基于InSAR技术的江苏水闸垂直位移监测方法可行性探讨

杨 星 肖怀前 侯 苗 缪融融 翁松干 张泽雄

1 江苏省水利科学研究院，南京市南湖路97号，210017 2 江苏省淮沭新河管理处，江苏省淮安市深圳路8号，223005 3 河海大学水利水电学院，南京市西康路1号，210024

水闸是一种常见的水工建筑物，可承担防洪、排涝、灌溉等重要作用，是保障水资源安全、防洪排涝安全、堤防工程安全以及垦区灌排的重要设施。垂直位移观测是水闸安全监测的基本项目，也是甄别水闸异常状态、发现水闸险情的靶向因子。实施水闸变形监测，动态掌握其形变趋势，有利于水闸安全、有效地运行。合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)是基于雷达遥感的新型空间对地观测技术[1-2]，与传统水准测量相比，InSAR具有监测范围广、监测持续性强、受天气影响小等优点。在建筑物密集地区，InSAR具有较高的水准采样密度和监测频率，更容易识别地面沉降的分布规律以及动态发展规律[3]。另外，InSAR技术还具有较高的垂向测量精度[4-5]。随着InSAR技术的不断改进，特别是PS-InSAR[6]、SBAS-InSAR[7-9]等技术的快速发展，加上采用修正算法与水准、GPS数据融合处理[10]等，使得InSAR技术在精度提升的同时亦扩展了该技术在工程领域的应用[11-12]。

受地面下沉、水准点不稳定等问题的影响，水闸垂直位移观测会出现失真现象，导致水闸上浮和下沉难以判断，对水闸结构的后期运行维护产生误导作用，影响水闸的安全运行，因此亟需完善水闸垂直位移的观测方法。但目前关于我国水闸及水闸群沉降的InSAR监测技术的应用研究较少，为此本文以江苏省淮沭新河管理处管辖范围内的水闸为例，开展InSAR水闸连续形变监测，论证InSAR作为水准测量辅助手段的可行性。

1 研究区与SAR数据源

1.1 研究区概况

本文选取淮沭新河管理处下辖的南深泓闸(1999年)、中深泓闸(2007年)、北深泓闸(1999年)、二河闸(1958年)以及淮阴闸(1959年)等5座水闸作为研究对象，水闸位置如图1所示。研究区内分布较多耗水型企业，地下水抽取较为严重，地面存在下沉现象，从而影响水闸垂直位移观测精度。2006年，淮沭新河管理处在对新沂河海口枢纽工程(南深泓闸、中深泓闸、北深泓闸)进行日常观测时发现，水闸存在上浮现象。2011-03经重新观测后，又将工程由上浮校正为下陷，其原因为地下水大量抽取，导致地面下沉，同时水准点本身也存在沉降现象。为此，管理处在工程附近按照岩基点布置要求重新布置水准点，但在2017年岩基点周围地面又出现明显的下沉，这对工程的挡潮高度复核观测产生严重影响。

图1 案例水闸的位置Fig.1 Location of sluice cases

1.2 SAR数据源

本文以欧洲委员会(EC)和欧洲航天局(ESA)的Sentinel-1雷达卫星为数据源，时间跨度为2015-04～2020-01，共129景升轨影像数据(表1)。利用PS-InSAR影像处理技术，形成PS点位置和沉降量数据。

表1 监测区域SAR数据基本参数

2 PS-InSAR处理方法

根据PS-InSAR原理，对K+1幅SAR影像进行配准、辐射定标、PS探测和干涉处理，得到K幅干涉和差分干涉图、H个PS点以及各PS点在各差分干涉图中的差分干涉相位集。在考虑地表形变、高程误差和大气影响等情况下，根据每个PS点在每幅差分干涉图上的差分干涉相位组成，建立其高程误差和线性形变速率的函数模型，据此得到每个PS点相对于主参考点的形变速率和高程误差。PS-InSAR数据形变值中正值表示监测点朝卫星视线方向运动，负值表示沿卫星视线方向运动。一般情况下，下沉会使卫星到监测点的视线距离变大，上浮会使卫星到监测点的视线距离减小。图2为PS-InSAR水闸垂直位移监测与成果分析流程。

图2 PS-InSAR方法水闸垂直位移观测与成果分析流程Fig.2 Flow chart of sluice vertical displacement observation and result analysis based on PS-InSAR method

3 观测结果分析

以2015-04-08为初始测量时刻，利用PS算法对5座水闸及周边区域进行处理，获取2015-04-08～2020-01-12近5 a研究区平均形变速率以及累积形变量。通过分析可知：1)沉降速率为-58.3～34.7 mm/a，68%的PS点集中在-3～3 mm/a(负值代表下沉，正值代表上浮)；2)累积沉降量为-252.3～177.3 mm，93%的PS点集中在-30～30 mm；3)研究区内大部分区域处于较稳定或整体缓慢下沉状态，部分区域存在上浮现象。

根据PS-InSAR处理结果，进一步分析近5 a各水闸的垂直位移变化趋势。选择淮阴闸4个累积沉降量波动最大的PS点，从图3可以看出，各点并无明显上浮或下沉趋势，表明该水闸近5 a来整体相对稳定。选取二河闸3个累积沉降量波动最大的PS点进行分析，从图4可以看出，该水闸近5 a来也处于相对稳定状态。对比孔宪宾等[13]基于水准测量的研究结果可知，2座水闸建成初期均表现为上浮状态，但从总体来看，2座水闸基本围绕某一固定值小幅波动，具有一定稳定性，与InSAR结论一致。

图3 淮阴闸累积形变曲线Fig.3 The cumulative deformation curves of Huaiyin sluice

图4 二河闸累积形变曲线Fig.4 The cumulative deformation curves of Erhe sluice

基于更早期资料，采用存档ENVISAT雷达降轨数据，拍摄时间为2008-11～2010-10，采用SBAS-InSAR技术进行处理。结果表明，平均沉降速率主要集中在-3～3 mm/a，说明二河闸及其周边区域呈现较稳定状态。

北深泓闸、中深泓闸、南深泓闸同属新沂河海口枢纽工程，位于新沂河出海口，是沂沭泗流域洪水东调工程的重要组成部分。下文仅以中深泓闸为例，对比水准测量结果，分析InSAR技术的合理性。在左、右岸共选择3个不同部位的PS点进行分析，从图5可以看出，该水闸近5 a处于下沉趋势，其中2018年以后呈现小幅波动状态。由2015～2020年中深泓闸垂直位移累积结果可知，沉降幅度为25.3～75.1 mm，呈现下沉趋势，但整体趋于稳定。对比InSAR结果可知，3个点的沉降幅度为28.2～53.5 mm，基本可反映水闸的变形量，两者趋势基本一致。北深泓闸和南深泓闸的分析结果与此类似，因此不再赘述。

图5 中深泓闸累积形变曲线Fig.5 The cumulative deformation curves of Zhongshenhong sluice

4 结 语

本文选取淮沭新河管理处管辖范围内的南深泓闸、中深泓闸、北深泓闸、二河闸及淮阴闸5座水闸为例，以Sentinel-1雷达卫星为数据源，探讨InSAR技术作为水准测量辅助手段的可行性。结果表明，InSAR作为一种辅助的技术手段，与水闸垂直位移变化趋势基本一致。PS-InSAR技术可用于大范围、长周期地表细微形变测量，精度可达mm级，但对于沉降速率较快的形变监测存在局限性，特别是偏远地区建构筑物，同时InSAR测量技术在测量精度方面也存在一定局限。

因此，将InSAR技术作为一种水闸水准测量的辅助手段具有可行性。InSAR技术在测量频率和测量尺度方面具有一定优势，适合在地面下沉、水准点不稳定的江苏北部地区使用，同时也适用于水闸群安全状态的高效便捷监测，值得后续进一步探讨和推广应用。