1、关于地基 InSAR 新技术及水利工程变形监测应用的研究 孙建勋 郑会歌 中水北方勘测设计研究有限责任公司 中竞发(北京)工程造价咨询有限公司天津分公司 摘 要： 水利工程是中国建筑工程的重要构成部分, 针对部分规模较大的水利工程, 变形监测始终是变形观测的难解问题之一。本文针对地基 InSAR 新技术, 进行简要叙述, 首先分析该技术原理, 对其主要特征进行阐述。为展现该技术优势, 列出应用范围, 结合具体水利工程, 对该技术在水利工程变形监测方面应用进行叙述。关键词： 地基 InSAR 技术; 水利工程; 变形监测; Research on application of foundatio
2、n InSAR new technology and water conservancy engineering deformation monitoringSUN Jianxun ZHENG Huige Bei Fang Investigation, Design Zhongjingfa (Beijing) Engineering Cost Consulting Co., Ltd., Tianjin Branch; Abstract： Water conservancy project is an important part of construction engineering in C
3、hina, and the deformation monitoring aiming at some water conservancy projects with larger scale is always one of the deformation observation problems. In the paper, new technology of foundation In SAR is briefly narrated. Firstly, the principle of the technology is analyzed, and main characteristic
4、s thereof are described. The application scope is listed, specific water conservancy projects are combined, and the application of the technology in water conservancy engineering deformation monitoring is described in order to show the advantages of the technology.Keyword： foundation InSAR technolog
5、y; water conservancy engineering; deformation monitoring; 1 In SAR 新技术涵义In SAR (合成孔径雷达干涉测量) 是指利用同一地区不同期次 SAR 数据中的相位信息进行干涉测量的技术。In SAR 技术以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源, 获取地表的三维信息和变化信息。InSAR 通过两副天线同时观测 (单轨模式) , 或两次近平行的观测 (重复轨道模式) , 获取地表同一景观的复图像对。由于目标与两天线位置的几何关系, 在复图像上产生了相位差, 形成干涉条纹图。干涉条纹图中包含了斜距向上的点与两天线位置之差的精确信
6、息。因此, 利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系, 可以精确地测量出图像上每一点的三维位置和变化信息。水利事业是中国国民经济的基础产业。水利工程在中国防洪减灾中发挥着重要作用。为确保水利工程安全、稳定运行, 管理机构要对水利工程开展变形监测。现阶段变形观测方法包括空间测量、地面测量、地面三维激光扫描等, 虽然在过去发展中, 这些方式方法发挥了重要作用, 却各自受限。如:空间测量受限于外部环境;地面测量工作环境为野外, 工作量繁重;激光扫描技术运用信息技术, 但因为距离因素引发的问题成为其短板。地基 In SAR 技术相较于上述传统方式, 其先进性尤为显著, 具备测量范围
7、广、操作自动化且具有较高精度等优势, 为变形观测指出了新的发展方向。2 In SAR 新技术应用范围In SAR 技术起初的设计意图在于实现对地球表面的进一步观测, 当前由于该技术优势明显, 有利于人类对自然环境观测的清晰化, 在各领域的应用收获颇丰, 水利、变化监测、地震活动以及极地等领域广泛推广。In SAR 技术的应用范围大体可以归为以下几方面。2.1 数字高程模型获取该技术的研发体现了监测领域的先进性发展, 运用该技术能够实现对不同区域全天候、大面积、精准度高且全天时的监测, 对于部分区域监测不便情况, 该技术优势更加显著。美国航天局于 20 世纪开始, 采用 In SAR 技术在环境
8、各异的条件下进行研发工作, 获取丰富的报告成果。运用此技术航拍, 获取世界各地不同资料, 同样起源于美国。In SAR 技术的首次应用就为美国获取了地球面积 80%以上的影像数据, 真切体现了该技术应用过程中的大面积、精度高、速度快的特性 (见图 1) 。图 1 SRTM 数据覆盖范围 (深色区域) (JPL 网站) 下载原图2.2 地图测绘以往传统测绘方式、方法的应用在取得一定成果的同时, 也存在部分弊端, 如:周期长, 投入人力和物力大、监测精确度低等。In SAR 技术的应用却能够有效解决此类问题, 在满足实际需求方面, 若地势平坦, 能够获取 2m 左右精确度, 若是地形地势具有高低起
9、伏, 获取精确度约为 5m, 对于现阶段监测要求完成度较高 (见图 2) 。2.3 海洋应用方面海洋领域应用 In SAR 技术能够对海浪的方向与表面流速等进行精准测量, 从而根据海洋领域各项数据预测洋流走向等, 对于海浪高度计算优势明显。海洋领域在该技术的应用方面不仅可以对海浪等进行监测, 还能够针对舰船与海岸线的情况实施动态监测。图 2 In SAR 提取的 DEM (每个干涉条纹代表 160.00m 高程) 下载原图2.4 地球动力学应用方面2.4.1 地震形变的应用地球动力学应用方向之一就是地震形变, 主要涉及同震、震中与震后三方面研究。地震形变测量中 InSAR 技术的应用, 是地表
10、形变场观测的首次尝试, 开创了应用的开端。自此以后各国人员对地震形变场中 In SAR 技术的应用展开广泛研究, 充分证明该技术在地震形变场方面的应用具有较高效率。在过往地震研究中, 引用该技术的有加利福尼亚州 1993 年地震、中国西藏 1997 年发生的玛尼地震, 还有最为人瞩目的 2008 年汶川大地震。参考依据与可靠数据都是通过In SAR 技术获取, 主要为同震与震后数据资料, 加深对地震形成与未来趋势预判, 因为地震主震形成的地表形变, 加之形变模型所做出的模拟结果, 进一步对形变场进行分析, 更为精确地对震源参数进行分析, 归结地震发生原理, 进而能够对地震的周期与演化过程充分掌
11、控, 减少自然灾害造成的损失。2.4.2 火山研究火山作为自然活动之一, 能够形象反映出地质形变情况。经过我们对火山运动规律的分析, 研究人员可以依据观测数据, 对火山的未来走向进行预测。InSAR技术的应用可以为人类再现火山的形变情况, 有助于人类研究地壳变化。有效应用该技术的有著名的意大利 Ena 火山 (见图 3) 与冰岛断裂火山等。图 3 In SAR 监测 Ena 火山运动 下载原图2.4.3 冰川应用冰川同属地质活动之一, 冰川研究方面应用 InSAR 技术可以保证相关监测数据的完整性、精确性以及高分辨性, 以此对冰川活动与其他变化特征有效测量。著名研究学者 Gold Stein
12、于 1993 年第一次在缺少控制点的前提下, 对冰流的速度进行监测, 后续相关学者在应用该技术的基础上, 分别从冰川变形、温带冰川与冰流速度等方面展开了一系列分析与研究。2.4.4 细微地形应用In SAR 技术在细微地形变化方面的应用涉及滑坡与地面沉降等形变, 该技术在这方面的应用要追溯到 1996 年, 此为该技术对中等滑坡体运动能力确定的第一次验证。Refice 学者针对意大利南部的滑坡现象展开了一系列研究, 提出植被覆盖、试验区小尺度与大气影响等方面影响, 造成进行过程中相位失相干, 以及时间与分辨率有所区别的不足。从地面沉降方面分析, 发生该情况的原因在于对承压含水层的水量过度开采,
13、 从而形成地质灾害。3 隔河岩大坝变形监测实验3.1 大坝实验数据采用 2013 年 7 月 27 日 20 时到 8 月 2 日 11 时在隔河岩水利工程区域获取的1330 景地基 SAR 影像进行变形监测实验, 图 4 中 (1) 为大坝坝体, (2) 为电站与边坡阶梯, (3) 为 2 级升船机及中间错船渠。图 4 IBIS-L 数据采集场景 下载原图对相邻地基 SAR 影像进行干涉处理 (见图 5) , 利用相干系数和幅度离差指数阈值法, 提取高质量相干目标, 根据大坝监测组提供的垂线及全站仪监测信息, 选择 3 个相干点, 分布如图 6 所示, 作为稳定点控制点 (GCP) , 采用
14、基于稳定点加权法进行大气延迟校正。图 5 地基 SAR 能量 下载原图图 6 累计变形 下载原图3.2 监测结论根据图 6 与图 7 展现效果图, 得出以下结论:a.进行试验的地带, 其构成主体大多为水泥建筑物或裸露岩石, 鉴于地基地势有利, 地基的 SAR 回波信号源相对较强, 相干性较好, 由此形成的累积形变图在空间密度方面有较高精确度。图 7 P1P4 雷达视线向形变时间序列 下载原图b.通过监测数据分析, 监测像元并未发生趋势性形变, 监测像结果与大坝监测中心的结果相一致, 不过并非完全一致, 某些像元形变值存在很大程度的波动, 呈现出一定的规律。根据分析, 与大气延迟校正完善度不高有
15、关系。4 结语地基合成孔径雷达技术的实质为采用干涉测量技术, 达到收获微小形变的作用, 是有效方式之一, 其不仅应用于水利工程中, 也应用于桥梁工程等监测工作中。上文中提到, 因为传统形变观测方式具备固有缺陷, 而 In SAR 监测新技术有广阔的发展前景, 应用工作效率更加高效。水利工程是中国重点发展的项目之一, 技术的不断更新有利于提升工作效率, 解决实际供需问题, In SAR 新技术的应用有积极的现实意义。参考文献1廖明生, 林晖.雷达干涉测量原理与信号处理基础M.北京:测绘出版社, 2003. 2邱志伟, 张路, 廖明生.一种顾及相干性的星载干涉 SAR 成像算法J.武汉大学学报 (
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