基于微波遙感的水庫大壩外部形變立體監(jiān)測方法

陽述輝，韓春峰，麻澤龍，盧 鑫，李洪斌

(1.四川省都江堰水利發(fā)展中心人民渠第一管理處，四川 彭州，611900；2.中電科蓉威電子技術有限公司，成都，610000；3.四川省水利科學研究院，成都，610072；4.四川省都江堰水利發(fā)展中心人民渠第二管理處，四川 德陽，618000)

0 引言

水庫大壩外部形變安全監(jiān)測是水庫安全監(jiān)測的主要組成部分，也是保障水庫正常運行的基礎前提，在新時代的治水矛盾下，如何貫徹落實“水利工程補短板，水利行業(yè)強監(jiān)管”的水利改革發(fā)展總基調，優(yōu)先加強水庫工程的安全運行監(jiān)管能力，構建天地協(xié)同、點面全時空覆蓋的水庫大壩外部形變監(jiān)測體系尤為重要。

當前國內外學者圍繞水庫大壩形變監(jiān)測技術開展了一系列的研究工作[1-2]，也取得了一些重要成果。如姜新元等[3]針對當前大壩安全監(jiān)測技術及其應用進行了研究分析；崔鵬飛等[4]利用GNSS及測量機器人兩者間的優(yōu)點，構建了枕頭壩一級水電站自動化變形監(jiān)測通信系統(tǒng)；熊尋安等[5]提出基于北斗/GNSS與INSAR技術構建城市書庫群壩體表面變形監(jiān)測體系概念。然而由于我國多數(shù)水庫修建年代較為久遠，沒有及時配套水庫大壩安全監(jiān)測體系；另一方面水利工程建設資金相對匱乏，在規(guī)劃、建設階段針對工程安全監(jiān)測的投入相對較少，導致絕大多數(shù)水庫大壩變形歷史監(jiān)測信息缺失嚴重。此外，水庫大壩安全監(jiān)測采用的技術手段也較為落后，在新技術應用研究和試驗方面相對滯后。迫切需要在相關技術標準的要求下，借鑒其他行業(yè)工程安全監(jiān)測技術方法，突破傳統(tǒng)技術方法和壁壘，構建適應新時代水利工程運行監(jiān)管的立體監(jiān)測體系[4-6]。

本文結合國內外工程安全監(jiān)測技術研究及其應用現(xiàn)狀，結合水庫大壩安全監(jiān)測要求及其需求，基于微波技術構建了水庫大壩外部形變立體監(jiān)測方法，可初步填補水庫大壩歷史監(jiān)測資料空缺和天地協(xié)同監(jiān)測困難的問題，為下一步水庫大壩安全監(jiān)測提供技術參考。

1 總體設計

結合已建水庫大壩安全監(jiān)測需求，為有效獲取水庫大壩時空變形信息，基于微波遙感技術的水庫大壩安全監(jiān)測總體方案設計由“天基”和“地基”共同構成，天基監(jiān)測采用干涉雷達測量技術進行，可以通過遙感數(shù)據(jù)的收集與處理分析，獲取水庫大壩工程面域時空變形的監(jiān)測分析，動態(tài)監(jiān)測周期和范圍具體參照應用數(shù)據(jù)而定；地基監(jiān)測方法當前主要有全站儀、GNSS、TDR、超寬帶微波等，需要結合大壩結構類型、監(jiān)測精度要求、資金投入、施工條件等綜合因素進行考量，實現(xiàn)毫米級壩體微形變實時監(jiān)測能力。為保證監(jiān)測方法及其分析模型的可靠性，在構建基于微波遙感的水庫大壩安全立體監(jiān)測體系時需要通過實測數(shù)據(jù)進行模型率定和調優(yōu)處理，立體監(jiān)測方案總體思路如圖1所示。

圖1 水庫大壩壩體安全立體監(jiān)測方法

2 分項設計

2.1 遙感監(jiān)測技術方案

InSAR(Interferometry Synthetic Aperture Radar)，中文翻譯是“合成孔徑干涉雷達”，它是利用微波合成孔徑雷達圖像(SAR)數(shù)據(jù)對地表重復觀測形成的微波相位差計算地表形變，精度可以達到毫米級。InSAR技術是公認的進行地表變形調查和監(jiān)測的高效手段，它可以大范圍、可回溯、非接觸地觀測地表變形，并且具有“距以千里、感知毫厘”“無論黑白、風雨無阻”的優(yōu)勢[7]。InSAR技術可以克服云霧遮蔽、GPS點位稀疏、地面調查通達不易等困難，現(xiàn)今它已經成為地表運動過程研究強有力的工具[8-12]。

基于水庫大壩結構及其地理部分特征，結合水庫大壩全監(jiān)測技術要求，設計采用干涉雷達測量技術中的干涉疊加技術對水庫壩體進行長時間序列的安全監(jiān)測。從多時相的雷達圖像上獲取地表形變的信息，將InSAR技術擴展到多時相的數(shù)據(jù)，可將測量精度從厘米級提高到毫米級。同時采用永久散射體(PermanentScatterers，PS)技術，在無法獲得干涉條紋的情況下，利用基于多時相SAR圖像和相位穩(wěn)定像元點集的PS技術，也能取得毫米級的地表形變運動測量精度，大大增強了干涉測量的環(huán)境適應能力及其精度。其監(jiān)測技術流程如圖2所示。

圖2 水庫大壩安全遙感監(jiān)測技術流程

2.2 自動觀測技術方案

目前自動監(jiān)測方案主要有全自動全站儀、GNSS和TDR光纖內裝傳感器等設備進行定點監(jiān)測，但多數(shù)監(jiān)測方式受氣候、地形、衛(wèi)星過境狀態(tài)等的影響不能進行實時、高效、穩(wěn)定的監(jiān)測，且部分監(jiān)測方式成本投入較大、不易維護，對比常用大壩安全監(jiān)測技術[13-17]，其優(yōu)劣性對比結果如表1。

表1 不同監(jiān)測技術方法對比

綜合對比現(xiàn)行監(jiān)測精度相對較高的幾種監(jiān)測方式，作為新興的技術，窄脈沖微波測量技術通過點對點測距實現(xiàn)高精度形變監(jiān)測，進而獲得監(jiān)測位置的毫米級的形變信息，并可通過多種通信手段將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)對監(jiān)測點形變的遠程實時監(jiān)測與險情預警。微波監(jiān)測技術是一種無載波微波技術，利用時間間隔極短(小于1ns)的非正弦波窄脈沖測量點與點之間的距離，具有以下技術特點[18]：

(1)抗干擾能力強，脈沖極窄、抗多徑效應；

(2)對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低，對其他設備的影響微乎其微，具有很強的穿透障礙物的能力，通過高精度晶振測量微波從一個設備到另一個設備的飛行時間來精確計算兩設備之間的距離；

(3)高速數(shù)據(jù)傳輸，速率可達10Gbit/s；

(4)功耗低，是傳統(tǒng)移動電話所需功率的1/100左右，是藍牙設備所需功率的1/20左右；

(5)系統(tǒng)結構簡單，微波發(fā)射器直接使用脈沖小型微帶天線；

(6)定位精確，窄脈沖微波技術具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，而GPS定位系統(tǒng)只能工作在GPS定位衛(wèi)星的可視范圍之內。

基于窄脈沖微波測量技術的工程安全監(jiān)測系統(tǒng)總體架構如圖3所示。

圖3 基于窄脈沖微波測量技術的監(jiān)測系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)由設備端(傳感器)和服務端(后臺處理軟件及硬件)組成。系統(tǒng)設備端(傳感器)，分為中控點(CS)、基準點(BS)和監(jiān)測點(MS)。中控點是傳感器設備的控制中心，負責工作狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)傳輸；基準點作為監(jiān)測系統(tǒng)的參考點，部署位置相對穩(wěn)定不動；而監(jiān)測點部署在隱患點的監(jiān)測參考點上。設備端由傳感器和太陽能供電系統(tǒng)組成[18]。

服務端(后臺處理軟件及硬件)是高精度形變監(jiān)測系統(tǒng)信息處理中心，承擔著數(shù)據(jù)接收處理和數(shù)據(jù)管理的功能，同時還承擔著監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化顯示、危機告警等功能，為用戶對隱患點的安全健康狀況提供分析支持數(shù)據(jù)，可以部署在管理方機房內或云端[18]。系統(tǒng)總體按照B/S架構設計，可以實現(xiàn)工程形變的全天候監(jiān)測、分析與預警，通過可視化方式進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析與展現(xiàn)，直觀展現(xiàn)監(jiān)控點形變歷史曲線、實時變化數(shù)據(jù)等，對于超出安全閾值的形變數(shù)據(jù)進行主動告警，并提供Web端跨平臺數(shù)據(jù)查詢服務[18]。

2.3 人工觀測技術方案

人工觀測變形點采用水平位移和垂直位移標點二合一的埋設方式，觀測墩基礎與壩體緊密連接，保證變形量能夠正確反映壩體真實變形；在其基礎部分埋設垂直位移的沉陷標志，將沉陷點直接與壩體相連，保證沉陷點的位移量能夠正確反映壩坡點的垂直位移[19]。借助高精度儀器定期觀測其水平及垂直位移量，并進行整理分析形成大壩變形位移監(jiān)測成果。

人工變形觀測作業(yè)前，應收集相關水文地質、巖土工程資料和設計圖紙，并根據(jù)巖土工程地質條件、工程類型、工程規(guī)模、基礎埋深、建筑結構和施工方法等因素，進行變形監(jiān)測方案設計[20]。對觀測資料應進行整理分析，繪制變化過程曲線，編寫分析報告。

水庫大壩外部形變人工觀測的主要流程包括觀測儀器檢驗、外業(yè)觀測作業(yè)、觀測資料檢查、平差計算、編制成果表和觀測資料整理分析等。外業(yè)觀測具體參照《工程測量規(guī)范》(GB 50026-2007)、《水利工程安全監(jiān)測導則》(SL 725-2016)、《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》(SL 601-2013)等執(zhí)行。

3 總結與展望

隨著水利工程精細化運行管理需求的發(fā)展，針對水庫工程主體大壩安全的監(jiān)測也越來越被重視，基于現(xiàn)有先進技術方法，構建經濟合理的水庫大壩外部形變監(jiān)測體系，以適應現(xiàn)代水管理的發(fā)展要求越來越重要。針對我國絕大多數(shù)水庫修建年代較為久遠的特征，基于遙感技術的水庫大壩形變監(jiān)測可填補歷史監(jiān)測資料缺失的問題，加上基于地面微波技術的水庫大壩安全實時動態(tài)監(jiān)測技術具備精度高、易于實施和經濟實用的特征，可解決水庫大壩外部形變地面實時監(jiān)測的難題。

基于微波遙感技術的水庫大壩外部形變立體監(jiān)測技術方法，可以將微波遙感技術應用于水庫大壩安全監(jiān)測過程，推進遙感技術在水利行業(yè)工程管理方面的應用?；谖⒉ㄟb感的立體監(jiān)測方法充分發(fā)揮了天基和地基的監(jiān)測優(yōu)勢，形成互補的監(jiān)測格局，形成點與面、詳查與普查、天基與地基相結合的監(jiān)測方法，可更好地為壩體的微形變監(jiān)測預警提供及時有效的輔助決策數(shù)據(jù)，為不同類型的水庫大壩安全監(jiān)測提供技術參考。