郭樂(lè)萍，岳建平，岳 順，邱志偉，汪學(xué)琴

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

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GBInSAR在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

郭樂(lè)萍，岳建平，岳 順，邱志偉，汪學(xué)琴

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

評(píng)判水工建筑物的工作性態(tài)，需高精度的變形、應(yīng)力等信息。根據(jù)大壩安全監(jiān)測(cè)特點(diǎn)和要求，介紹GBSAR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成和測(cè)量基本原理，分析該系統(tǒng)測(cè)量誤差來(lái)源及特征，探討該技術(shù)在大壩變形監(jiān)測(cè)中的可行性。以隔河巖大壩3 d的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析該技術(shù)實(shí)際測(cè)量精度，研究顯示成果達(dá)亞毫米級(jí)，能夠滿足大壩變形監(jiān)測(cè)的精度要求。

變形監(jiān)測(cè)；GBInSAR；大壩；視線向位移；時(shí)間序列

我國(guó)自進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)重點(diǎn)發(fā)展水利工程建設(shè)，興建一批以小浪底、紫坪鋪等水利樞紐為代表的水利重點(diǎn)工程項(xiàng)目。為了保證這些水利工程建筑物的穩(wěn)定性，須進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)[1-2]。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法因其野外工作量大、受觀測(cè)環(huán)境影響、定位精度低以及測(cè)程有限等缺點(diǎn)，難以滿足長(zhǎng)距離大范圍變形監(jiān)測(cè)的需求。合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)(InSAR)因其全天時(shí)全天候連續(xù)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而得到迅速發(fā)展，成為變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的新技術(shù)和研究熱點(diǎn)[3]。

GBInSAR技術(shù)由于測(cè)量范圍大、精度高、非接觸等優(yōu)點(diǎn)[4]，在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。地基合成孔徑雷達(dá)(Ground-Based Synthetic Aperture Radar，GBSAR)將步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)(Stepped-Frequency Continuous Wave)、雷達(dá)差分干涉技術(shù)和合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR)相結(jié)合，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)需要選擇最佳觀測(cè)視角和相應(yīng)的觀測(cè)平臺(tái)，以非接觸的測(cè)量方式在安全的距離內(nèi)獲取被監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域的高精度變形數(shù)據(jù)[5]。目前，GBInSAR技術(shù)在滑坡[6-7]、冰川[8]和大壩[9]的變形監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

1 GBInSAR的基本原理

GBInSAR技術(shù)源于空基InSAR技術(shù)(Airborne-Based InSAR，ABInSAR)，它是ABInSAR在地面的實(shí)現(xiàn)。GBInSAR的原理包括合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR)和差分雷達(dá)干涉技術(shù)(D-InSAR)。

1.1 合成孔徑雷達(dá)技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)技術(shù)[10-11]采用步進(jìn)頻率連續(xù)波(SFCW)信號(hào)體制實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率，同時(shí)保證雷達(dá)波的長(zhǎng)距離傳輸。合成孔徑技術(shù)是通過(guò)雷達(dá)在地面上的固定軌道上滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，方位向分辨率

(1)

式中:λ為雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)，L為雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)相對(duì)于監(jiān)測(cè)目標(biāo)的相對(duì)移動(dòng)距離，即合成后的天線孔徑。通過(guò)將合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR)和步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)(SFCW)進(jìn)行結(jié)合，可以在較大程度上同時(shí)提高距離向和方位向分辨率。

1.2 雷達(dá)差分干涉技術(shù)

假設(shè)GBSAR在不同時(shí)間獲取了同一目標(biāo)區(qū)域的兩幅SAR復(fù)影像，由于兩次采集圖像中間具有時(shí)間間隔，因此圖像之間因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)的不同而產(chǎn)生了相應(yīng)的相位差。由解纏后的相位差可反演出目標(biāo)LOS方向的真實(shí)形變值：

(2)

由式(2)可知，目標(biāo)形變值的測(cè)量精度同時(shí)受系統(tǒng)工作頻率fc和相位測(cè)量精度的影響。

2 GBInSAR測(cè)量精度分析

GBInSAR應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)時(shí)的精度要達(dá)到毫米或亞毫米級(jí)，要提高變形監(jiān)測(cè)的精度就要掌握影響測(cè)量精度的因素。本文從GBInSAR的數(shù)據(jù)獲取和處理兩個(gè)過(guò)程著手，將影響GBInSAR測(cè)量精度的因素分為干涉相位誤差和形變真值解算誤差兩部分。

2.1 干涉相位誤差

干涉相位誤差是GBInSAR形變測(cè)量誤差的主要部分，受觀測(cè)期間大氣環(huán)境的改變、噪聲以及相位解纏誤差等因素的影響，

(3)

式中:φdisp為目標(biāo)形變?cè)斐傻南辔徊睿誥tm為大氣擾動(dòng)引起的相位差，φnoise為噪聲的影響，εφ為相位解纏誤差。

大氣效應(yīng)的影響是干涉相位誤差的重要來(lái)源，現(xiàn)在還沒(méi)有系統(tǒng)的解決方案。噪聲的影響在濾波和后續(xù)信號(hào)處理中會(huì)得到抑制。相位解纏是GBInSAR數(shù)據(jù)處理中的難點(diǎn)，當(dāng)進(jìn)行短時(shí)間間隔或連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)，由于觀測(cè)時(shí)間間隔短，獲得的相鄰圖像間相干性較好，一般不存在相位解纏問(wèn)題。當(dāng)觀測(cè)時(shí)間間隔較長(zhǎng)時(shí)，受時(shí)間、空間和噪聲相關(guān)等影響，難以獲得整個(gè)觀測(cè)區(qū)域精確的解纏相位。

2.2 形變真值解算誤差

形變真值是由視向形變值根據(jù)系統(tǒng)工作幾何關(guān)系計(jì)算出來(lái)的，觀測(cè)距離不同，采用的計(jì)算模型也有所區(qū)別。GBSAR系統(tǒng)的幾何關(guān)系有兩種假設(shè)模型[12]，分別是平行近似幾何關(guān)系和精確幾何關(guān)系，如圖1所示。

(a)平行近似幾何關(guān)系

(b)精確幾何關(guān)系圖1 形變真值假設(shè)模型

圖1中R1，R2為前后兩次觀測(cè)時(shí)觀測(cè)點(diǎn)到目標(biāo)的斜距長(zhǎng)度；ΔR為視向形變值；Δr為形變真值；θ為雷達(dá)入射角。經(jīng)過(guò)推算可得兩種近似所產(chǎn)生的誤差為

(4)

當(dāng)取斜距R1=100 m，目標(biāo)形變值ΔR=0.1 m時(shí)，由式(4)可以計(jì)算出雷達(dá)入射角θ和形變真值近似計(jì)算誤差δr之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 雷達(dá)入射角θ與形變真值近似計(jì)算誤差δr

通過(guò)圖2可以看出當(dāng)雷達(dá)入射角θ=30°時(shí)，近似計(jì)算誤差仍然可達(dá)亞毫米級(jí)，但當(dāng)θ趨于0，也即雷達(dá)入射波與目標(biāo)形變方向垂直時(shí)，近似誤差為無(wú)窮大，此時(shí)GBSAR系統(tǒng)失去形變監(jiān)測(cè)的能力。θ越接近90°時(shí)，計(jì)算誤差越小，在測(cè)量時(shí)可適當(dāng)增大雷達(dá)入射角，使得測(cè)量精度更高。

3 IBIS-L在隔河巖大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

本次形變測(cè)量實(shí)驗(yàn)以隔河巖大壩為例，實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)為從2013-07-30 T11 h 20 min至2013-08-02 T11 h 7 min觀測(cè)的數(shù)據(jù)，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)2 d23 h47 min，每隔約5 min采集一幅圖像，共獲取SAR影像685幅。圖3展示實(shí)驗(yàn)時(shí)IBIS-L儀器與大壩的相對(duì)位置，設(shè)備可達(dá)到的最大觀測(cè)距離為4 km，而實(shí)驗(yàn)時(shí)所需觀測(cè)的最大距離約為1.3 km，完全滿足

實(shí)驗(yàn)需求。實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)備安放在比較穩(wěn)定的地方，與觀測(cè)區(qū)域通視，中間無(wú)任何遮擋物，可直觀方便的觀測(cè)到整個(gè)壩體區(qū)域以及周邊坡岸。圖4為大壩信號(hào)反射強(qiáng)度圖。

圖3 IBIS-L設(shè)備裝置及觀測(cè)區(qū)域

圖4 大壩真實(shí)圖與信號(hào)反射強(qiáng)度

在圖4中用矩形框和橢圓形標(biāo)注出現(xiàn)場(chǎng)中物體在雷達(dá)信號(hào)反射圖中的位置。其中框代表壩體，橢圓代表旁邊山坡。通過(guò)圖4的對(duì)比可以看出IBIS-L可準(zhǔn)確的獲取壩體表面的雷達(dá)反射信息。

對(duì)獲取的影像進(jìn)行干涉處理后，選取質(zhì)量較好的地面控制點(diǎn)，利用固定點(diǎn)法濾除大氣擾動(dòng)誤差[13-14]，并進(jìn)行中值濾波和控制點(diǎn)改正，得到大壩壩體觀測(cè)數(shù)據(jù)的累計(jì)視線向位移圖(如圖5所示)。從圖5中可以看出系統(tǒng)可以獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域較高空間分辨率的變形信息，大壩壩體在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)累計(jì)變形在2 mm之內(nèi)。為了對(duì)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在大壩壩體選擇了3個(gè)像元點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間序列分析。圖6為P1-P3雷達(dá)視線向形變時(shí)間序列。

圖5 累計(jì)視線向位移圖

圖6分別為所選的3個(gè)像元點(diǎn)在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中的位移時(shí)間關(guān)系圖。綜合圖5和圖6看出單點(diǎn)位

移隨時(shí)間呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，在某些時(shí)刻波動(dòng)較大，可能是受大氣延遲校正不完善的影響，但整體具有一定的規(guī)律性。從圖6看出像元點(diǎn)的變形值精度為亞毫米級(jí)，最終的變形保持在2 mm以內(nèi)，這與累計(jì)視線向位移圖結(jié)果一致。

(a)P1雷達(dá)視線向時(shí)間序列

(b)P2雷達(dá)視線向時(shí)間序列

(c)P3雷達(dá)視線向時(shí)間序列圖6 P1～P3雷達(dá)視線向時(shí)間序列

4 結(jié) 論

地基合成孔徑雷達(dá)采用步進(jìn)頻率連續(xù)波信號(hào)體制實(shí)現(xiàn)距離向的高分辨率，同時(shí)保證雷達(dá)波的長(zhǎng)距離傳輸，在獲取目標(biāo)微小形變方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已在大壩、橋梁、邊坡等工程的變形監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)隔河巖大壩2 d 23 h 47 min的連續(xù)觀測(cè)，得到大壩觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的累計(jì)視線向位移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明GBInSAR技術(shù)可獲得變形區(qū)域高空間密度的變形信息；GBInSAR技術(shù)全天時(shí)全天候的連續(xù)觀測(cè)能力，在大壩變形監(jiān)測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

Application research of GBInSAR in dam deformation monitoring

GUO Leping, YUE Jianping, YUE Shun, QIU Zhiwei, WANG Xueqin

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)

In order to evaluate the working behaviour of hydraulic structure, the deformation and stress information concerning its high precision are needed. In this paper, according to the characteristics and requirements of the dam safety monitoring, the constitution and the basic principle of measurement of the GBSAR monitoring system have been introduced. The measurement error sources and characteristics of the system have been analyzed. The feasibility of GBInSAR technology used in dam deformation monitoring has been discussed. By taking the measured data during three days of Geheyan dam as an example,it analyzes the actual measurement precision of the technology can reach millimeter level, and the technology can meet the accuracy requirement of the dam deformation monitoring.

deformation monitoring; GBInSAR; dam; LOS displacement; time series

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.02.014

2015-11-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41174002)；湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(PKLHD201311)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2013/B14020383) .

郭樂(lè)萍(1991-)，女，碩士研究生.

P231

A

1006-7949(2017)02-0062-04

引用著錄：郭樂(lè)萍，岳建平，岳順，等.GBInSAR在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪工程，2017，26(2)：62-65.