GBInSAR技术及其在水利工程中的应用

康丽文 沈颜奕 赵海鹏

(河海大学，江苏 南京 210098)

GBInSAR技术及其在水利工程中的应用

康丽文 沈颜奕 赵海鹏

(河海大学，江苏 南京 210098)

研究了基于地基合成孔径雷达干涉测量(Ground Based InSAR，GBInSAR)技术的微变形监测系统(IBIS-L)关键技术和精度，并分析了该系统在紫平铺大坝和泰西纳(Tessina)滑坡区的监测实例，实践表明该系统具有长期连续监测、覆盖范围广、监测精度高的优点，为水利工程变形监测提供了新方法。

GBInSAR，IBIS系统，变形监测，大坝，滑坡

0 引言

水利工程在国家的经济建设中起着举足轻重的作用，同时也为人民的日常生活提供了坚强有力的保证。当前，对水利工程进行变形监测，传统的监测技术[1]只能监测一些特殊的点的形变信息，不能覆盖每个部分、反映真实形变，建立的位移数学模型也不能全面反映其健康状况。目前地基合成孔径雷达干涉测量技术在水利工程监测方面的应用便于监测人员能够以高采样频率和高空间分辨率对大范围工程进行变形监测。

由意大利IDS公司与弗洛伦萨大学合作发明的基于GBInSAR技术的微变形远程监测雷达(IBIS-L系统)已经广泛应用于滑坡[2，3]、煤矿[4]和大坝[5，6]的变形监测，并取得了较好的成果。以下将对GBInSAR的关键技术、IBIS-L系统的变形监测精度及其在紫平铺大坝[7]和泰西纳滑坡[8]中的应用进行研究分析，并对GBInSAR技术的特点及其在水利工程的应用前景进行总结。

1 GBInSAR变形监测原理

GBInSAR是一种地面微波干涉遥感技术，通过步进频率连续波(the Stepped-Frequency Continuous Wave，SF-CW)和合成孔径雷达技术(Synthetic Aperture Radar,SAR)获得了较高的空间分辨率，而干涉技术使得沿雷达视线向的微变形监测优于毫米级，实现无需接近目标区域就可全天候、全天时精确获取地表信息。

1.1 步进频率连续波技术

步进频率连续波由一系列载频线性跳变的连续信号构成，雷达序贯发射一组载频均匀步进的窄带宽脉冲(设共有N个脉冲)，步进量为Δf,一般取Δf=1/τ，其带宽为：

B=(N-1)Δf

(1)

对这串脉冲的回波信号进行处理，可得脉冲宽度为τ/N，即距离向分辨率是单个脉冲测量时的N倍。所以步进频率连续波技术的应用提高了雷达的距离分辨率，雷达的距离分辨率Δr与脉冲延续时间τ有关。

(2)

其中，c为光速。因为τB=1，所以式(2)还可表示为：

(3)

假设光速c=3×108m/s，带宽B=3×108Hz，由式(3)可知该系统的距离向分辨率为0.5 m，距离分辨率的大小与测距无关。

1.2 合成孔径雷达技术

合成孔径雷达利用数据处理的方法合成一个较大的等效天线孔径雷达，不仅打破了物理天线宽度的局限，还提高了方位向的分辨率。在实际应用中，一般在一个长为L的滑轨上安装合成孔径雷达，通过滑杆的移动使得合成天线的波宽与观测点到目标的距离成反比，合成孔径雷达的角分辨率Δ∂可用式(4)表达：

(4)

其中，λ为雷达发射的波长。假设IBIS-L系统的雷达波长为18 mm，滑轨长度L=2 m，则该系统的角分辨率可以达到4.5 mrad。如图1所示，通过距离向和方位向的结合，监测区域被分割成若干个二维的小单元，其中距离向分辨率为0.5 m，方位向分辨率为4.5 mrad×距离。

1.3 干涉技术

干涉技术将不同时刻SAR图像结合起来，通过比较监测同一地区在不同时刻的SAR图像相位信息，得到监测地区的形变信息。此技术应用于监测地表形变时精度极高，可达毫米级，完全能够满足在大坝、山体滑坡等地区的需求。假设波长为λ的雷达使目标2次成像的相位差为ΔΦ，则雷达视线向变形dr可表达为:

(5)

2 IBIS-L系统的精度评定

将目标物和千分表相连，IBIS-L系统和Leica TCA 2003全站仪观测同一目标。用千分表对目标物进行微小的调节，将IBIS-L系统和全站仪捕捉到的位移变化情况进行对比。将靶标向监测设备调节2次(每次调节0.5 mm)和5次(每次调节0.1 mm)并回调至原位置时，IBIS-L系统和全站仪捕捉到的位移变化情况如图2,图3所示。

由图2，图3可知，当形变量大于0.5 mm时，IBIS-L系统和全站仪的测量精度都能够满足要求；当变形量小于0.5 mm时，IBIS-L系统能监测出0.1 mm的形变量，而全站仪的测量结果误差相对较大，所以IBIS-L系统的测量微变精度要高于全站仪。

3 IBIS-L系统在水利工程变形监测应用的实例

3.1 大坝的安全监测

紫坪铺大坝位于四川都江堰上游，大坝蓄水11.12亿m3，为混凝土面板堆石坝。监测时间从2008年7月31日20时59分～8月1日12时1分，共计约15 h。将IBIS-L设备放置于距离大坝550 m～780 m、离地高度为0.40 m处，设置其最大监测距离1 700 m、距离向分辨率0.5 m、角度向分辨率4.5 mrad、采样间隔为6 min。通过整个区域的雷达波反射情况可知，大坝主体的反射情况较好，且区域中各点的信噪比大多在15 dB之上，为最终准确的结果提供了良好的基础。为克服气候变化对监测结果造成的影响，选取校准点对整个监测结果进行校准。取GCP作为校准点，在坝体上选取反射能量较好的6个点(P1～P6)，假定GCP点的位移为零，对整个监测结果进行校准。由图4所示的P1～P6在监测时间内的连续变形过程曲线可知，在监测时段内，每个点的形变量均小于1 mm，且可以认为大气延迟和气温对观测结果的影响使得在整个观测时间内该微小形变较为一致。在进行气候校准后，IBIS-L系统能够完成大坝的微变形监测任务。

实验表明，GBInSAR技术用于大坝安全监测的精度优于毫米级，通过设置一个合适的固定监测基站，对整个坝体进行全面、连续的实时监测，由在一系列不同的预设基站实施监测来得到对同一目标区域的不同时段不同角度的多点监测结果；采用IBIS-L系统能够实时、准确地逐点跟踪大坝表面的微小变形，完成整个监测区域中大坝表面的变形监测任务。

3.2 滑坡的安全监测

泰西纳滑坡区位于意大利东北部贝卢诺市附近的爱尔帕格地区，滑源区呈近似的椭圆形。2003年，Tarchi用GBInSAR技术对该滑坡进行了昼夜连续7 d监测。设备到滑坡的距离大于4 km，最大的监测范围是7 km2，其角度向分辨率为4.5 mrad，距离向分辨率为0.5 m，得到了整个滑坡区域多时相地表形变图。

图5为三个不同观测时期的位移图。在地区的二维图像中挑选一个像素并记录该像素点随时间变化的位移，展示该地区演变速度，图6是该单像素点的位移图。

由图5和图6可知该地区在监测期间进行了一个缓慢且连续的位移，其速度能够达到一小时几厘米，且在距离雷达发射中心约350 m的滑坡下部其形变量最大。

实验表明，作为一种全新的非接触式的微变形监测设备——IBIS-L系统，具有可长期连续监测、覆盖范围广、监测精度高等优点，能够获得多时位移图和位移速度，反映滑坡的整体位移趋势，可以对滑坡提供有效、实时的安全性监测，为滑坡预警和治理提供更为可靠的消息。

4 总结和展望

GBInSAR技术结合了SF-CW，SAR，干涉测量三大技术，以微波探测主动成像方式得到被监测区域二维影像，可以全天时、全天候的获取滑坡、大坝等变形体的高分辨率变形信息。在IBIS-L系统和Leica TCA 2003的监测对比实验中验证了IBIS-L系统具有优于毫米级的变形监测精度。IBIS-L系统在紫平铺大坝和泰西纳滑坡中的应用，证实了IBIS-L系统能够实时、准确地涵盖整个监测区域和逐点跟踪大坝体和滑坡体的微小变形，能以优于毫米级的精度对大坝和滑坡进行变形监测，完成大范围的变形监测任务。

地基雷达干涉系统IBIS-L系统是微变形测量系统的典范，在短期发展中取得了很好的应用效果。微变形远程监测技术与传统监测技术相比，有很多优点，但也存在一些不足，如：设备的高费用及其在实际使用中有一定的局限性导致其难推广。近年来，有学者提出为实现三维高精度的变形监测，可将其与三维激光扫描仪、全站仪等仪器融合。随着研究的进一步深入，拥有巨大潜力的基于GBInSAR的微变形远程监测雷达在未来的水利工程的变形监测(如大坝监测、滑坡监测等)方面必将有更广泛的应用。

[1] 卫建东.现代变形监测技术的发展现状与展望[J].测绘科学,2007,32(6):10-13.

[2] Strozzi T,Farina P,Corsini A,et al.Survey and monitoring of landslide displacements by means of L-band satellite SAR interferometry[J].Landslides,2005,2(3):193-201.

[3] Herrera G,Fernández-Merodo J A,Mulas J,et al.A landslide forecasting model using Ground based SAR data:The Portalet case study[J].Engineering Geology,2009,105(3):220-230.

[4] 陈 龙,张建军,陈高峰.地形微变远程监测仪在地表微变形监测中的应用[J].人民长江,2011,42(23):91-93.

[5] Alba M,Bernardini G,Giussani A,et al.Measurement of dam deformations by terrestrial interferometric techniques[J].Int Arch Photogramm Remote Sens Spat Inf Sci,2008(37):133-139.

[6] 何 宁,齐 跃,何 斌,等.地表微变形远程监测雷达在大坝监测中的应用[J].中国水利,2009(8):24.

[7] 黄其欢,张理想.基于GBInSAR技术的微变形监测系统及其在大坝变形监测中的应用[J].水利水电科技进展,2011,31(3):84-87.

[8] Tarchi D,Casagli N,Fanti R,et al.Landslide monitoring by using ground-based SAR interferometry:an example of application to the Tessina landslide in Italy[J].Engineering Geology,2003,68(1):15-30.

The application of GBInSAR technology and its use in water conservancy project

KANG Li-wen SHEN Yan-yi ZHAO Hai-peng

(HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

This paper researched the key technology and precision of micro deformation detection system based on foundation synthetic aperture radar interferometry (Ground Based InSAR, GBInSAR) technology, and analyzed the monitoring example of the system in Zipingpu dam and Tessina landslide area, the practice showed that the system had the advantages of long-term continuous monitoring, large coverage area, high monitoring accuracy, provided new method for water conservancy engineering deformation monitoring.

GBInSAR, IBIS system, deformation monitoring, dam, landslide

1009-6825(2014)28-0231-03

2014-07-24

康丽文(1991- )，女，在读本科生； 沈颜奕(1992- )，女，在读本科生； 赵海鹏(1992- )，男，在读本科生

TU196.1

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