InSAR 技術(shù)在錦繡川水庫形變監(jiān)測中的應(yīng)用

李 偉，郭奕鴻，潘 振

（1.濟南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟南 250099；2.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100020）

錦繡川水庫建成于20 世紀70 年代，在2000 年進行了除險加固。總庫容為4 103 萬m3，水庫大壩為漿砌石溢流重力拱壩，最大泄量1 801 m3/s，設(shè)有10 孔液壓啟閉閘門。錦繡川水庫是國家重要飲用水水源地，壩頂交通橋也是周邊群眾重要的生產(chǎn)生活通道，因此其是否安全運行關(guān)系到濟南市經(jīng)濟社會安全和人民群眾生命財產(chǎn)安全。

1 壩體形變監(jiān)測概況

水庫大壩的安全監(jiān)測是通過各種監(jiān)測儀器設(shè)備對大壩主體結(jié)構(gòu)、壩基、周圍環(huán)境及相關(guān)設(shè)施進行監(jiān)測和分析，及時反饋大壩“健康狀態(tài)”。錦繡川水庫興建之初未安設(shè)任何安全監(jiān)測設(shè)施，特別是在2000 年實施除險加固亦未安設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)施。2018 年在水庫大壩橋面和溢流壩壩頂設(shè)置了GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)，并同時輔以人工觀測校核。

針對上述觀測方法，服務(wù)處每年年初申報相應(yīng)的觀測費用和校核費用，耗資相對較高。然而這些測繪方法存在外業(yè)工作量大，GNSS 布點受到外界環(huán)境影響較大等缺陷，同時維修工作量大，只是對點進行監(jiān)測，缺少對大壩樞紐整體和周邊研究區(qū)地形地貌的長時間微小位移監(jiān)測，缺乏對水庫庫區(qū)周邊如滑坡、地陷等地質(zhì)災(zāi)害的前期預(yù)警。為此，開展大壩及岸基InSAR（合成孔徑干涉雷達）形變監(jiān)測建設(shè)非常必要。

本項目充分發(fā)揮了多源遙感協(xié)同全天候全天時、高精度、低成本的優(yōu)勢，建立了基于InSAR技術(shù)對錦繡川水庫壩體形變的監(jiān)測系統(tǒng)。在對研究區(qū)的地形地貌、區(qū)域水文以及壩體分布數(shù)據(jù)編目進行收集整理的基礎(chǔ)上，發(fā)揮星載雷達遙感的優(yōu)勢，開展區(qū)域內(nèi)壩體形變信息提取。并針對區(qū)域內(nèi)重點水利設(shè)施，結(jié)合地面?zhèn)鞲衅鏖_展重點壩體的精細調(diào)查。

基于上述研究，錦繡川水庫服務(wù)處同中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研制了壩體監(jiān)測與應(yīng)急服務(wù)平臺，服務(wù)于水務(wù)管理部門的日常巡查與應(yīng)急處置工作。

2 壩體形變監(jiān)測內(nèi)容

以InSAR 技術(shù)為基礎(chǔ)，優(yōu)化使用干涉處理中圖象配準、噪聲濾波和相位解纏等若干關(guān)鍵算法，構(gòu)建了以衛(wèi)星遙感、視頻數(shù)據(jù)采集、高精度傳感器協(xié)同觀測為基礎(chǔ)的大壩周邊形變觀測的安全在線實時監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 數(shù)據(jù)收集

項目數(shù)據(jù)取自哨兵1 號衛(wèi)星。載有C 波段合成孔徑的哨兵1 號地球觀測衛(wèi)星，同其他遙感技術(shù)和空天觀測技術(shù)相比較，具有能反饋全天候、全天氣、同時還具有圖像不間斷的特點。目前，哨兵1 號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于土壤參數(shù)反演研究。哨兵1 號衛(wèi)星采用C 波段合成孔徑雷達，頻段越低，其穿透性越好，對于小面積，更精細的目標檢測、識別，可以獲取最大信息量，因此適合用于類似于錦繡川水庫等中小水庫的庫區(qū)及流域的地質(zhì)和形變觀測。

2.2 時序InSAR 數(shù)據(jù)處理方法

1）PS-InSAR（永久散射體合成孔徑干涉測量）技術(shù)。對于探測形變的差分干涉測量而言，進行干涉的兩幅影像一般具有較長的時間間隔，通常地物的散射特性和大氣條件在這期間會發(fā)生較大變化，在干涉相位中就會存在嚴重的失相干噪聲和大氣延遲影響，造成干涉失敗，使得常規(guī)差分干涉方法不能獲取地表形變量。但是，其他一些常見物體，如橋梁、房屋、山體等，具有穩(wěn)定的散射功能，其雷達回波信噪比較高，在較長時間內(nèi)相干性較好。上述那些散射特性較穩(wěn)定、對雷達波反射較強的硬目標就稱為永久散射體。

按照PS-InSAR 技術(shù)原理，對數(shù)據(jù)進行各項處理，并借助錦繡川水庫目前現(xiàn)有的數(shù)字高程模型DEM 進行下一步的干涉處理，通過計算得出多幅干涉和差分干涉圖。由于存在數(shù)字高程偏差、地形表面細微形變等情況，單個點的差分干涉相位組成可表示如下：

各項差分干涉相位模型根據(jù)（1）式各項的分析，通過計算得出高程誤差和線性形變速率的函數(shù)模型，即：

式中：Cε（xh）為高程誤差相關(guān)項；Cv（xh）為線性形變速率相關(guān)項；w（xh，tk）為線型殘余相位。

設(shè)有兩PS 點Pr（為參考點）和Ps，則：

考慮目前有N 副差分干涉圖，那么上述每一個PS 點就會有N 個時序鄰域差分相位，并可建立N 個上式所組成的方程組。通過模型計算可以得到每個PS 點相對于主參考點的形變速率和高程誤差。同時，根據(jù)求解結(jié)果在PS 離散點上進行相位解纏。

經(jīng)過積分計算，各干涉圖對應(yīng)的影像大氣相位為：

其在干涉圖中的非線性形變相位為：

2）DS-InSAR 技術(shù)。分布式目標提取一般采用統(tǒng)計檢驗的方法，如參數(shù)假設(shè)檢驗方法來為每一個像素判定統(tǒng)計同質(zhì)像元（SHP）。

經(jīng)過相位解纏之后，需要去除各噪聲相位分量。從影像中可通過時間域的高通濾波估計得到。從解纏相位中依次去除各噪聲分量后即可得到形變相位，此時形變相位可表達為：

通過上述計算，將地表形變與形變相位進行轉(zhuǎn)換后即可將由上式計算得出的形變相位轉(zhuǎn)換為形變量。

2.3 技術(shù)難點

形變監(jiān)測時，由于錦繡川區(qū)域高差較大、地形復(fù)雜、森林覆蓋率高，特別是受小流域影響多對流雨、視線不好等不利條件的影響，將InSAR技術(shù)運用到錦繡川水庫大壩和庫區(qū)時也遇到了一定的問題，主要問題集中在以下3 個方面：

1）時間失相干。時間失相干和空間失相干對于InSAR 技術(shù)而言是很重要的失相干源，其中SAR（合成孔徑雷達）衛(wèi)星由于自身技術(shù)的原因，在天空飛行過程中，當處于同一軌道時，每次出現(xiàn)的空間和位置會存在一定差異，由此導(dǎo)致的失相干現(xiàn)象為空間失相干；在同一軌道衛(wèi)星再次運行時，由于周邊物體發(fā)生了改變，散射特性呈現(xiàn)為不一致，由此導(dǎo)致的失相干現(xiàn)象稱為時間失相干。此現(xiàn)象在該技術(shù)研究初期出現(xiàn)的幾率較多，目前隨著空天和衛(wèi)星技術(shù)的逐步成熟，同時在進行形變監(jiān)測時選取較好的對象，該問題已得到了較好解決。

2）地形影響。錦繡川水庫大壩坐落于山間峽谷，地勢起伏，在運用InSAR 技術(shù)監(jiān)測時會存在以下問題：

一是SAR 在成像時受地形影響，會造成在成像過程中的疊掩、陰影效應(yīng)，而錦繡川水庫大壩、庫區(qū)部分高崖都處于成像區(qū)域中的陰影區(qū)，造成無法提供準確影像，變形狀況也無法被觀測。

二是由于水庫庫區(qū)高差大，達30 余米，在有限空間和大地形起伏區(qū)域里，輸入現(xiàn)有的數(shù)字高程后誤差會相對較大，只有有效地消除初始誤差之后才能準確計算出水庫庫區(qū)或樞紐建筑物上發(fā)生的形變或存在的隱患。

3）大氣延遲。在InSAR 技術(shù)運用地表形變監(jiān)測過程中，大氣延遲是必須要解決的問題，因其對精度的影響最大。通常極軌SAR 衛(wèi)星飛行高度一般在500～800 km，SAR 電磁波傳播需要經(jīng)過電離層（一般指地表60 km 以上的大氣層，存在大量自由電子和離子）和對流層（一般指緊貼地面的大氣層，天氣劇烈變化，造成氣體性質(zhì)變化，也最不穩(wěn)定），在經(jīng)過時會受到電離層和對流層的疊加影響。在通過電離層中主要由于存在大量的自由電子和離子造成的散射效應(yīng)，會延遲電磁波的傳播。

同時由于電離層電子濃度總含量的變化，造成了電磁波的傳播路徑也發(fā)生了一定改變。大氣延遲影響主要體現(xiàn)在對流層中，在對流層中大氣的濕度、氣壓和溫度隨著高程的影響而不斷改變，如同水質(zhì)分層一樣，在對流層傳播過程中也體現(xiàn)了空氣的分層介質(zhì)，造成大氣的折射率隨高度而變化，受其影響電磁波在傳播過程中路徑也發(fā)生了一定變化。

另外，在受到降雨、云系和空中浮塵等顆粒的反射和散射作用下，電磁波在傳播過程中也可能會出現(xiàn)路徑彎曲和信號傳播延遲。在本研究區(qū)，大氣延遲會極大地影響滑坡體變形測量的精度，針對大氣延遲問題，必須采用一定手段使其數(shù)值滿足精度要求。

2.4 InSAR 形變監(jiān)測結(jié)果

選取覆蓋山東濟南地區(qū)2019 年10 月25日至2022 年7 月7 日哨兵1 號景升軌數(shù)據(jù)。針對重點研究區(qū)域中的錦繡川水庫庫區(qū)，結(jié)合相應(yīng)的精密軌道數(shù)據(jù)，對研究區(qū)域影像數(shù)據(jù)進行時序InSAR 處理，按照上述方法分析生成了時空基線圖、幅度圖、DEM、差分干涉圖、形變速率圖及時間序列圖等結(jié)果圖。其中時空基線圖如圖1 所示。

圖1 時空基線圖

通過對濟南地區(qū)錦繡川水庫及其周邊區(qū)域開展InSAR 時間序列形變監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：錦繡川水庫及其周邊區(qū)域，地質(zhì)條件穩(wěn)定，水庫壩體無形變現(xiàn)象，水庫庫區(qū)周邊目前未發(fā)現(xiàn)滑坡等地質(zhì)隱患。

3 結(jié) 論

運用InSAR 技術(shù)實現(xiàn)錦繡川水庫和庫區(qū)周邊的形變沉降監(jiān)測。針對建立基于統(tǒng)計檢驗和像素連通性的分布式散射體提取方法；通過周期圖解算分布式散射體在方位向和距離向上的地形坡度，移除殘余地形相位—減少相位噪聲，提高分布式散射體相干性和干涉相位質(zhì)量；保持原始SAR 影像的高空間分辨率的自適應(yīng)濾波算法。

本項目在對研究區(qū)的地形地貌、區(qū)域水文以及壩體分布數(shù)據(jù)編目進行收集整理的基礎(chǔ)上，將數(shù)字技術(shù)等新一代信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)深度融合，運用先進的InSAR 技術(shù)發(fā)揮星載雷達遙感的優(yōu)勢對錦繡川水庫大壩樞紐和庫區(qū)開展形變監(jiān)測。通過系統(tǒng)實時了解和掌握大壩及其周邊區(qū)域沉降與位移情況，對周邊區(qū)域環(huán)境變量進行監(jiān)測，對未來區(qū)域變形提供可靠支持，確保了大壩安全。該項研究的實施為推動以數(shù)字技術(shù)賦能水利行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加快推動水利行業(yè)建設(shè)數(shù)字化，充分發(fā)揮水庫綜合效益，實現(xiàn)工程安全智能分析預(yù)警，為經(jīng)濟社會發(fā)展提供有力保障。