InSAR与北斗技术监测水库坝体表面变形研究

王明洲 深圳市水务规划设计院股份有限公司

1.引言

根据2014年全国水利发展统计公报，我国已建成各类水库约9.7万座，其中约90%为土石坝，于此同时，大坝事故中土石坝的比例高达70%。土石坝建成后的安全运行维护成为当前重要任务，其使用期长达几十年，有的甚至上百年，疲劳效应与突发效应、材料老化、环境侵蚀和荷载的长期效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致坝体结构损伤，如何及时的发现坝体结构的变化并及时采取措施，则需要相关的安全监测手段提供依据。土石坝表面变形监测是安全监测的重要内容。变形监测传统的技术手段为全站仪和水准仪对坝体表面设计的特定观测墩开展季度或年度的观测监测，变形监测所需的参考点和基准点通常需要设立在坝体周边的基岩上并且需要与观测墩之间具有良好的通视条件。

雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)已成地表变形监测的一种有效方法。与传统监测手段相比，雷达干涉测量技术具有全天候、高精度、大范围、面覆盖等监测优势。已有若干学者对利用雷达卫星影像对大坝变形监测开展了研究，王腾等采用3 米分辨率TerraSAR-X影像对三峡大坝表面进行变形时序分析研究，研究表明InSAR时间序列可以mm级精度提取到大坝的变形。

北斗技术在实时性和三维高精度变形监测方面具有优势。在大坝北斗/GNSS变形监测方面，目前已有较多的成功案例。1998年，刘经南等利用GPS获取了清江隔河岩大坝的受洪水压力导致的变形结果，很好的指导了滞洪与坝体安全评估工作。2012年，姜卫平完成了西龙池沥青混凝土堆石坝GPS变形监测系统的软件平台建设，相关的坝体表面变形实时监测精度达到国际先进水平。

深圳地区有大中小型水库180余座，水库下游人口众多，大部分水库坝体都需要开展表面变形监测，以确保安全。随着InSAR技术的逐步成熟以及GNSS终端国产化水平的提高，这两种技术融合的坝体表面变形监测将能很好的服务水库群坝体的表面变形工作。本文选取了深圳市两座土石坝，开展了InSAR时序分析技术和GNSS技术监测土石坝表面变形研究。

2.InSAR与北斗变形监测方法

InSAR时序分析技术通过提取雷达影像中相干目标点的相位数据，并进行干涉、差分干涉和回归分析统计，来提取变形参数和时序变形序列。InSAR时间序列分析技术的数据处理流程主要分为永久散射体选取、同分布散射体选取、时空同质滤波、时序相位重估、参数估计与相位解缠、大气相位去除等。对于永久散射体的选取主要采用振幅离差法，首先对SA R影像进行相对辐射校正，并设置振幅离差指数作为阈值选取永久散射体目标点。对于同分布散射体选取主要采用KS检验方法。基于强度影像序列进行KS检验，选取窗口内后向散射特征相近的像素点作为同分布目标点。

北斗高精度解算的主要误差源有卫星和接收机钟差、卫星星历误差、电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等。短基线解算时，采用双差的数据处理策略，消除卫星和接收机钟差以及削弱与基线长度相关的轨道误差、对流层、电离层误差，采用相对于各卫星轨道重复周期的观测值域滤波方法，削弱多路径误差，获取高精度定位结果。数据解算时，对于北斗观测数据，首先使用伪距单点定位计算全部站点初始坐标，然后重新进行观测值的线性化，再进行数据质量编辑，获得干净的每个弧短都满足最小长度要求的观测值，再进行法方程的叠加，获得整体解的法方程，求取实数解，再基于LAMBDA法固定模糊度，滤波输出时段解。

3.土石坝表面变形监测结果与分析

3.1 InSAR 监测土石坝表面变形

图1 InSAR数据处理流程

长岭陂水库主坝体于2008年开始进行扩建工程，并于2010年完工，2011年重新蓄水。改造后的水库坝体坝顶长度达到750米，相对于地面高差约30多米。水库主坝为砼防渗心墙土坝，主要由泥土和砂砾垒砌而成。在其改建完成后一年多时间内，坝体由于自身重力作用出现2～3cm的沉降和水平位移（水准，全站仪观测结果）。本文收集了为期一年的条带模式升轨TerraSAR-X（21景）和降轨COSMO-SkyMed（26景）数据，均全面覆盖了长岭陂水库坝体。考虑到水库坝体表面地物（草地和水泥面）后向散射信号弱的特点，本文采用基于永久散射体和同分布散射体的雷达影像时间序列分析技术对主坝体表面变形进行分析。获取的水库坝体表面的线性变形速率分别如图2所示。InSA R技术可在水库坝体表面获取高密度的监测点，提高监测结果的空间分辨率。另外，在坝体中间的背水面，TerraSAR-X影像所获取的相干点数量有限，主要是受坝体在雷达视线方向透视收缩效应的影响。

图2 TerraSAR-X卫星与COSMO-SkyMed卫星获取的坝体表面变形速率图

图3 纵断面沿坝轴线方向（X，Y方向）一年期变形过程曲线

从图2可知，在监测期间内，长岭陂水库主坝体存在较大的变形，尤其在水库坝体的坝顶位置。在2011年7月至2012年6月期间，TerraSAR-X卫星在坝体表面监测点的最大变形速率可达到-28 mm/year；在2011年7月至2012年4月期间，COSMO-SkyMed卫星在坝体表面监测点的最大变形速率可达到-30 mm/year。两种卫星获取的坝体表面变形速率的空间分布和量级略有差异，这主要是因为两者升降轨方向不一致和入射角不一致引起。后续的研究中，可考虑水库坝体几何结构以及雷达视线夹角之间的关系等因素，来研究升降轨雷达影像监测结果的融合，以提取土石坝体表面的三维形变场。

3.2 北斗监测土石坝表面变形

本文收集了茜坑水库北斗/GNSS变形监测系统自2015年8月建成以来的GNSS 数据，对2015年9 月至2016 年8 月累计变形数据进行了分析。本文着重分析了1#纵断面所在的4个GNSS监测站（AL101,AL201,AL301,AL501）的X,Y,Z方向的一年期变形监测结果，需要指出的是这里的X,Y,Z为坝体独立坐标系。

从图4可以看出，该纵断面上各监测点X、Y、Z方向上累计变形波动均较小，各点同一方向变形呈较好的一致性，各点Y方向累计变形与水库水位表现出较强的相关性，其受水位变化造成的变形可达5～8个mm，可以看出，该断面上Y方向变形与时效和水位因子均呈较强的相关性；X和Z方向变形与时效和水位因子均没有较明显的相关性。

图4 纵断面竖直方向（Z方向）累计变形过程曲线

4.结论

本文通过应用InSAR时序分析了长岭陂主坝填筑后一年自重引起的垂向位移，最大位移可达3cm，与人工观测数据具有较好的一致性。通过升降轨数据的对比分析可知，土石坝斜坡表面InSAR获取垂向位移受到雷达视线向透视收缩的影响，需要进一步采用精化的坝体DEM和影像地理编码进行纠正，对茜坑水库坝体北斗观测数据进行分析，结果显示短距离差分的北斗基线结果可以达到mm级的精度。位于坝顶的观测墩在水位下降约10m时，向上游产生6～8mm的水平位移，随着库水位的回升该水平位移也同时反方向恢复。随着水库坝体观测墩GNSS数据的长期积累，将会有更多的现象通过GNSS数据发现。