GBInSAR在大坝变形监测中的应用

郭乐萍，岳建平，岳 顺，邱志伟，汪学琴

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)



GBInSAR在大坝变形监测中的应用

郭乐萍，岳建平，岳 顺，邱志伟，汪学琴

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)

评判水工建筑物的工作性态，需高精度的变形、应力等信息。根据大坝安全监测特点和要求，介绍GBSAR监测系统构成和测量基本原理，分析该系统测量误差来源及特征，探讨该技术在大坝变形监测中的可行性。以隔河岩大坝3 d的实测数据为例，分析该技术实际测量精度，研究显示成果达亚毫米级，能够满足大坝变形监测的精度要求。

变形监测；GBInSAR；大坝；视线向位移；时间序列

我国自进入21世纪以来重点发展水利工程建设，兴建一批以小浪底、紫坪铺等水利枢纽为代表的水利重点工程项目。为了保证这些水利工程建筑物的稳定性，须进行变形监测[1-2]。传统的变形监测方法因其野外工作量大、受观测环境影响、定位精度低以及测程有限等缺点，难以满足长距离大范围变形监测的需求。合成孔径雷达干涉技术(InSAR)因其全天时全天候连续观测等优点而得到迅速发展，成为变形监测领域的新技术和研究热点[3]。

GBInSAR技术由于测量范围大、精度高、非接触等优点[4]，在变形监测领域的应用具有明显的现实意义和实用价值。地基合成孔径雷达(Ground-Based Synthetic Aperture Radar，GBSAR)将步进频率连续波技术(Stepped-Frequency Continuous Wave)、雷达差分干涉技术和合成孔径雷达技术(SAR)相结合，系统根据监测需要选择最佳观测视角和相应的观测平台，以非接触的测量方式在安全的距离内获取被监测危险区域的高精度变形数据[5]。目前，GBInSAR技术在滑坡[6-7]、冰川[8]和大坝[9]的变形监测中得到广泛应用。

1 GBInSAR的基本原理

GBInSAR技术源于空基InSAR技术(Airborne-Based InSAR，ABInSAR)，它是ABInSAR在地面的实现。GBInSAR的原理包括合成孔径雷达技术(SAR)和差分雷达干涉技术(D-InSAR)。

1.1 合成孔径雷达技术

合成孔径雷达技术[10-11]采用步进频率连续波(SFCW)信号体制实现距离向高分辨率，同时保证雷达波的长距离传输。合成孔径技术是通过雷达在地面上的固定轨道上滑动来实现的，方位向分辨率

(1)

式中:λ为雷达发射波长，L为雷达发射点相对于监测目标的相对移动距离，即合成后的天线孔径。通过将合成孔径雷达技术(SAR)和步进频率连续波技术(SFCW)进行结合，可以在较大程度上同时提高距离向和方位向分辨率。

1.2 雷达差分干涉技术

假设GBSAR在不同时间获取了同一目标区域的两幅SAR复影像，由于两次采集图像中间具有时间间隔，因此图像之间因为回波信号的不同而产生了相应的相位差。由解缠后的相位差可反演出目标LOS方向的真实形变值：

(2)

由式(2)可知，目标形变值的测量精度同时受系统工作频率fc和相位测量精度的影响。

2 GBInSAR测量精度分析

GBInSAR应用于变形监测时的精度要达到毫米或亚毫米级，要提高变形监测的精度就要掌握影响测量精度的因素。本文从GBInSAR的数据获取和处理两个过程着手，将影响GBInSAR测量精度的因素分为干涉相位误差和形变真值解算误差两部分。

2.1 干涉相位误差

干涉相位误差是GBInSAR形变测量误差的主要部分，受观测期间大气环境的改变、噪声以及相位解缠误差等因素的影响，

(3)

式中:φdisp为目标形变造成的相位差，φatm为大气扰动引起的相位差，φnoise为噪声的影响，εφ为相位解缠误差。

大气效应的影响是干涉相位误差的重要来源，现在还没有系统的解决方案。噪声的影响在滤波和后续信号处理中会得到抑制。相位解缠是GBInSAR数据处理中的难点，当进行短时间间隔或连续监测时，由于观测时间间隔短，获得的相邻图像间相干性较好，一般不存在相位解缠问题。当观测时间间隔较长时，受时间、空间和噪声相关等影响，难以获得整个观测区域精确的解缠相位。

2.2 形变真值解算误差

形变真值是由视向形变值根据系统工作几何关系计算出来的，观测距离不同，采用的计算模型也有所区别。GBSAR系统的几何关系有两种假设模型[12]，分别是平行近似几何关系和精确几何关系，如图1所示。

(a)平行近似几何关系

(b)精确几何关系图1 形变真值假设模型

图1中R1，R2为前后两次观测时观测点到目标的斜距长度；ΔR为视向形变值；Δr为形变真值；θ为雷达入射角。经过推算可得两种近似所产生的误差为

(4)

当取斜距R1=100 m，目标形变值ΔR=0.1 m时，由式(4)可以计算出雷达入射角θ和形变真值近似计算误差δr之间的关系，如图2所示。

图2 雷达入射角θ与形变真值近似计算误差δr

通过图2可以看出当雷达入射角θ=30°时，近似计算误差仍然可达亚毫米级，但当θ趋于0，也即雷达入射波与目标形变方向垂直时，近似误差为无穷大，此时GBSAR系统失去形变监测的能力。θ越接近90°时，计算误差越小，在测量时可适当增大雷达入射角，使得测量精度更高。

3 IBIS-L在隔河岩大坝变形监测中的应用

本次形变测量实验以隔河岩大坝为例，实验所用数据为从2013-07-30 T11 h 20 min至2013-08-02 T11 h 7 min观测的数据，观测时长2 d23 h47 min，每隔约5 min采集一幅图像，共获取SAR影像685幅。图3展示实验时IBIS-L仪器与大坝的相对位置，设备可达到的最大观测距离为4 km，而实验时所需观测的最大距离约为1.3 km，完全满足

实验需求。实验时设备安放在比较稳定的地方，与观测区域通视，中间无任何遮挡物，可直观方便的观测到整个坝体区域以及周边坡岸。图4为大坝信号反射强度图。

图3 IBIS-L设备装置及观测区域

图4 大坝真实图与信号反射强度

在图4中用矩形框和椭圆形标注出现场中物体在雷达信号反射图中的位置。其中框代表坝体，椭圆代表旁边山坡。通过图4的对比可以看出IBIS-L可准确的获取坝体表面的雷达反射信息。

对获取的影像进行干涉处理后，选取质量较好的地面控制点，利用固定点法滤除大气扰动误差[13-14]，并进行中值滤波和控制点改正，得到大坝坝体观测数据的累计视线向位移图(如图5所示)。从图5中可以看出系统可以获取监测区域较高空间分辨率的变形信息，大坝坝体在观测时间内累计变形在2 mm之内。为了对变形监测结果进行验证，在大坝坝体选择了3个像元点进行时间序列分析。图6为P1-P3雷达视线向形变时间序列。

图5 累计视线向位移图

图6分别为所选的3个像元点在整个观测过程中的位移时间关系图。综合图5和图6看出单点位

移随时间呈现不规律的变化，在某些时刻波动较大，可能是受大气延迟校正不完善的影响，但整体具有一定的规律性。从图6看出像元点的变形值精度为亚毫米级，最终的变形保持在2 mm以内，这与累计视线向位移图结果一致。

(a)P1雷达视线向时间序列

(b)P2雷达视线向时间序列

(c)P3雷达视线向时间序列图6 P1～P3雷达视线向时间序列

4 结 论

地基合成孔径雷达采用步进频率连续波信号体制实现距离向的高分辨率，同时保证雷达波的长距离传输，在获取目标微小形变方面具有很大的优势，现已在大坝、桥梁、边坡等工程的变形监测中得到广泛应用。通过对隔河岩大坝2 d 23 h 47 min的连续观测，得到大坝观测时间内的累计视线向位移。实验结果表明GBInSAR技术可获得变形区域高空间密度的变形信息；GBInSAR技术全天时全天候的连续观测能力，在大坝变形监测方面具有广阔的应用前景。

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[责任编辑：李铭娜]

Application research of GBInSAR in dam deformation monitoring

GUO Leping, YUE Jianping, YUE Shun, QIU Zhiwei, WANG Xueqin

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

In order to evaluate the working behaviour of hydraulic structure, the deformation and stress information concerning its high precision are needed. In this paper, according to the characteristics and requirements of the dam safety monitoring, the constitution and the basic principle of measurement of the GBSAR monitoring system have been introduced. The measurement error sources and characteristics of the system have been analyzed. The feasibility of GBInSAR technology used in dam deformation monitoring has been discussed. By taking the measured data during three days of Geheyan dam as an example,it analyzes the actual measurement precision of the technology can reach millimeter level, and the technology can meet the accuracy requirement of the dam deformation monitoring.

deformation monitoring; GBInSAR; dam; LOS displacement; time series

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.02.014

2015-11-24

国家自然科学基金资助项目(41174002)；湖南省重点实验室开放研究基金资助项目(PKLHD201311)；中央高校基本科研业务费项目(2013/B14020383) .

郭乐萍(1991-)，女，硕士研究生.

P231

A

1006-7949(2017)02-0062-04

引用著录：郭乐萍，岳建平，岳顺，等.GBInSAR在大坝变形监测中的应用[J].测绘工程，2017，26(2)：62-65.