監(jiān)測[2]。大壩形變隨時間緩慢累積特征，到一定程度引發(fā)損壞，影響安全。形變監(jiān)測主要對大壩物理參數(shù)進行分析和監(jiān)測，包括水平及垂直位移[3]。目前主要的自動化形變監(jiān)測方式是根據(jù)每一個地質(zhì)階段設(shè)置一個安全觀測點，使用有線或無線傳感設(shè)備對大壩相關(guān)參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲和處理分析；實現(xiàn)實時性、精細化對壩體進行安全監(jiān)測工作。

根據(jù)長江經(jīng)濟帶清理整改摸底調(diào)研結(jié)果，農(nóng)村水電站分布廣泛、量大面廣，擋水建筑物自動化監(jiān)測程度低，安全管理任務(wù)重、監(jiān)管難的問題十分突出。

(1)擋水建筑物的安全監(jiān)測以人工巡檢巡查為主，缺乏自動化安全監(jiān)測技術(shù)手段。根據(jù)長江經(jīng)濟帶小水電清理整改摸底結(jié)果顯示，占比70%左右的農(nóng)村水電站為私人或股份制所有，對擋水建筑物維護費用普遍投入不足，無監(jiān)測專項費用支出保障。巡檢巡查人員缺乏擋水建筑物安全檢查知識，巡檢巡查頻率低，有的因為山高林密，只能1個月1巡，甚至幾個月1巡，有問題無法及時發(fā)現(xiàn)。另外，缺乏自動化安全監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備，投入費用高，網(wǎng)絡(luò)通訊條件不理想，都是制約開展自動化安全監(jiān)測的因素。

(2)監(jiān)管覆蓋面不足。受水庫數(shù)量多、資金不足等客觀條件制約，行業(yè)管理部門對轄區(qū)內(nèi)水庫大壩安全監(jiān)管主要以檢查、核實、調(diào)研和監(jiān)督等傳統(tǒng)手段為主。對農(nóng)村水電站的擋水建筑物監(jiān)管覆蓋面不足，與水庫管理單位缺乏安全監(jiān)測信息的互聯(lián)互通。未建有安全監(jiān)測設(shè)施的缺乏對擋水建筑物安全的科學(xué)判斷依據(jù)；已建有安全監(jiān)測設(shè)施的，雖積累了一定量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，但由于水庫管理單位技術(shù)人員分析研判能力因人而異等原因，通過安全監(jiān)測資料及時分析大壩安全運行狀態(tài)，起安全隱患預(yù)警作用的能力有限。

如何借助于新型的技術(shù)手段，探索低成本、大范圍的擋水建筑物安全監(jiān)測新思路，以高效、經(jīng)濟的方式，兼顧水庫個體的精細化監(jiān)測及區(qū)域整體的粗顆粒度監(jiān)測，滿足新時代安全監(jiān)管要求，是當(dāng)前農(nóng)村水電行業(yè)的迫切需求。

3 InSAR技術(shù)及應(yīng)用

隨著衛(wèi)星傳感技術(shù)的發(fā)展，合成孔徑雷達干涉測量(InSAR，synthetic aperture radar interferometry)技術(shù)對擋水建筑物形變監(jiān)測提供了一種全新的監(jiān)測方式。

SAR中文名為合成孔徑側(cè)視雷達，搭載有SAR作為觀測傳感器的衛(wèi)星即為SAR衛(wèi)星。目前可以查詢到的在軌的SAR衛(wèi)星主要包括日本ALOS—2衛(wèi)星、歐洲空間局Sentinel—1衛(wèi)星、意大利COSMO—SkyMed衛(wèi)星座、德國TerraSAR—X/TanDEM—X雙子衛(wèi)星、中國高分三號等不同國家的SAR衛(wèi)星。其中，歐洲空間局對Sentinel衛(wèi)星數(shù)據(jù)實施免費開放政策，中分辨率的Sentinel—1SAR衛(wèi)星IW模式SLC數(shù)據(jù)也可免費下載到。

InSAR技術(shù)通過比較兩幅不同時刻獲取的SAR衛(wèi)星影像相位相關(guān)干涉信息，提取目標地物在衛(wèi)星視線方向上的位移變化，實現(xiàn)對表面地形、形變位移的監(jiān)測[4]。相對于傳統(tǒng)觸感式傳感器的監(jiān)測方式，InSAR技術(shù)可以實現(xiàn)：

(1)大范圍、連續(xù)、高密度測量。相比較于水準儀及GNSS技術(shù)對離散點的監(jiān)測，InSAR實現(xiàn)的是面覆蓋，如一景空間分辨率為3 m的高分辨率SAR衛(wèi)星影像覆蓋范圍約是1 500 km2，基本覆蓋區(qū)縣級城市轄區(qū)，可實現(xiàn)對整個轄區(qū)面積范圍內(nèi)地物的監(jiān)測。

(2)無接觸式監(jiān)測。SAR衛(wèi)星通過發(fā)射微波信號，接受回波信號對結(jié)構(gòu)表面的微小形變進行反演，無須安裝傳感器，對監(jiān)測主體無損害，尤其適用于監(jiān)測面積較大的精密結(jié)構(gòu)，并可有效降低成本[5]。

(3)全天時、全天候。SAR衛(wèi)星發(fā)射的微波有穿透力強的特點，可穿透云霧，這對于雨季或常年云霧濃密的部分地區(qū)的觀測十分有利，可有效彌補光學(xué)影像可見光無法穿透的缺點。

雖然InSAR技術(shù)在地形測量DEM生成，在地震、山體滑坡、火山等地質(zhì)災(zāi)害有重要的應(yīng)用價值，但由于InSAR技術(shù)的原理是根據(jù)雷達波干涉相位差來提取信息，容易受衛(wèi)星軌道誤差、地形數(shù)據(jù)誤差、大氣延遲等因素的影響，造成信息無法提取或形變精度不足。目前在應(yīng)用上，通過InSAR技術(shù)來提取形變量的場景，往往是形變量級較大，如地震、山體滑坡、火山等大尺寸、大形變的突發(fā)性災(zāi)害。另外，對做相位干涉的二景衛(wèi)星影像也有嚴格的要求，這些原因制約了InSAR的應(yīng)用范圍。

目前在InSAR的基礎(chǔ)上，發(fā)展和完善了多種新的技術(shù)途徑。用于探測隨時間累積的緩慢形變的序列差分雷達干涉疊加技術(shù)(時序InSAR技術(shù))是其中一個重要方向。時序InSAR通過揭示形變空間關(guān)系可以找出形變位置，適合于監(jiān)測形變量級較小，形變輕微，形變發(fā)展速度較為緩慢，隨時間序列下有形變趨勢特征；目前在城市填海區(qū)的沉降監(jiān)測，高鐵橋梁、地鐵、跨海大橋等沉降形變監(jiān)測中得到了應(yīng)用。

時序InSAR技術(shù)的原理是使用同一顆SAR衛(wèi)星或相同傳感器的星座衛(wèi)星對同一地區(qū)在一段連續(xù)間隔時間獲得的多景SAR衛(wèi)星影像，依據(jù)監(jiān)測地物的散射特性，探測出時間序列上相關(guān)性較高的目標(見圖1)。基于這些特定目標的相位時間序列進行建模分析，采用多參數(shù)整體迭代的方法分離大氣延遲、衛(wèi)星軌道誤差等相位，獲得高精度的時間累積下的形變測量趨勢(見圖2)[4]。目前代表性的時序InSAR技術(shù)是永久散射合成孔徑雷達干涉測量(persistent scatterers interferometry SAR,PSinSAR)技術(shù)。在實際應(yīng)用中，PSinSAR常和短基線SBAS(small baselines)inSAR處理得到的結(jié)果相互驗證。

圖1 雷達強度圖中的PS點

4 存在問題

InSAR是遙感領(lǐng)域的前沿技術(shù)，雖然在城市、區(qū)縣維度的大范圍地表形變監(jiān)測中具有巨大的應(yīng)用潛力，但在行業(yè)應(yīng)用上仍面臨著很多難題。

(1)SAR衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)來源，開放的免費資源不足，高分辨率SAR衛(wèi)星影像收費較為昂貴。使用PSinSAR需要20～30景，最少需要20景連續(xù)間隔的同軌SAR衛(wèi)星影像。目前歐洲空間局免費分發(fā)的Sentinel—1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空間分辨率是5×20 m，即影像上的每一個像元對應(yīng)地物的實際面積是5×20 m，對于較小體量的目標地物，分辨率不夠，需要分辨率更高的衛(wèi)星影像。目前高分辨率的SAR衛(wèi)星影像需要按景付費購買，做一次時序分析購買數(shù)據(jù)費用較高，限制了推廣應(yīng)用。

(2)PSinSAR通過計算在時間維度上相位穩(wěn)定的永久散射體(PS點)，反演形變信息，適用于有較多相關(guān)性較高的永久散射體(PS點)區(qū)域，典型的PS點如房屋、橋梁、鐵軌等具有金屬強散射。因此城市更適合采用此項技術(shù)。在植被濃密的自然環(huán)境中，穩(wěn)定的PS點較少，山區(qū)場景下，使用PSinSAR技術(shù)需要進一步驗證和試驗。

(3)SAR衛(wèi)星通過傳感器在視線方向的相位差干涉獲取形變信息，當(dāng)形變發(fā)生在沿衛(wèi)星飛行方向或有復(fù)雜的形變機理，InSAR技術(shù)無法獲取有效的形變信息[4]，目前仍是合成孔徑雷達干涉的前沿研究方向。

(4)由于SAR衛(wèi)星對同一地物觀測的重訪周期一般以周為單位，即使有多顆衛(wèi)星的為星座配合，目前的重訪周期也是以周為單位，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，只能做回顧分析。

(5)遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)非常龐大，如一景中分辨率的Sentiel1A衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)量達到5 G，遠遠超過了用傳統(tǒng)方法所獲取的信息量；使用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫如何儲存和處理，也是面臨的一個問題。

5 展 望

本文針對大量農(nóng)村水電站擋水建筑物缺少安全監(jiān)測，存在安全隱患的問題，從理論上分析使用InSAR衛(wèi)星遙感技術(shù)進行區(qū)縣范圍內(nèi)擋水建筑物面上形變監(jiān)測的可行性、優(yōu)劣勢及目前使用該項技術(shù)碰到的難題，是衛(wèi)星遙感技術(shù)在農(nóng)村水電行業(yè)信息化上的有益探索。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，更多民用SAR衛(wèi)星的發(fā)射上天，全球化開放共享合作加快，衛(wèi)星遙感技術(shù)在各行業(yè)不同場景下的應(yīng)用必將不斷豐富和深化。

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