InSAR與北斗技術監(jiān)測水庫壩體表面變形研究

王明洲 深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司

1.引言

根據2014年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報，我國已建成各類水庫約9.7萬座，其中約90%為土石壩，于此同時，大壩事故中土石壩的比例高達70%。土石壩建成后的安全運行維護成為當前重要任務，其使用期長達幾十年，有的甚至上百年，疲勞效應與突發(fā)效應、材料老化、環(huán)境侵蝕和荷載的長期效應等災害因素的耦合作用將不可避免地導致壩體結構損傷，如何及時的發(fā)現壩體結構的變化并及時采取措施，則需要相關的安全監(jiān)測手段提供依據。土石壩表面變形監(jiān)測是安全監(jiān)測的重要內容。變形監(jiān)測傳統(tǒng)的技術手段為全站儀和水準儀對壩體表面設計的特定觀測墩開展季度或年度的觀測監(jiān)測，變形監(jiān)測所需的參考點和基準點通常需要設立在壩體周邊的基巖上并且需要與觀測墩之間具有良好的通視條件。

雷達干涉測量技術(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)已成地表變形監(jiān)測的一種有效方法。與傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比，雷達干涉測量技術具有全天候、高精度、大范圍、面覆蓋等監(jiān)測優(yōu)勢。已有若干學者對利用雷達衛(wèi)星影像對大壩變形監(jiān)測開展了研究，王騰等采用3 米分辨率TerraSAR-X影像對三峽大壩表面進行變形時序分析研究，研究表明InSAR時間序列可以mm級精度提取到大壩的變形。

北斗技術在實時性和三維高精度變形監(jiān)測方面具有優(yōu)勢。在大壩北斗/GNSS變形監(jiān)測方面，目前已有較多的成功案例。1998年，劉經南等利用GPS獲取了清江隔河巖大壩的受洪水壓力導致的變形結果，很好的指導了滯洪與壩體安全評估工作。2012年，姜衛(wèi)平完成了西龍池瀝青混凝土堆石壩GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)的軟件平臺建設，相關的壩體表面變形實時監(jiān)測精度達到國際先進水平。

深圳地區(qū)有大中小型水庫180余座，水庫下游人口眾多，大部分水庫壩體都需要開展表面變形監(jiān)測，以確保安全。隨著InSAR技術的逐步成熟以及GNSS終端國產化水平的提高，這兩種技術融合的壩體表面變形監(jiān)測將能很好的服務水庫群壩體的表面變形工作。本文選取了深圳市兩座土石壩，開展了InSAR時序分析技術和GNSS技術監(jiān)測土石壩表面變形研究。

2.InSAR與北斗變形監(jiān)測方法

InSAR時序分析技術通過提取雷達影像中相干目標點的相位數據，并進行干涉、差分干涉和回歸分析統(tǒng)計，來提取變形參數和時序變形序列。InSAR時間序列分析技術的數據處理流程主要分為永久散射體選取、同分布散射體選取、時空同質濾波、時序相位重估、參數估計與相位解纏、大氣相位去除等。對于永久散射體的選取主要采用振幅離差法，首先對SA R影像進行相對輻射校正，并設置振幅離差指數作為閾值選取永久散射體目標點。對于同分布散射體選取主要采用KS檢驗方法。基于強度影像序列進行KS檢驗，選取窗口內后向散射特征相近的像素點作為同分布目標點。

北斗高精度解算的主要誤差源有衛(wèi)星和接收機鐘差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層延遲、對流層延遲、多路徑誤差等。短基線解算時，采用雙差的數據處理策略，消除衛(wèi)星和接收機鐘差以及削弱與基線長度相關的軌道誤差、對流層、電離層誤差，采用相對于各衛(wèi)星軌道重復周期的觀測值域濾波方法，削弱多路徑誤差，獲取高精度定位結果。數據解算時，對于北斗觀測數據，首先使用偽距單點定位計算全部站點初始坐標，然后重新進行觀測值的線性化，再進行數據質量編輯，獲得干凈的每個弧短都滿足最小長度要求的觀測值，再進行法方程的疊加，獲得整體解的法方程，求取實數解，再基于LAMBDA法固定模糊度，濾波輸出時段解。

3.土石壩表面變形監(jiān)測結果與分析

3.1 InSAR 監(jiān)測土石壩表面變形

圖1 InSAR數據處理流程

長嶺陂水庫主壩體于2008年開始進行擴建工程，并于2010年完工，2011年重新蓄水。改造后的水庫壩體壩頂長度達到750米，相對于地面高差約30多米。水庫主壩為砼防滲心墻土壩，主要由泥土和砂礫壘砌而成。在其改建完成后一年多時間內，壩體由于自身重力作用出現2～3cm的沉降和水平位移（水準，全站儀觀測結果）。本文收集了為期一年的條帶模式升軌TerraSAR-X（21景）和降軌COSMO-SkyMed（26景）數據，均全面覆蓋了長嶺陂水庫壩體。考慮到水庫壩體表面地物（草地和水泥面）后向散射信號弱的特點，本文采用基于永久散射體和同分布散射體的雷達影像時間序列分析技術對主壩體表面變形進行分析。獲取的水庫壩體表面的線性變形速率分別如圖2所示。InSA R技術可在水庫壩體表面獲取高密度的監(jiān)測點，提高監(jiān)測結果的空間分辨率。另外，在壩體中間的背水面，TerraSAR-X影像所獲取的相干點數量有限，主要是受壩體在雷達視線方向透視收縮效應的影響。

圖2 TerraSAR-X衛(wèi)星與COSMO-SkyMed衛(wèi)星獲取的壩體表面變形速率圖

圖3 縱斷面沿壩軸線方向（X，Y方向）一年期變形過程曲線

從圖2可知，在監(jiān)測期間內，長嶺陂水庫主壩體存在較大的變形，尤其在水庫壩體的壩頂位置。在2011年7月至2012年6月期間，TerraSAR-X衛(wèi)星在壩體表面監(jiān)測點的最大變形速率可達到-28 mm/year；在2011年7月至2012年4月期間，COSMO-SkyMed衛(wèi)星在壩體表面監(jiān)測點的最大變形速率可達到-30 mm/year。兩種衛(wèi)星獲取的壩體表面變形速率的空間分布和量級略有差異，這主要是因為兩者升降軌方向不一致和入射角不一致引起。后續(xù)的研究中，可考慮水庫壩體幾何結構以及雷達視線夾角之間的關系等因素，來研究升降軌雷達影像監(jiān)測結果的融合，以提取土石壩體表面的三維形變場。

3.2 北斗監(jiān)測土石壩表面變形

本文收集了茜坑水庫北斗/GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)自2015年8月建成以來的GNSS 數據，對2015年9 月至2016 年8 月累計變形數據進行了分析。本文著重分析了1#縱斷面所在的4個GNSS監(jiān)測站（AL101,AL201,AL301,AL501）的X,Y,Z方向的一年期變形監(jiān)測結果，需要指出的是這里的X,Y,Z為壩體獨立坐標系。

從圖4可以看出，該縱斷面上各監(jiān)測點X、Y、Z方向上累計變形波動均較小，各點同一方向變形呈較好的一致性，各點Y方向累計變形與水庫水位表現出較強的相關性，其受水位變化造成的變形可達5～8個mm，可以看出，該斷面上Y方向變形與時效和水位因子均呈較強的相關性；X和Z方向變形與時效和水位因子均沒有較明顯的相關性。

圖4 縱斷面豎直方向（Z方向）累計變形過程曲線

4.結論

本文通過應用InSAR時序分析了長嶺陂主壩填筑后一年自重引起的垂向位移，最大位移可達3cm，與人工觀測數據具有較好的一致性。通過升降軌數據的對比分析可知，土石壩斜坡表面InSAR獲取垂向位移受到雷達視線向透視收縮的影響，需要進一步采用精化的壩體DEM和影像地理編碼進行糾正，對茜坑水庫壩體北斗觀測數據進行分析，結果顯示短距離差分的北斗基線結果可以達到mm級的精度。位于壩頂的觀測墩在水位下降約10m時，向上游產生6～8mm的水平位移，隨著庫水位的回升該水平位移也同時反方向恢復。隨著水庫壩體觀測墩GNSS數據的長期積累，將會有更多的現象通過GNSS數據發(fā)現。