基于时序InSAR技术的三峡大坝及周边地区形变监测

李伟学

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

随着大坝广泛而持久的使用，各种技术已经逐渐成熟，其中安全监测技术也得以高速发展，在高新科技的投入下，已经确立了完善的安全检测体系，也进行了许多深入的科学研究。三峡大坝作为我国最大的水电工程，其安全重要性自然不言而喻。国内外很多学者采用SBAS-InSAR、D-InSAR等技术对三峡大坝进行变形监测，证明InSAR形变监测方法在水库安全状况普查及形变历史回溯等工作中具有巨大的应用潜力。

本文采用InSAR中的另一种技术——PS-InSAR技术，对三峡大坝周边的地表形变进行变形监测。对数据进行处理后，利用得到的测区的整体形变图和形变量时序图，对三峡大坝周边的地表形变进行研究，分析产生形变地区的原因，并给出安全建议。

1 研究区域概况

三峡大坝位于我国湖北省宜昌市三斗坪镇境内，距下游葛洲坝水利枢纽工程38 km，是当今世界最大的水利发电工程——三峡水电站的主体工程、三峡大坝旅游区的核心景观、三峡水库的东端。三峡大坝工程包括主体建筑物及导流工程2个部分，全长约3 335 m，坝顶高程185 m，工程总投资为954.6亿元，于1994年12月14日正式动工修建，2006年5月20日全线修建成功。本文研究范围在东经 110°99′～111°04′、北纬 33°80′～33°84′之间，占地面积约为19.35 km2[1]。三峡大坝及周边地区示意见图1。图中，监测点A位于关门洞地区，点B位于银杏沱村地区，点C位于大坝坝体上。

图1 三峡大坝及周边地区示意

2 InSAR及PS-InSAR基本原理

SAR(Synthetic Aperture Radar)即合成孔径雷达，是一种主动式的对地观测系统， 通过沿着1条直线移动天线，对同一地物多次成像，把同一地物的多次成像合成为一幅图像，等效于增大天线，形成1根很长的天线，从而改善分辨率。利用SAR发射和接收电磁波干扰的技术称为干涉合成孔径雷达或InSAR。InSAR是常规SAR技术和射电天文干涉技术的结合，需要2景或多景SAR数据(1个任意选择的参考图像或主图像，以及1个或多个其他图像称为从图像)，主要使用其中的相位信息。在合成孔径雷达中有3种测量模式：交叉轨道干涉法、沿轨道干涉法和重复轨道干涉法。如果雷达发射的微波频率2次相等，成像时不会中断，平台轨迹大致平行，收敛时雷达的振动方向几乎沿同1直线，收敛时2个雷达波相互干扰。InSAR利用雷达波的这种干扰现象，从稍有不同的角度对同一区域成像至少2次，并利用2幅图像上各像素相位信息的差异提取地面特征的相对高度[2]。

为克服常规D-InSAR技术存在的时空失相干和大气延迟相位，Ferretti等于2000年提出PS-InSAR方法，其基本思想是通过从覆盖同一研究区的多景SA干涉图像中，识别并提取散射特性稳定的永久散射体(如人工建筑物、岩石等)，这些永久散射体可以在长时间间隔内保持高相干，且其相干性不受空间基线的影响，从而克服常规 D-InSAR技术存在的时间失相干和空间失相干问题，极大地增加了数据的利用率。PSI技术的基本步骤包括：PS候选点的查找；估计并去除大气效应；计算DEM误差和PS点视线方向的移动速度以及提取PS点构成不规则格网。识别PS是整个技术流程的关键，PS点过多或过少都对测量精度有很重要的影响。通过计算由PS拟合生成的格网图并剔除大气效应贡献值是整个技术流程最有意义的步骤。该技术的流程为，每景影像根据主影像配准并生成参考DEM，计算ASI，生成PSC的不规则格网，抑制大气效应的影响，识别PS点和生成平均偏移率图[3]。

3 试验数据及数据处理流程

基于PS-InSAR 技术的形变速率提取流程见图2。其提取流程为：

图2 形变速率提取流程

(1)数据预处理。通过得到的经纬度信息，对原始SAR影像进行裁剪，得到研究区域的影像。

(2)多视数处理。因为从1个像元散射出的雷达回波信号的相干叠加，造成了强度信息出现不少噪声。多视处理是平均始状态的数据在数据方位向和距离向上的一些像元，呈现的结果是多视后的强度结论。经过多视处理给予的单视复(SLC)影像，降低了空间分辨率，但提升了数据的辐射分辨率，也就是强度信息。本文所进行的多视数处理采取5∶1的多视比例。

(3)地理编码。各种几何特征会在SAR影像上呈现不同程度的畸变，为消除这些几何畸变，可以利用地理编码的手段。本文利用NASA提供的SRTM-DEM数据对SAR数据进行地理编码，校正后得到WGS84坐标系下的地理编码图像。地理编码前后的强度见图3。

图3 地理编码前后的强度

(4)基线选择。本文利用多主影像的方法进行干涉处理，时间基线越长，导致去相干现象越严重。因此，将时间相邻的SAR影像组成干涉对，共形成了135对干涉对。

(5)差分干涉处理。使用干扰处理处理所有干扰对，可以通过外部DEM模拟获得地形阶段，并将其从干扰阶段中删除，从而获得差分干扰阶段。

(6)时维解缠。将PS点网格合并，相邻PS点的相位为二阶差分时，进行时维解缠，获得绕线阶段的线性变形相位和高程残留相位。

(7)非线性变形的获取。大气相位、轨道相位、非线性变形相位和其他噪声相位仍保留在剩余相位中。关于大气相位，由于大气相位受海拔高度的影响，大气相位区域可以分为大气相位和随机相位，并且大气相位和海拔之间有高度相关的线性关系，可以通过拟合DEM数据去除(见图4)。其他噪声相位可以通过滤波去除。去除所有类型的噪声相位后，即可获得非线性形状变量。

图4 大气改正

(8)形变相位获取。将PS点的线性形变相位和非线性形变相位叠加，即可得到总的形变相位，根据相位和形变量的关系，即可得到形变量，提取得到形变序列。

4 结果分析

4.1 测区整体形变

利用2018年1月6日～2020年4月25日期间的66景哨兵1号卫星影像，基于PS-InSAR技术，对三峡大坝周边的地表形变进行了变形监测，将PS点状态分布图与实际影像图合成，即得到了测区的整体形变图(见图5)。从图5可知，三峡地区整体呈现比较稳定的状态，绝大多数地区都没有或只发生细微的形变，可见相关部门的运维监测工作做得十分到位。但是，也有一些区域存在一定程度的形变，以下针对测区中出现形变的区域进行重点分析。

图5 测区整体形变

4.2 形变区域

(1)从测区整体形变图可以发现，关门洞地区较其他地区相比明显出现了一些沉降。该地区的形变速率见图6。从图6可知，关门洞地区的形变量呈线性增加的趋势，在近两年累积了约40 mm的形变。关门洞地区位于大坝上游，正是大坝蓄水最多的地方。同时，该地区在长江沿岸，土质可能相对松软，含水量比较大，又在大坝上游，没有坝体本身那么坚固的构造，所以会出现很明显的沉降。

图6 监测点A形变量时序

(2)从测区整体形变图也可以发现，银杏沱村地区较其他地区相比同样明显出现了一些沉降，该地区的形变速率见图7。从图7可知，银杏沱村地区的形变量也是呈线性增加的趋势，在近两年累积了约50 mm的形变。银杏沱村地区位于长江转弯处，也是大坝上游，蓄水量大而且会遭受水流的冲击。同时，该地区也在长江沿岸，土质可能相对松软，含水量比较大，该区还存在码头等建筑，可能会出现高质量的货物运输，所以会产生更大的沉降。

图7 监测点B形变量时序

(3)大坝本身的形变。监测点C的形变量时序见图8。从图8可知，大坝本身几乎没有出现形变，说明大坝本身是非常坚固的。

图8 监测点C形变量时序

4.3 整体分析

对基于PS-InSAR技术得到的三峡大坝及周边地区的形变及其特征进行分析，结果表明：

(1)大坝的蓄水以及本身的质量会对周边地区产生一定影响，从而出现一定的线性形变，不断累积达到了-50 mm。

(2)大坝本身几乎没有受到过多影响，几乎没有形变产生。相关部门应把运维工作的注意力集中在大坝周边地区，加强对大坝周边形变的监控，避免潜在的安全隐患，消除大坝的负面影响。

(3)三峡大坝投入使用多年，整体安全维护十分优秀，没有突出的安全隐患。

5 结 语

本文利用2018年1月6日～2020年4月25日期间的66景哨兵1号卫星影像，基于PS-InSAR技术，对三峡大坝周边的地表形变进行了变形监测，基于干涉点目标分析技术获取三峡大坝及周边地区形变速率，得出结论：

(1)使用InSAR技术可以对已修建大坝及大坝周边地区进行大范围的变形监测，可以发现潜在的变形区域。

(2)周边地区监测到的几个形变区域主要是位于北岸太平溪村周边和南岸秭归县周边；大坝附近大部分区域在本研究期间的形变量很小，坝体本身形变比大坝周边地区形变小，大坝本身基本没有形变。

需要注意的是，进行调查的影像面积很大，多视数也比较大，对于发现区域内的形变存在一些困难。三峡大坝周边以丘陵地区为主，受到了几何畸变的影响，对于不同轨道的影响敏感性也不同。研究区域覆盖范围不够，从形变序列图可以看出，研究区域覆盖范围的边界已经出现形变，说明区域外侧也很有可能存在形变，下一步应该扩大研究区域。同时，研究的重点也更应放在大坝周边的地区，因为坝体相对而言形变较小。