時序ＩｎＳＡＲ水庫形變監(jiān)測應(yīng)用研究

摘 要：河口村水庫作為黃河下游防洪工程體系的重要組成部分，準(zhǔn)確快速地獲取水庫時空形變具有重要的意義。合成孔徑雷達(dá)干涉測量具有高精度、大范圍、時空連續(xù)性等優(yōu)勢，為水庫形變監(jiān)測提出了一種新方法。選取覆蓋河口村水庫２０２０ 年１ 月１５ 日—２０２０ 年１２ 月４ 日的２４ 景Ｓｅｎｔｉｎｅｌ－１Ａ 升軌影像，結(jié)合水庫環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，采用適合實(shí)際需求的時序ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 技術(shù)，獲取了水庫的時序形變信息，并重點(diǎn)研究后壩區(qū)形變特性。通過地面ＧＮＳＳ 監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)地考察，驗(yàn)證了ＩｎＳＡＲ 技術(shù)對水庫監(jiān)測具有較高的適用性，為后續(xù)水庫的穩(wěn)定性評價和黃河下游大堤防洪壓力評價提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：時序ＩｎＳＡＲ；形變監(jiān)測；河口村水庫

中圖分類號：Ｐ２３７；ＴＶ２２１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．０２６

引用格式：路聚峰，何智勇，郭慶華，等．時序ＩｎＳＡＲ 水庫形變監(jiān)測應(yīng)用研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：１５０－１５５．

河口村水庫壩址位于沁河下游最后一段峽谷的出口處，控制沁河流域總面積的６８．２％，是控制沁河洪水、徑流的關(guān)鍵工程，也是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分［１］ 。河口村水庫時序形變是評價其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（Ｉｎｔｅｒｆｅｒ?ｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ，ＩｎＳＡＲ）在工程形變監(jiān)測中廣泛使用。２０１０ 年Ｌｉｕ 等［２］ 基于ＩｎＳＡＲ 原理獲取了阿拉斯加北坡地表形變狀況；２０１２ 年廖明生等［３］基于永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測量（ＰＳ－ＩｎＳＡＲ）技術(shù)，以ＴｅｒｒａＳＡＲ－Ｘ 數(shù)據(jù)為例分析了三峽庫區(qū)滑坡形變情況；裴媛媛等［４］ 根據(jù)ＳＡＲ 影像提取了上海長江口南岸和杭州灣北側(cè)堤壩的沉降速率； ２０１７ 年張艷梅等［５］ 基于哨兵一號（Ｓｅｎｔｉｎｅｌ－１）數(shù)據(jù)采用小基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測量（Ｓｍａｌｌ Ｂａｓｅｌｉｎｅ Ｓｕｂｓｅｔ ＩｎＳＡＲ，ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ）技術(shù)對西安城區(qū)及周邊進(jìn)行地面沉降監(jiān)測，并利用已有數(shù)據(jù)進(jìn)行佐證，得到了西安地表變化特征。２０２１ 年蒲川豪等［６］ 利用ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 技術(shù)對覆蓋延安新區(qū)的２０１６ 年５ 月—２０１９ 年１０ 月期間的Ｓｅｎｔｉｎｅｌ－１Ａ 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取了延安新區(qū)地面抬升空間分布規(guī)律和形變演化特征，并對成因進(jìn)行了詳細(xì)分析。

綜上所述，ＩｎＳＡＲ 技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于礦區(qū)、山區(qū)地表形變監(jiān)測過程中并取得較好的監(jiān)測結(jié)果。但是面對河口村水庫獨(dú)特的水域環(huán)境和復(fù)雜的地理環(huán)境，時序ＩｎＳＡＲ 技術(shù)的使用要因地制宜，根據(jù)實(shí)際情況來使用具體的監(jiān)測技術(shù)。常用的時序ＩｎＳＡＲ 技術(shù)包括ＰＳ－ＩｎＳＡＲ、ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 等［ ７－９］ ，本文主要采用ＳＢＡＳＩｎＳＡＲ技術(shù)對水庫進(jìn)行形變監(jiān)測，重點(diǎn)研究后壩區(qū)形變特性，通過探測后壩體表面高質(zhì)量的散射體點(diǎn)目標(biāo)，并采用地面控制點(diǎn)來對干涉相位和解纏相位進(jìn)行校正，提取較高精度的時序形變信息，再通過地面數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，探討形變累積量與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的相似性。本研究監(jiān)測水庫及周邊形變信息，為后續(xù)維持水庫的穩(wěn)定性和減輕黃河下游大堤的防洪壓力提供數(shù)據(jù)支撐。

１ 時序ＩｎＳＡＲ 方法基本原理

小基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（ＳＢＡＳ－Ｉｎ?ＳＡＲ）由Ｂｅｒａｒｄｉｎｏ 在２００２ 年提出。ＳＢＡＳ 技術(shù)首先將所有ＳＡＲ 數(shù)據(jù)根據(jù)空間基線與時間基線閾值組合成小基線集，使得各子集內(nèi)ＳＡＲ 數(shù)據(jù)時空基線較短，在每個子集中利用最小二乘方法進(jìn)行計(jì)算，對各子集間利用奇異值分解法（ Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＳＶＤ）進(jìn)行處理，最終獲取整個時間序列上的形變信息［９］ 。ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 利用具有較短時間、空間基線的干涉對生成差分干涉圖，以提高干涉對的相干性。通過對差分干涉圖的多視處理降低相位噪聲，提取高相干像元。應(yīng)用奇異值分解法，求得長時間序列的地表形變速率在最小范數(shù)意義上的最小二乘解。ＳＶＤ 方法繼承了傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)，且能獲取長時間地表緩慢形變的規(guī)律，提高形變監(jiān)測的時間分辨率。

綜合河口村水庫的水文流域和獨(dú)特的地表環(huán)境，利用ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 技術(shù)對河口村壩區(qū)進(jìn)行地表形變研究，在數(shù)據(jù)預(yù)處理、差分干涉處理和差分干涉相位解纏的基礎(chǔ)上進(jìn)行ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 形變速率以及形變時間序列解算，從而判斷壩體是否產(chǎn)生形變。河口村水庫大壩時序ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 處理流程如圖１ 所示。

１．１ 干涉對選取

ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 技術(shù)的形變監(jiān)測精度隨著時空基線的減小而提高，過大的時空基線會增加干涉效果較差干涉對的數(shù)量、降低結(jié)果精度，且會因數(shù)據(jù)量過大而降低數(shù)據(jù)處理效率；過小的時空基線會造成干涉對數(shù)量不足，降低基線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，甚至無法形成連續(xù)的干涉對，降低監(jiān)測結(jié)果的可信度。本研究中，經(jīng)過多次試驗(yàn)，當(dāng)設(shè)置空間基線為±１００ ｍ、時間基線閾值為６０ ｄ時，基線網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。相比ＰＳ－ＩｎＳＡＲ 技術(shù)采用單一主影像方法，ＳＢＡＳ 技術(shù)采用多主影像進(jìn)行干涉組合，解決了干涉對的時間和空間失相干問題，從而提高干涉相干性。

１．２ 干涉處理

對選取的干涉對進(jìn)行干涉處理得到干涉相位φ：

φ ＝ φｆｌａｔ ＋ φｔｏｐｏ ＋ φｄｅｆ ＋ φａｔｍ ＋ φｎｏｉ （１）

式中： φｆｌａｔ 為平地相位； φｔｏｐｏ 為地形相位； φｄｅｆ 為形變相位； φａｔｍ 為大氣延遲相位； φｎｏｉ 為由成像時系統(tǒng)熱噪聲引起的噪聲相位。

式（１）中平地相位是因選定的參考基準(zhǔn)面存在誤差而引入的系統(tǒng)誤差，可以利用干涉時干涉雷達(dá)的幾何姿態(tài)和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合去除。地形相位可以利用觀測數(shù)據(jù)和已獲得的ＤＥＭ 數(shù)據(jù)通過二次差分去除。地形形變相位方向?yàn)樾l(wèi)星視線方向，即所求包含目標(biāo)形變量的部分。噪聲相位可以通過空間濾波的方式進(jìn)行消除。通過上述對干涉相位的處理，即可得到以形變相位為主的差分干涉相位，用于后續(xù)差分干涉相位解纏和形變信息反演。

由于干涉相位中有相位跳變和相位迭掩的情況，因此在軌道精煉和重去平步驟選擇地面控制點(diǎn)時，要結(jié)合多期相干圖信息選擇相干性較高的點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)［１０］ 。

１．３ 時序形變反演

ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 方法是在每個高相干點(diǎn)上建立形變的估計(jì)模型，從而構(gòu)建方程組，再結(jié)合解纏差分干涉相位估計(jì)形變。干涉圖上高相干點(diǎn)Ｑ 的待求形變相位用向量表示為

對Ｂ 進(jìn)行奇異值分解，解出各時間段內(nèi)的相位變化速率ｖ，然后據(jù)此計(jì)算并恢復(fù)相位時間序列，進(jìn)而可得到形變時間序列。

２ 監(jiān)測區(qū)域和監(jiān)測數(shù)據(jù)概括

２．１ 監(jiān)測區(qū)域

河口村水庫工程位于黃河一級支流沁河最后一段峽谷出口處，下距五龍口水文站約９ ｋｍ，是控制沁河洪水、徑流的關(guān)鍵工程，也是黃河下游防洪工程體系的重要組成部分。前期工程于２００８ 年６ 月１２ 日開工，主體工程于２０１１ 年４ 月３０ 日開工，２０１５ 年１２ 月底主體工程基本完工；２０１７ 年１０ 月通過河南省水利廳組織的竣工驗(yàn)收。本文研究區(qū)域主要為河口村水庫上下游河谷地帶以及河谷兩岸部分山區(qū)（見圖２）。研究區(qū)域內(nèi)地形起伏較大，河谷地區(qū)海拔在２００ ｍ 左右，兩岸山區(qū)海拔最高在１ ０００ ｍ 左右。

２．２ 監(jiān)測數(shù)據(jù)

本文采用２０２０ 年１ 月１５ 日—２０２０ 年１２ 月４ 日的共２４ 景Ｃ 波段的Ｓｅｎｔｉｎｅｌ－１Ａ ＩＷ ＳＡＲ 升軌影像作為本期時序ＩｎＳＡＲ 形變監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（見表１），該影像現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于地震、滑坡、礦區(qū)開采和地面沉降所引起的地面形變監(jiān)測研究中。地形相位模擬數(shù)據(jù)主要采用ＳＲＴＭ３ 數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是由美國航空航天局（ＮＡＳＡ）和國防部國家測繪局（ＮＩＭＡ）聯(lián)合測量的。

ＳＲＴＭ３ 數(shù)據(jù)為空間分辨率約９０ ｍ、平面精度為２０ｍ、高程精度為１６ ｍ 的全球數(shù)字高程模型（ＤＥＭ）。

本文采用ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 技術(shù)和前文所述多次測試得到的針對研究區(qū)域最優(yōu)時空基線進(jìn)行干涉對選擇。最終得到的干涉對基線圖如圖３ 所示，每一景影像至少連接５ 個干涉對，提供足夠的觀測量。

３ 時序監(jiān)測結(jié)果分析

綜合相干系數(shù)以２０２０ 年８ 月３０ 日獲取的影像為基準(zhǔn)，經(jīng)影像配準(zhǔn)、干涉處理、時序相變反演和其他相關(guān)誤差項(xiàng)的估計(jì)，得到一系列高相干點(diǎn)的衛(wèi)星視線向（Ｌｉｎｅ ｏｆ Ｓｉｇｈｔ，ＬＯＳ）的形變時間序列（見圖４）和年平均形變速率［見圖５（ａ）］，圖中藍(lán)色代表形變方向與ＬＯＳ 向相反、紅色表示形變方向與ＬＯＳ 向一致。

為探討研究區(qū)域內(nèi)監(jiān)測時間段地表形變在時間上的變化規(guī)律，按月提取了研究區(qū)域形變時間序列（見圖４，自２０２０ 年１ 月１５ 日起的累積形變量）。從圖４中可以看出河口村水庫周邊區(qū)域較為穩(wěn)定，無顯著變形現(xiàn)象；上游部分區(qū)域出現(xiàn)夏季受降雨影響形變量增大的情況。為了進(jìn)一步分析河口村水庫的變化，圖５分別展示了河口村水庫管理范圍的年平均形變速率［見圖５（ａ）］和水庫可見光影像［見圖５（ｂ）］，其中底圖為高分２ 全色和多光譜融合影像。

由圖５（ａ）可知，研究區(qū)域整體平均形變速率在－３９～３３ ｍｍ／ ａ 范圍內(nèi)，絕大部分區(qū)域處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，形變速率在－１０～４ ｍｍ／ ａ 范圍內(nèi)。根據(jù)平均形變速率共識別出３ 處明顯形變區(qū)，分布在河口村水庫的上游Ａ 區(qū)和下游Ｂ 區(qū)、Ｃ 區(qū)［見圖５（ｂ）］，根據(jù)當(dāng)?shù)厮畮旃ぷ髡呓榻B和現(xiàn)場照片顯示，該區(qū)域曾經(jīng)有石頭開采痕跡，這種現(xiàn)象易引發(fā)滑坡災(zāi)害，需重點(diǎn)關(guān)注和及時防范。如圖６ 所示，截取放大了水庫后壩區(qū)附近形變速率情況以及地表實(shí)地情況。從圖６ 中可知水庫壩體部分區(qū)域存在輕微的形變，形變速率為５ ｍｍ／ ａ 左右，實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)形變區(qū)域附近地表存在輕微細(xì)小裂紋。

為了探討ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 技術(shù)對庫區(qū)形變監(jiān)測的適用性，提取了地面監(jiān)測點(diǎn)Ｄ５－０２ 和Ｄ５－１７ 的ＧＮＳＳ 監(jiān)測數(shù)據(jù)以及監(jiān)測點(diǎn)周圍半徑１０ ｍ 內(nèi)的ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ監(jiān)測的高相干點(diǎn)形變時間序列進(jìn)行對比驗(yàn)證。由于ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 監(jiān)測的是ＬＯＳ 向的形變，與ＧＮＳＳ 監(jiān)測方向不一致，因此結(jié)合衛(wèi)星參數(shù)將兩點(diǎn)的ＳＢＡＳ －ＩｎＳＡＲ 監(jiān)測結(jié)果轉(zhuǎn)換到垂直方向進(jìn)行對比（見表２）。列對比。通過對比實(shí)測形變曲線和ＳＢＡＳ 形變曲線，發(fā)現(xiàn)ＳＢＡ－ＩｎＳＡＲ 技術(shù)受大氣、噪聲等影響，形變時序曲線存在相對較大的隨機(jī)波動，但整體的變化規(guī)律和同期累積形變量基本與實(shí)測數(shù)據(jù)保持一致。對比結(jié)果反映了２０２０ 年試驗(yàn)得出的累積形變量與實(shí)測結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文時序ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 形變監(jiān)測的適用性。

４ 結(jié) 論

時序ＩｎＳＡＲ 技術(shù)是一種新型的遙感監(jiān)測手段，能夠獲取高精度的形變信息。本文結(jié)合水庫獨(dú)特的地理環(huán)境，利用ＳＢＡＳ－ＩｎＳＡＲ 監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢，重點(diǎn)研究后壩區(qū)形變特性，探測后壩體表面高質(zhì)量的散射體目標(biāo)，并采用地面控制點(diǎn)來對干涉相位和解纏相位進(jìn)行修正，提取較高精度的時序形變信息，通過地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)得出，該形變趨勢與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定的相似性，表明ＳＢＡＳ?ＩｎＳＡＲ 能夠揭示水庫及周邊的形變信息，為后序維持水庫的穩(wěn)定性和減輕黃河下游大堤的防洪壓力提供數(shù)據(jù)支撐。今后的工作需要綜合分析形變原因?qū)π巫儏^(qū)域作重點(diǎn)監(jiān)測，及時治理河口村水庫管理范圍內(nèi)影響較大的滑坡和自身沉降區(qū)域。

致謝：河南省濟(jì)源市河口村水庫管理局為本研究提供了地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，在此表示衷心感謝。

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