GBInSAR隔河岩大坝变形监测试验

黄其欢,岳建平,贡建兵（.河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 0098；.湖北清江水电开发有限责任公司库坝中心,湖北宜昌 443000）



GBInSAR隔河岩大坝变形监测试验

黄其欢1,岳建平1,贡建兵2
（1.河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 210098；
2.湖北清江水电开发有限责任公司库坝中心,湖北宜昌 443000）

摘要:为解决传统大坝变形监测方法仅能获取点变形信息,且监测周期长、劳动强度大等问题,将地基合成孔径雷达干涉（GBInSAR）变形监测新技术用于大坝变形监测。分析GBInSAR变形监测系统及其成像特点,建立利用稳定参考点进行大气校正的数学模型,并应用于清江隔河岩大坝监测。结果表明:在距离1300m处大气扰动误差可达85mm,雷达视线向大气扰动是影响GBInSAR变形监测精度的主要因素;消除大气影响后GBInSAR监测的坝体变形速率与垂线监测结果一致;大坝表孔泄水闸变形明显大于坝体变形,且随水位上升变形量增大。

关键词:隔河岩大坝;变形监测;GBInSAR;IBIS-L;大气校正;永久散射体

大坝及边坡稳定性问题是当前我国大型水利工程建设中的一个关键工程技术难题[1]。传统的精密水准仪、全站仪以及GPS等大地测量方法仅能获取单个监测点的变形信息,很难满足水利工程灾害预测的实际需要。基于星载平台的SAR干涉技术受雷达视角、失相干和大气延迟的限制,无论是常规SAR干涉法还是更为先进的SAR影像时间序列探测法[2-4]都难以胜任,具体原因有:①SAR影像时空失相干使干涉相位质量差,降低变形监测的可靠性；②卫星重访周期长,变形监测时间分辨率低；③山区坡度大,容易形成图像阴影；④星载SAR视角固定,部分变形体无法监测到；⑤山区高差大,大气延迟误差大。

近十年来,人们将干涉平台从空中移至地面,开发了地基合成孔径雷达干涉（GBInSAR）变形监测新技术,该技术基于微波主动成像方式获取监测区域二维影像,能在几分钟内获取数平方公里高精度、高时空分辨率的变形信息,其关键技术原理见文献[5]。在国外,gBInSAR技术已经广泛用于滑坡[6,11]、冰川[12]和大坝[13]变形监测中；在国内,gBInSAR技术的开发与应用还处于起步阶段,相关的文献报道还非常少。

本文在分析GBInSAR变形监测系统及其成像特点的基础上,对隔河岩大坝进行GBInSAR变形监测试验,并将结果与同期的垂线监测结果进行对比。

1gBInSAR成像与变形监测

1.1gBInSAR成像

地基SAR系统由雷达传感器、滑动轨道、计算机和供电模块组成,图1为意大利IDS公司与弗洛伦萨大学联合研制的IBIS-L（image by interferometirc survey）系统,该系统利用安装在滑动轨道上的传感器模块生成、发射和接收雷达信号,用USB接口连接计算机,通过传感器在滑动轨道上的滑动产生合成孔径效果,地基SAR以固定的视角不断地发射和接收回波信号,经过聚焦处理后形成极坐标形式的二维SAR影像。在影像像元内,距离向分辨率是固定的,而方位向分辨率与像元夹角及目标距离有关（图2）,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,距离越远,方位向分辨率越低。

图1 IBIS-L变形监测系统

图2 地基SAR影像分辨率示意图

由于地基SAR发射雷达波束,并根据地表反射回波的接收顺序记录并处理成SAR影像,这样距离近的反射目标就先被记录下来,这种成像模式导致了SAR图像中的透视收缩（foreshortening）、顶底位移（layover）和雷达阴影（shadow）等几何形变现象,给地基SAR影像解译造成困难。图3为这几种几何畸变的示例。

1.2 地基SAR变形监测

设地基SAR两次测量中目标发生视线向变形dr,考虑到大气延迟以及测量噪声的影响,两次测量的相位差表示为

图3 地基SAR成像几何畸变示意图

式中:Δψ为两次测量的相位差；λ为雷达波长；Δψa为大气延迟相位差；ψn为观测噪声。

若在变形体附近选取稳定的参考点,即dr=0,对该稳定点有

选取相干像元,忽略测量噪声,将式（1）（2）差分即可求出大气相位,被测目标雷达视线向（line of sight,LOS）形变为

2 IBIS-L变形监测试验与结果分析

2.1 测区概况与数据采集

隔河岩大坝为“上重下拱”重力拱坝,坝顶高程206m,最大坝高151m,坝顶弧长648m；溢流段位于坝的中部,共设7个表孔,4个深孔和2个放空兼导流底孔,表孔堰顶高程181.8m,尺寸为12m×18.2m；深孔孔底高程134m,尺寸为4.5m×6.5m；底孔孔底高程95m,尺寸为4.5m×6.5m,各孔口均用弧形闸门控制操作。电站厂房位于右岸河滩阶地上；左岸是300t级垂直升船机,中间错船渠长400m,宽30m。

图4 IBIS-L数据采集

IBIS-L采集点位于大坝下游左岸1300m处（图4）,采用连续监测模式,从2013年7月27日20时到08月2日11时,历时5 d 14 h 48min。数据采集范围为-45°～45°,距离0～1 299.8m,分辨率分别为0.252°和0.50m,共获取地基SAR影像1330景。

2.2 数据处理与分析

考虑到方位分辨率与距离有关,将原SAR影像用极坐标表示,图5为SAR能量均值影像（其中P1～P4分别对应图4中的A～D区域）,图6为影像局部放大图（其中Pt1、Pt6、Pt12位于坝体上,Pt3、Pt8、Pt14位于表孔泄洪闸上,R为高相干像元）。从图中可以清晰地解译出坝体A及7个表孔、右岸电站及边坡阶梯B、左岸升船机及错船渠D,特别地,位于大坝下游的4排锚桩C反射信号明显。

图5 监测区域地基SAR能量均值

图6 地基SAR影像局部放大图

变形监测干涉处理采用直连组合方式获取干涉图,如图7所示。数据处理时像元选择的质量控制标准为:热噪声信噪比大于15.0 dB,估计信噪比大于10.0 dB,时间相干系数大于0.50,相位稳定系数大于0.5。由于影像之间的干涉基线为零,干涉相位包含了监测目标雷达视线向的形变、大气延迟误差以及观测噪声。

图7 地基SAR影像直连组合干涉方式

图8为图5中目标P1～P4的雷达视线向相位时间序列,从中可以看出:①相位变化非常大,变化范围为-35～50mm；②相位变化在18时左右最小,随后逐渐增大,在次日0时左右达到最大,并维持到7时左右,随即急剧减小,至18时达到最小值；③相位变化明显以1天为周期；④从相位波动幅度看,距离监测点最远的P3波动幅度最大,P1和P4波动幅度最小。

图8 监测点P1～P4相位变化

根据隔河岩大坝监测组提供的大坝中部15号坝段PL15垂线的监测数据,整个监测过程中坝体变形量很小（图9）,这与IBIS-L的变形结果相比存在明显的系统误差,由于在变形分析中采用了高质量的像元,可以忽略相位噪声对结果的影响,根据式（3）,这种误差是由雷达视线向的大气延迟随时间的变化引起。相位变化曲线的日周期性反映了雷达视线向大气延迟随气温、气压及相对湿度的变化,这种变化在1300m的距离上最大可达85mm。另外,大气扰动与雷达视线向距离有关,距离越远影响越大。因此,利用GBSAR进行水利工程变形监测必须考虑大气扰动的影响。

图9 大坝中部PL15垂线169m高程径向变形与水位关系

考虑大气延迟相位在雷达视线向的一致性,选择稳定区域高相干像元作为参考点,将其他像元与参考点求差以消除大气影响,为此在大坝右岸靠近坝体的基岩处选取高相干像元R作为参考点,图10显示了去除大气影响后图6中部分像元的变形时间序列。

从图10可以看出:①大气延迟相位消除明显；②所有点都存在沿水流向的径向位移,且水位上升时,径向位移向下游增大；③坝体上点位的变形速率在0.2mm/d左右,明显小于表孔内泄水闸0.6mm/d的变形速率,这说明水位上升时,表孔泄水闸发生了相对较大的变形；④6 d的监测时间内坝体总体变形约1.2mm,坝体形变速率与垂线监测速率（0.197mm/d）结果相当；⑤变形序列中还存在较小的周期性大气扰动。

图10gBInSAR监测的坝体及表孔排水闸变形时间序列

3 结 论

a.GBInSAR监测获取的是区域性大面积形变信息,相对传统单点监测信息量更大。

b.影响GBInSAR变形监测精度的主要因素是雷达视线向大气扰动（如气温、气压和相对湿度的变化）,隔河岩大坝变形监测试验结果表明,在1300m的距离上大气扰动的影响可达85mm,其大气扰动与雷达传播距离有关,距离越远影响越大。

c.采用稳定参考点法消除大气影响后,gBInSAR变形监测结果与垂线监测结果一致性较好。

d.采用GBInSAR技术监测的大坝表孔泄洪闸变形量大于坝体变形,且随着库区水位的增长,变形沿水流向逐渐增大。

本文大气扰动相位仅采用像元间简单的差分消除法,没有考虑像元距离的远近；另外GBInSAR仅能获取雷达视线向的变形,采集大坝区域高精度的DTM,将GBInSAR监测结果进行地理编码将是下一步研究的重点。

参考文献:

[1]郑守仁.我国水能资源开发利用的机遇与挑战[J].水利学报,2007,38（增刊1）:1-6.（ZHENG Shouren.Development and utilization of hydropower resources in China[J].Journal of Hydraulic Engineering,2007,38 （Sup1）:1-6（in Chinese））

[2] FERRETTI A,PRATI C,ROCCA F.Permanent scatters in SAR interferometry[J].IEEE Transactions ongeoscience and Remote Sensing,2001,39（1）: 8-20.

[3] BERARDINO P, FORNAROg, LANARI R.A new algorithm for surface deformationmonitoring based on small baseline differential interferograms [J].IEEE Transactions ongeoscience and Remote Sensing,2002,40 （11）: 2375-2383

[4]陈强,刘国祥,李永树,等.干涉雷达永久散射体自动探测:算法与实验结果[J].测绘学报,2006,35（2）: 112-117.（CHEN Qiang, LIUguoxiang, LI Yongshu, et al.Automated detection of permanent scatterers in radar interferometry: algorithm and testing results [J].Actageodaetica et Cartographica Sinica,2006,35（2）: 112-117.（in Chinese））

[5]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.（HUANG Qihuan, ZHANG Lixiang.Ground based synthetic aperture radar Interferometry and its application to deformationmonitoring[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2011,31（3）:84-87.（in Chinese））

[6] STROZZI T,FARINA P,CORSINI A,et al.Survey andmonitoring of landslide displacements bymeans of L-band satellite SAR interferometry[J].Landslides,2005,2（3）: 193-201.

[7] NOFERINI L,PIERACCINIm,MECATTI D,et al.UsinggB-SAR technique tomonitor slowmoving landslide[J].Engineeringgeology,2007,95（3/4）: 88-98.

[8] LUZIg,NOFERINI L,MECATTI D,et al.Using agroundbased SAR interferometer and a terrestrial laser scanner tomonitor a snow-covered slope: results from an experimental data collection in Tyrol（Austria）[J].IEEE Transactions ongeoscience and Remote Sensing,2009,47（2）: 382-393.

[9] TARCHI D, CASAGLI N, FANTI R, et al.Landsidemonitoring by usingground-based SAR interferometry: an example of application to the Tessina landslide in Italy [J].Engineeringgeology,2003,68（1/2）:15-30.

[10] LEVA D,NICOg,TARCHI D et al.Temporal analysis of a landslide bymeans of aground-based SAR interferometer[J].IEEE Transactions ongeoscience & Remote Sensing,2003,41（4）:745-752.

[11] HERRERAg,FERNÁNDEZ-MERODO A,MULAS J,et al.A landslide forecastingmodel usingground based SAR data: the portalet case study[J].Engineeringgeology, 2009,105（3/4）:220-230.

[12] LUZIg,PIERACCINIMm,MECATTI D,et al.Monitoring of an alpineglacier bymeans ofground based SAR interferometry [J].Geoscience and Remote Sensing Letters,2007,4（3）: 495-499.

[13] ALBAm, BERNARDINIg,gIUSSANI A, et al.Measurement of dam deformations by terrestrial interferometric techniques [EB/OL].（2008-06-23）http://www.isprs.org/proceedings/XXXVII/congress/1_ pdf/23.pdf.

中图分类号:P237

文献标志码:A

文章编号:1006- 7647（2016）03- 0047- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.010

基金项目:国家自然科学基金（41304025）；江苏省自然科学基金（BK20130831）；国家留学基金（201406715025）

作者简介:黄其欢（1978—）,男,副教授,博士,主要从事InSAR理论与应用研究。E-mail: InSAR@ hhu.edu.cn

收稿日期:（2015- 04 21 编辑:郑孝宇）

Monitoring ofgeheyan Dam deformation usinggBInSAR technology

HUANG Qihuan1, YUE Jianping1,gONGJianbing2（1.College of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China；2.Reservoir and Dammanagement Center, Hubei Qingjiang Hydroelectric Development Co., Ltd., Yichang 443000, China）

Abstract:To overcome the disadvantages of conventional dam deformationmonitoringmethods, which are high labor intensity, long cycle, and acquiring of only pointwise information, a recently developed technology, calledground-based synthetic aperture radar interferometry（GBInSAR）, was applied to dam deformationmonitoring.Based on an analysis of thegBInSAR system and imaging characteristics, a numericalmodel for atmospheric phase correction using a stable reference point was established and applied tomonitor the deformation of thegeheyan Dam.The results show that at a location of 1 300m downstream of the dam, atmospheric disturbance caused an error of up to 85mm.Atmospheric disturbance interfering with the sight of radars was themain factor decreasing the accuracy of dam deformationmonitoring withgBInSAR technology.After elimination of the influence of atmospheric disturbance, the results of dam deformationmonitoring withgBInSAR technology agreed with plummet observations.The results also show that the deformation of the water releasegate at the surface outlet was significantlygreater than the dam body deformation, and it increased with the rise of the water level.

Key words:geheyan Dam；deformationmonitoring；GBInSAR；IBIS-L；atmospheric phase correction；permanent scatterer