劉 峰， 李 大 宏， 黃 張 裕， 段 兵 兵

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

面向智慧流域的“陸水空天”安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)研究

劉 峰1， 李 大 宏1， 黃 張 裕2， 段 兵 兵3

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

智慧流域?yàn)閭鹘y(tǒng)水電工程安全監(jiān)測(cè)行業(yè)注入了新功能，同時(shí)也對(duì)安全監(jiān)測(cè)信息服務(wù)提出了新要求。推動(dòng)安全監(jiān)測(cè)專業(yè)供給服務(wù)能力提質(zhì)增效升級(jí)，首先需要加快與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、時(shí)間序列InSAR、無人機(jī)低空遙感、地基InSAR、多波束測(cè)深系統(tǒng)等空間信息技術(shù)的深度融合，著力形成涵蓋航天、低空、水面、水下、地面、地下的“陸水空天” 多平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)體系，進(jìn)而構(gòu)建智慧監(jiān)測(cè)專題服務(wù)系統(tǒng)，為智慧流域建設(shè)與運(yùn)行提供高效、協(xié)調(diào)、智慧的安全監(jiān)測(cè)服務(wù)。

智慧流域；智慧監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)獲??；空間信息

1 概 述

自2008年IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出智慧地球(Smart Earth)概念以來，由其而衍生出來的智慧中國(guó)、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧流域、智慧大壩等一系列新型理念在我國(guó)廣泛掀起并形成井噴局面。作為智慧地球的具體體現(xiàn)形式之一，智慧流域是流域信息化發(fā)展的高級(jí)階段，是由作為流域信息化基礎(chǔ)的數(shù)字流域、能夠?qū)崿F(xiàn)流域信息全面實(shí)時(shí)感知的物聯(lián)網(wǎng)、能夠高效智能處理海量數(shù)據(jù)信息的云計(jì)算、能夠及時(shí)有效提供智慧服務(wù)的可視化智能分析系統(tǒng)等組成的流域新型生態(tài)系統(tǒng)。

智慧流域建設(shè)為后水電時(shí)代傳統(tǒng)水電水利行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)注入了新動(dòng)能，水電水利行業(yè)部門只有強(qiáng)化需求導(dǎo)向與問題導(dǎo)向，主動(dòng)革新專業(yè)服務(wù)能力，催生新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)，才能使水電水利事業(yè)永葆生機(jī)活力。安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是流域地理空間重大水工建筑物與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、反演反饋、健康診斷、隱患識(shí)別、災(zāi)害預(yù)警等智慧服務(wù)的重要數(shù)據(jù)支撐，是智慧流域海量時(shí)空信息的重要數(shù)據(jù)源。

筆者針對(duì)智慧流域提出的新理念、新需求，全面總結(jié)了涵蓋航天、低空、水面、水下、地面、地下等多平臺(tái)的“陸水空天”安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)體系，重點(diǎn)分析了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)等空間信息技術(shù)及其在安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用思路，最后強(qiáng)調(diào)了構(gòu)建智慧監(jiān)測(cè)專題服務(wù)系統(tǒng)的目標(biāo)要求。

2 智慧流域?qū)Π踩O(jiān)測(cè)服務(wù)提出了新要求

在智慧流域新理念、新市場(chǎng)、新契機(jī)強(qiáng)勢(shì)沖擊下，安全監(jiān)測(cè)行業(yè)需要深刻認(rèn)知多尺度范圍覆蓋、一站式生產(chǎn)能力、智慧化專題服務(wù)、高效能應(yīng)急保障等新需求、新挑戰(zhàn)，主動(dòng)順應(yīng)新趨勢(shì)，解決新問題，實(shí)現(xiàn)新跨越，助力專業(yè)供給服務(wù)能力提質(zhì)增效升級(jí)。

(1)多尺度范圍覆蓋要求。

目前，水電工程安全監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要是針對(duì)水工建筑物和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)等局部性單體工程，而適用于大面積、全庫區(qū)、全流域的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)手段相對(duì)不足，因此需要加快與地球空間信息技術(shù)融合發(fā)展，構(gòu)建涵蓋航天、低空、水面、水下、地面、地下的“陸水空天”多平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)體系，并通過集成化智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，為智慧流域建設(shè)提供全面、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)、鮮活的安全監(jiān)測(cè)時(shí)空數(shù)據(jù)資源。

(2)一站式生產(chǎn)能力要求。

在智慧流域新引擎倒逼驅(qū)動(dòng)下，安全監(jiān)測(cè)生產(chǎn)單位若再繼續(xù)以粗放、狹隘、局部工序的監(jiān)測(cè)施工作為絕對(duì)重心，將越來越變得不可競(jìng)爭(zhēng)、不可持續(xù)、不可跨界、不可掌控全局、不可引領(lǐng)發(fā)展、不可捍守地位。唯有大力加強(qiáng)上游與下游、業(yè)內(nèi)與業(yè)外、國(guó)內(nèi)與國(guó)外資源的統(tǒng)籌力度，全面打造集“監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)→系統(tǒng)建設(shè)→數(shù)據(jù)獲取→數(shù)據(jù)處理→數(shù)據(jù)分析→數(shù)據(jù)挖掘”全工作流于一體的一站式安全監(jiān)測(cè)供給服務(wù)能力，才能在新市場(chǎng)中再立競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)。

(3)智慧化專題服務(wù)要求。

智慧流域的最終目的在于智慧應(yīng)用。安全監(jiān)測(cè)專業(yè)需要在智慧流域時(shí)空信息平臺(tái)框架下依托云計(jì)算能力和大數(shù)據(jù)技術(shù)，充分挖掘多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)中的高價(jià)值信息，聚行業(yè)之智研發(fā)智慧監(jiān)測(cè)專題服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)來源全面化、數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)化、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化、數(shù)據(jù)分析智能化、數(shù)據(jù)產(chǎn)品知識(shí)化、數(shù)據(jù)表達(dá)可視化、數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化，為智慧流域提供高效、協(xié)調(diào)、智慧的安全監(jiān)測(cè)服務(wù)。

(4)高效能應(yīng)急保障要求。

對(duì)流域空間突發(fā)災(zāi)情的高效能應(yīng)急保障是安全監(jiān)測(cè)部門的重要職責(zé)，圍繞“快速數(shù)據(jù)獲取、快速數(shù)據(jù)處理、快速分析反饋”的核心要求，安全監(jiān)測(cè)單位需要以戰(zhàn)略性高度推進(jìn)應(yīng)急裝備資源配置，提升應(yīng)急隊(duì)伍專業(yè)技能水平，不斷完善災(zāi)害應(yīng)急與減災(zāi)救災(zāi)體系，強(qiáng)化聯(lián)動(dòng)協(xié)作與信息互通，著力形成反應(yīng)迅速、運(yùn)轉(zhuǎn)高效、協(xié)調(diào)有序的應(yīng)急監(jiān)測(cè)保障機(jī)制。

3 “陸水空天”多平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)支撐

隨著水電工程安全監(jiān)測(cè)市場(chǎng)由云貴川走向藏青新、亞非拉，監(jiān)測(cè)尺度由局部單體工程走向全庫區(qū)、全流域，環(huán)境條件漸趨惡劣，生產(chǎn)成本持續(xù)增高，當(dāng)前以地面和地下(含結(jié)構(gòu)內(nèi)部)為主的常規(guī)離散式監(jiān)測(cè)手段顯得心有余而力不足。在智慧流域新需求倒逼驅(qū)動(dòng)下，務(wù)必大力推進(jìn)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)以及無人機(jī)低空遙感等空間對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)的消化吸收，逐步建成“陸水空天”多平臺(tái)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)供給能力提質(zhì)增效升級(jí)(表1)。

表1 “陸水空天”安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取的主要支撐技術(shù)表

3.1 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)的逐步完善并具備亞太地區(qū)PNT服務(wù)能力，多頻多模GNSS特別是BDS/GPS兼容與互操作已成為行業(yè)研究、應(yīng)用及營(yíng)銷的熱點(diǎn)。成都院已先后在長(zhǎng)河壩、瀑布溝、溪洛渡、錦屏一級(jí)等工程中積極實(shí)施GNSS變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用并取得了較好的工程效益。但總體看來，這種過多依賴于國(guó)內(nèi)儀器廠家而建立的GNSS系統(tǒng)應(yīng)用效果并不十分理想，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)解算理解不深入、不同廠家軟件不兼容、通用式傻瓜式不靈活，特別是在高精度、高可靠度、高靈敏度的混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)中，仍未有成熟完整的解決方案。因此，有必要針對(duì)以下課題展開相關(guān)研究，以使更深入地理解GNSS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的方法與策略，進(jìn)一步提升GNSS應(yīng)用生產(chǎn)能力。

(1)BDS/GPS組合定位。

BDS/GPS組合定位可以利用雙系統(tǒng)豐富的導(dǎo)航信息，極大地提高用戶的可用性、精確性、完好性和可靠性，是解決深山峽谷地區(qū)重大水工結(jié)構(gòu)高精度變形監(jiān)測(cè)問題的首選思路。

其數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)：一是多模GNSS兼容與互操作，即時(shí)間參考框架、坐標(biāo)參考框架和空間信號(hào)的統(tǒng)一，選擇統(tǒng)一參考衛(wèi)星；二是基于等權(quán)模型或高度角定權(quán)的單系統(tǒng)觀測(cè)值定權(quán)策略；三是基于先驗(yàn)定權(quán)或Helmert方差分量估計(jì)的系統(tǒng)間觀測(cè)值定權(quán)策略；四是GNSS載波相位觀測(cè)值預(yù)處理、基線解算與網(wǎng)平差。然而，目前國(guó)內(nèi)隨機(jī)軟件產(chǎn)品所采用的BDS/GPS組合定位模型基本為松耦合模型，并未實(shí)現(xiàn)深度兼容與隨機(jī)互操作，且變形監(jiān)測(cè)多采用單基線解模式，其精確性與可靠性相對(duì)較弱。

深入研究BDS/GPS精密變形監(jiān)測(cè)核心算法的一種有效途徑是借力GAMIT、Bernese和RTKLIB等科研軟件嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)而構(gòu)建適用于水電環(huán)境的、基于高精度靜態(tài)相對(duì)定位方法的變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理軟件，為大壩外觀自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改造的一站式解決方案提供核心軟件支撐。

(2)GNSS單歷元定位。

單歷元變形監(jiān)測(cè)方法從基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的雙差觀測(cè)值變異中直接提取變形矢量。當(dāng)變形量對(duì)雙差觀測(cè)值的影響小于半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，可避開周跳的探測(cè)與修復(fù)以及整周模糊度的確定等棘手難題，使GNSS數(shù)據(jù)處理效率大為提升。該方法充分利用監(jiān)測(cè)時(shí)目標(biāo)點(diǎn)在一定范圍內(nèi)變化的特點(diǎn)，使數(shù)據(jù)處理不受GNSS信號(hào)連續(xù)跟蹤中斷的影響，并能夠及時(shí)而準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)點(diǎn)變形的空間狀態(tài)和時(shí)間特性，特別適用于形變量較小的短基線工程變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

常規(guī)單歷元方法要求變形量小于雙差觀測(cè)值的半個(gè)波長(zhǎng)，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中需要及時(shí)、定期更新計(jì)算初始坐標(biāo)，從而給自動(dòng)化連續(xù)監(jiān)測(cè)工作帶來了一定的不便。為此，需要對(duì)常規(guī)模型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，常用的方法一是利用波長(zhǎng)較大的寬巷組合觀測(cè)值，二是單歷元實(shí)時(shí)解算整周模糊度。成都院在瀑布溝水電站移民遷建工程中采用了基于寬巷組合觀測(cè)值的單歷元方法，該系統(tǒng)運(yùn)行近5年來，數(shù)據(jù)處理效率高，性能穩(wěn)定、可靠。

(3)非差相位精密單點(diǎn)定位。

非差相位精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning, PPP)的基本原理在已知精密星歷和衛(wèi)星鐘差的前提下，充分考慮了與衛(wèi)星、傳播路徑、接收機(jī)等有關(guān)的各種誤差改正，利用單測(cè)站直接確定ITRF框架坐標(biāo)系內(nèi)的地心坐標(biāo)。該方法于1997年由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)提出，并在其研發(fā)的GIPSY軟件上予以實(shí)現(xiàn)。隨著近年來模型研究的逐步完善，未來有望對(duì)現(xiàn)今主流相對(duì)定位模式帶來突破性影響，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。

相比相對(duì)定位方法而言，PPP方法無需設(shè)置參考站(或基準(zhǔn)站)，不受觀測(cè)距離和網(wǎng)形的限制，可直接獲取ITRF框架三維地心坐標(biāo)，單臺(tái)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)cm級(jí)定位精度，作業(yè)方式靈活、成本降低、效率提高，極大地降低了用戶使用門檻，便于各行業(yè)群體推廣應(yīng)用。

目前，瑞士伯爾尼大學(xué)的Bernese軟件和日本東京海洋大學(xué)開源RTKLIB軟件均實(shí)現(xiàn)了PPP功能，在庫區(qū)土質(zhì)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面，可基于此采用“GPS+IGU”方法開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，也可采用“GPS+IGS/IGR”方法用于事后的精密變形監(jiān)測(cè)。

3.2 時(shí)間序列InSAR

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量是一種快速發(fā)展的大地測(cè)量與雷達(dá)遙感技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、變形靈敏度高、空間分辨率高、重復(fù)周期穩(wěn)定、幾乎不受云雨天氣制約等優(yōu)勢(shì)。與常規(guī)點(diǎn)式離散監(jiān)測(cè)方式相比，能夠以圖像形式直觀而清晰地呈現(xiàn)測(cè)區(qū)的整體運(yùn)動(dòng)與地表形變，大大壓縮人力及物力成本。近20 a來，星載InSAR已在地形測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估(地震地殼形變、火山運(yùn)動(dòng)、山體滑坡、區(qū)域地面沉降等)、能源資源勘查(油氣田開采、礦藏資源開采、地下水抽采等)、全球環(huán)境變化(冰川消融、凍土退化、冰川漂移、極地冰層變化等)等相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并取得了一系列重要的研究成果。

時(shí)間序列InSAR解決了常規(guī)差分干涉測(cè)量(Differential InSAR, D-InSAR)存在的時(shí)間去相關(guān)、空間基線去相關(guān)和大氣延遲效應(yīng)等問題，顯著提高了地表形變測(cè)量的精度(真正實(shí)現(xiàn)了mm級(jí))和可靠性，并由此拓展到緩慢小尺度地表微變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，極大地推動(dòng)了InSAR的技術(shù)發(fā)展。

目前時(shí)序InSAR方法中應(yīng)用最為廣泛的為永久散射體技術(shù)(PS-InSAR)和小基線集技術(shù)(SBAS-InSAR)。其中PS-InSAR技術(shù)是大面積、高精度地表微弱形變監(jiān)測(cè)的重大技術(shù)突破，具有極大的應(yīng)用潛力和廣闊的發(fā)展前景，其基本思想是利用覆蓋同一地區(qū)的一組時(shí)間序列SAR影像(通常>20景)進(jìn)行干涉對(duì)組合與差分干涉處理，且僅對(duì)具有高信噪比～高相干性的PS目標(biāo)(如建筑物、橋梁、混凝土壩等人工建筑以及裸露的巖石等天然硬目標(biāo))建立差分干涉相位建模，通過參數(shù)解算分離大氣延遲相位信息，進(jìn)而提高地表變形監(jiān)測(cè)的精度與可靠度。

2008年以來，高分辨率、多極化、多星座、短重訪周期等新型星載SAR系統(tǒng)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，商業(yè)化SAR數(shù)據(jù)源選擇更加豐富，主要代表性雷達(dá)衛(wèi)星包括日本ALOS-2、加拿大Radarsat-2、德國(guó)TerraSAR-X、意大利Cosmo-Skymed等，主要代表性影像處理軟件有瑞士GAMMA、加拿大EarthView以及荷蘭Doris(開源)等。

星載時(shí)間序列InSAR必將成為智慧流域重要的時(shí)空數(shù)據(jù)獲取手段。在拓展其在水電環(huán)境應(yīng)用的同時(shí)，有必要在電站庫區(qū)(如楞古庫區(qū)和溪洛渡庫區(qū))開展InSAR形變監(jiān)測(cè)可行性試驗(yàn)研究，分析地形起伏、植被覆蓋、氣候變化對(duì)常規(guī)D-InSAR技術(shù)的影響程度，檢驗(yàn)時(shí)間序列InSAR技術(shù)的應(yīng)用效果，通過庫區(qū)高空間分辨率緩變?yōu)暮z測(cè)結(jié)果，有針對(duì)性地拓展高時(shí)間分辨率的GNSS自動(dòng)化實(shí)時(shí)/近實(shí)時(shí)形變監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)；其次，在庫區(qū)可行性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，拓展全庫區(qū)全流域地質(zhì)災(zāi)害定期普查、應(yīng)急排查以及緩變?yōu)暮ΤB(tài)化監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)；同時(shí)，基于高分辨率SAR影像與時(shí)序InSAR技術(shù)，開展電站樞紐區(qū)及高土石壩單體精細(xì)監(jiān)測(cè)。

3.3 無人機(jī)低空遙感

無人機(jī)遙感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing, UAVRS)是以無人駕駛飛行器為遙感平臺(tái)，以遙感傳感器為任務(wù)載荷，以遙感影像快速處理為技術(shù)支撐，結(jié)合遙測(cè)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)、DGNSS/IMU定位定姿技術(shù)，高機(jī)動(dòng)、低成本、自動(dòng)化快速獲取地理資源環(huán)境等空間遙感信息并進(jìn)行實(shí)時(shí)/事后處理與應(yīng)用分析的新型航空遙感技術(shù)解決方案。UAVRS彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感與航空遙感在對(duì)地觀測(cè)精度、時(shí)效和頻率上的不足，是云下低空(<1 000 m)平臺(tái)遙感手段的重要補(bǔ)充，具有靈活機(jī)動(dòng)、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)，在生態(tài)環(huán)境、資源調(diào)查、防災(zāi)減災(zāi)、公共安全、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

成熟完備的民用無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)主要由無人飛行器系統(tǒng)、有效任務(wù)載荷、地面保障系統(tǒng)和影像信息處理系統(tǒng)四部分組成。無人飛行器系統(tǒng)除無人機(jī)飛行平臺(tái)外，還包括動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路機(jī)載部分、起降系統(tǒng)機(jī)載部分；有效任務(wù)載荷一般采用經(jīng)標(biāo)定的、有效像素大于2 000萬的普通數(shù)碼相機(jī)；此外，其還包括必要的氣象傳感器包。在滿足平臺(tái)載重能力時(shí)，亦可搭載小型InSAR、LiDAR以及視頻設(shè)備等；地面保障系統(tǒng)主要包括地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路地面部分、起降系統(tǒng)地面部分以及有關(guān)后勤人員與輔助設(shè)備等；UAVRS影像信息處理一般需要通過畸變差校正、影像匹配與空三加密等程序，生成DEM和DOM，并用于遙感圖像解譯與專題分析，目前常用的UAVRS影像處理軟件主要有國(guó)外的Inpho、PixelFactory、Pix4Dmapper，國(guó)內(nèi)的MapMatrix、DPGrid、PixGrid等。與通用攝影測(cè)量與遙感數(shù)據(jù)處理不同，UAVRS影像處理存在自動(dòng)、快速、應(yīng)急的性能要求，因而研發(fā)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、智能化的高性能UAVRS影像處理系統(tǒng)已成為未來推陳出新的前提。

自“5.12”汶川地震以來，UAVRS被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測(cè)與評(píng)估，并逐步發(fā)展成為應(yīng)急監(jiān)測(cè)保障的重要技術(shù)手段。在水電站庫區(qū)及江河流域，通過UAVRS高分辨率重復(fù)遙感影像的對(duì)比分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的全面排查、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)識(shí)別及其動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；也可在地震、滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖等突發(fā)災(zāi)情發(fā)生后短時(shí)間獲取大量現(xiàn)勢(shì)遙感信息，為減災(zāi)救災(zāi)提供更加客觀、及時(shí)、全面、具體的災(zāi)情信息；此外，將無人機(jī)遙感影像與GIS平臺(tái)相結(jié)合，構(gòu)建決策支持系統(tǒng)，可以大大提升災(zāi)害分析、評(píng)估與預(yù)報(bào)的能力和水平。

3.4 地基InSAR

近幾年發(fā)展起來的地基合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)(Ground-based InSAR, GB-InSAR)是基于微波探測(cè)主動(dòng)成像方式獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的二維影像，通過合成孔徑和步進(jìn)頻率連續(xù)波(SF-CW)技術(shù)提高雷達(dá)影像方位向和距離向空間分辨率，通過比較影像中目標(biāo)點(diǎn)的電磁波相位信息，采用干涉技術(shù)求取監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形量。

地基SAR技術(shù)克服了星載SAR存在的時(shí)空失相干問題，具有局域性、全天時(shí)、全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及良好的靈活性和可操作性，實(shí)現(xiàn)了合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)的工程化應(yīng)用，是水電工程混凝土大壩、抗滑支擋結(jié)構(gòu)、高陡邊坡、橋梁等重大工程建(構(gòu))筑物微變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域極具潛力的新技術(shù)與新方法。目前國(guó)內(nèi)使用的地基InSAR主流儀器產(chǎn)品為意大利IDS公司和佛羅倫薩大學(xué)研發(fā)的IBIS-L系統(tǒng)，其遙測(cè)距離可達(dá)4 km，標(biāo)稱測(cè)量精度達(dá)0.1 mm，能夠精確測(cè)定被測(cè)物表面沿雷達(dá)視線向(Line of Sight, LOS)的微量變形信息。

由于地基SAR系統(tǒng)在大氣改正、觀測(cè)斷點(diǎn)以及數(shù)據(jù)融合等方面仍有待進(jìn)一步提高，且其儀器裝備和數(shù)據(jù)處理軟件成本較高，導(dǎo)致目前其應(yīng)用基本處于試驗(yàn)研究階段。但其一維LOS向特高精度變形探測(cè)能力對(duì)于深入研究運(yùn)行期高混凝土壩在溫度、水位及時(shí)效荷載影響下的變形機(jī)制具有無可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.5 多波束測(cè)深系統(tǒng)

多波束測(cè)深系統(tǒng)是現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)以及其它多種技術(shù)高度集成的一種復(fù)雜的組合系統(tǒng)。其工作原理是利用安裝于船底的發(fā)射換能器陣列向水底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，通過對(duì)接收換能器陣列接收的反射信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)合GNSS導(dǎo)航定位和IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)，繪制出高精度、高分辨率的水下三維地形圖。與傳統(tǒng)單波束測(cè)深系統(tǒng)相比，具有全覆蓋掃描、記錄數(shù)字化、成圖自動(dòng)化等特點(diǎn)，測(cè)量范圍更廣、速度更快、精度和效率更高。

目前國(guó)際上知名的多波束測(cè)深聲納產(chǎn)品主要有美國(guó)R2SONIC公司的SONIC系列、丹麥RESON公司的Seabat系列、挪威Kongsberg公司的EM系列、美國(guó)ELAC公司的SeaBeam系列等。對(duì)于多波束測(cè)深聲納產(chǎn)品，需要配置諸如GNSS接收機(jī)(可接入CORS)、IMU、表面聲速儀、聲速剖面儀等外圍設(shè)備，一般支持單獨(dú)外購，但同時(shí)也增加了野外觀測(cè)前系統(tǒng)集成調(diào)試的難度與復(fù)雜度。近年來，國(guó)產(chǎn)多波束測(cè)深聲納系統(tǒng)也取得了較大發(fā)展，如海卓同創(chuàng)于2016年2月推出的Seasurvy MS400淺水多波束測(cè)深儀，實(shí)現(xiàn)了與DGNSS和IMU模塊的一體化集成，無需測(cè)前安裝校準(zhǔn)，從而大大降低了用戶的使用門檻。該系統(tǒng)配備的導(dǎo)航采集軟件能實(shí)時(shí)顯示水底地形圖，其數(shù)據(jù)后處理可采用國(guó)際知名的Hypack水文綜合測(cè)量軟件。

多波束測(cè)深聲納系統(tǒng)作為海洋測(cè)繪的核心儀器裝備，現(xiàn)已在內(nèi)陸江河流域中獲得廣泛應(yīng)用，并成為時(shí)空數(shù)據(jù)獲取的重要補(bǔ)充手段，也是進(jìn)一步拓展河道勘測(cè)、水下大比例尺地形圖、庫容計(jì)算、沖淤分析、水下目標(biāo)探測(cè)、水下應(yīng)急救撈等相關(guān)業(yè)務(wù)的必備技術(shù)手段。

4 結(jié) 語

(1)智慧流域是數(shù)字流域的升級(jí)版，是流域信息化發(fā)展的高級(jí)階段。傳統(tǒng)水電工程安全監(jiān)測(cè)行業(yè)唯有主動(dòng)革新專業(yè)供給服務(wù)能力，順應(yīng)新趨勢(shì)，服務(wù)新需求，解決新問題，培育新模式，重塑新優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)轉(zhuǎn)型升級(jí)與提質(zhì)增效，才能在智慧流域新市場(chǎng)中永葆生機(jī)與活力。

(2)智慧流域建設(shè)離不開全面、準(zhǔn)確、鮮活的安全監(jiān)測(cè)時(shí)空數(shù)據(jù)支撐，安全監(jiān)測(cè)專業(yè)需要加快與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、時(shí)間序列InSAR、無人機(jī)低空遙感、地基InSAR、多波束測(cè)深系統(tǒng)等空間信息技術(shù)深度融合，著力形成“陸水空天”多平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)供給能力提質(zhì)增效升級(jí)。

(3)智慧流域?qū)Π踩O(jiān)測(cè)的最終要求在于構(gòu)建智慧監(jiān)測(cè)專題服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)來源全面化、數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)化、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化、數(shù)據(jù)分析智能化、數(shù)據(jù)產(chǎn)品知識(shí)化、數(shù)據(jù)表達(dá)可視化、數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化，為智慧流域建設(shè)與運(yùn)行提供高效、協(xié)調(diào)、智慧的安全監(jiān)測(cè)服務(wù)。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV522

B

1001-2184(2017)01-0013-05

劉 峰(1984-)，男，河南信陽人，工程師，碩士，研究方向：變形監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)；

李大宏(1958-)，男，山東平邑人，工程師，從事工程安全監(jiān)測(cè)與管理工作；

黃張?jiān)?1969-)，男，浙江寧波人，副教授，博士，從事精密工程測(cè)量、衛(wèi)星定位測(cè)量、安全監(jiān)測(cè)、海洋測(cè)繪等方面的教學(xué)和研究工作；

段兵兵(1985-)，男，江蘇宿遷人，博士，研究方向：衛(wèi)星大地測(cè)量與應(yīng)用.