楊 星 肖懷前 侯 苗 繆融融 翁松干 張澤雄

1 江蘇省水利科學研究院，南京市南湖路97號，210017 2 江蘇省淮沭新河管理處，江蘇省淮安市深圳路8號，223005 3 河海大學水利水電學院，南京市西康路1號，210024

水閘是一種常見的水工建筑物，可承擔防洪、排澇、灌溉等重要作用，是保障水資源安全、防洪排澇安全、堤防工程安全以及墾區(qū)灌排的重要設施。垂直位移觀測是水閘安全監(jiān)測的基本項目，也是甄別水閘異常狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)水閘險情的靶向因子。實施水閘變形監(jiān)測，動態(tài)掌握其形變趨勢，有利于水閘安全、有效地運行。合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)是基于雷達遙感的新型空間對地觀測技術[1-2]，與傳統(tǒng)水準測量相比，InSAR具有監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測持續(xù)性強、受天氣影響小等優(yōu)點。在建筑物密集地區(qū)，InSAR具有較高的水準采樣密度和監(jiān)測頻率，更容易識別地面沉降的分布規(guī)律以及動態(tài)發(fā)展規(guī)律[3]。另外，InSAR技術還具有較高的垂向測量精度[4-5]。隨著InSAR技術的不斷改進，特別是PS-InSAR[6]、SBAS-InSAR[7-9]等技術的快速發(fā)展，加上采用修正算法與水準、GPS數(shù)據(jù)融合處理[10]等，使得InSAR技術在精度提升的同時亦擴展了該技術在工程領域的應用[11-12]。

受地面下沉、水準點不穩(wěn)定等問題的影響，水閘垂直位移觀測會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，導致水閘上浮和下沉難以判斷，對水閘結構的后期運行維護產生誤導作用，影響水閘的安全運行，因此亟需完善水閘垂直位移的觀測方法。但目前關于我國水閘及水閘群沉降的InSAR監(jiān)測技術的應用研究較少，為此本文以江蘇省淮沭新河管理處管轄范圍內的水閘為例，開展InSAR水閘連續(xù)形變監(jiān)測，論證InSAR作為水準測量輔助手段的可行性。

1 研究區(qū)與SAR數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本文選取淮沭新河管理處下轄的南深泓閘(1999年)、中深泓閘(2007年)、北深泓閘(1999年)、二河閘(1958年)以及淮陰閘(1959年)等5座水閘作為研究對象，水閘位置如圖1所示。研究區(qū)內分布較多耗水型企業(yè)，地下水抽取較為嚴重，地面存在下沉現(xiàn)象，從而影響水閘垂直位移觀測精度。2006年，淮沭新河管理處在對新沂河海口樞紐工程(南深泓閘、中深泓閘、北深泓閘)進行日常觀測時發(fā)現(xiàn)，水閘存在上浮現(xiàn)象。2011-03經重新觀測后，又將工程由上浮校正為下陷，其原因為地下水大量抽取，導致地面下沉，同時水準點本身也存在沉降現(xiàn)象。為此，管理處在工程附近按照巖基點布置要求重新布置水準點，但在2017年巖基點周圍地面又出現(xiàn)明顯的下沉，這對工程的擋潮高度復核觀測產生嚴重影響。

圖1 案例水閘的位置Fig.1 Location of sluice cases

1.2 SAR數(shù)據(jù)源

本文以歐洲委員會(EC)和歐洲航天局(ESA)的Sentinel-1雷達衛(wèi)星為數(shù)據(jù)源，時間跨度為2015-04～2020-01，共129景升軌影像數(shù)據(jù)(表1)。利用PS-InSAR影像處理技術，形成PS點位置和沉降量數(shù)據(jù)。

表1 監(jiān)測區(qū)域SAR數(shù)據(jù)基本參數(shù)

2 PS-InSAR處理方法

根據(jù)PS-InSAR原理，對K+1幅SAR影像進行配準、輻射定標、PS探測和干涉處理，得到K幅干涉和差分干涉圖、H個PS點以及各PS點在各差分干涉圖中的差分干涉相位集。在考慮地表形變、高程誤差和大氣影響等情況下，根據(jù)每個PS點在每幅差分干涉圖上的差分干涉相位組成，建立其高程誤差和線性形變速率的函數(shù)模型，據(jù)此得到每個PS點相對于主參考點的形變速率和高程誤差。PS-InSAR數(shù)據(jù)形變值中正值表示監(jiān)測點朝衛(wèi)星視線方向運動，負值表示沿衛(wèi)星視線方向運動。一般情況下，下沉會使衛(wèi)星到監(jiān)測點的視線距離變大，上浮會使衛(wèi)星到監(jiān)測點的視線距離減小。圖2為PS-InSAR水閘垂直位移監(jiān)測與成果分析流程。

圖2 PS-InSAR方法水閘垂直位移觀測與成果分析流程Fig.2 Flow chart of sluice vertical displacement observation and result analysis based on PS-InSAR method

3 觀測結果分析

以2015-04-08為初始測量時刻，利用PS算法對5座水閘及周邊區(qū)域進行處理，獲取2015-04-08～2020-01-12近5 a研究區(qū)平均形變速率以及累積形變量。通過分析可知：1)沉降速率為-58.3～34.7 mm/a，68%的PS點集中在-3～3 mm/a(負值代表下沉，正值代表上浮)；2)累積沉降量為-252.3～177.3 mm，93%的PS點集中在-30～30 mm；3)研究區(qū)內大部分區(qū)域處于較穩(wěn)定或整體緩慢下沉狀態(tài)，部分區(qū)域存在上浮現(xiàn)象。

根據(jù)PS-InSAR處理結果，進一步分析近5 a各水閘的垂直位移變化趨勢。選擇淮陰閘4個累積沉降量波動最大的PS點，從圖3可以看出，各點并無明顯上浮或下沉趨勢，表明該水閘近5 a來整體相對穩(wěn)定。選取二河閘3個累積沉降量波動最大的PS點進行分析，從圖4可以看出，該水閘近5 a來也處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。對比孔憲賓等[13]基于水準測量的研究結果可知，2座水閘建成初期均表現(xiàn)為上浮狀態(tài)，但從總體來看，2座水閘基本圍繞某一固定值小幅波動，具有一定穩(wěn)定性，與InSAR結論一致。

圖3 淮陰閘累積形變曲線Fig.3 The cumulative deformation curves of Huaiyin sluice

圖4 二河閘累積形變曲線Fig.4 The cumulative deformation curves of Erhe sluice

基于更早期資料，采用存檔ENVISAT雷達降軌數(shù)據(jù)，拍攝時間為2008-11～2010-10，采用SBAS-InSAR技術進行處理。結果表明，平均沉降速率主要集中在-3～3 mm/a，說明二河閘及其周邊區(qū)域呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)。

北深泓閘、中深泓閘、南深泓閘同屬新沂河?？跇屑~工程，位于新沂河出?？冢且抒疸袅饔蚝樗畺|調工程的重要組成部分。下文僅以中深泓閘為例，對比水準測量結果，分析InSAR技術的合理性。在左、右岸共選擇3個不同部位的PS點進行分析，從圖5可以看出，該水閘近5 a處于下沉趨勢，其中2018年以后呈現(xiàn)小幅波動狀態(tài)。由2015～2020年中深泓閘垂直位移累積結果可知，沉降幅度為25.3～75.1 mm，呈現(xiàn)下沉趨勢，但整體趨于穩(wěn)定。對比InSAR結果可知，3個點的沉降幅度為28.2～53.5 mm，基本可反映水閘的變形量，兩者趨勢基本一致。北深泓閘和南深泓閘的分析結果與此類似，因此不再贅述。

圖5 中深泓閘累積形變曲線Fig.5 The cumulative deformation curves of Zhongshenhong sluice

4 結 語

本文選取淮沭新河管理處管轄范圍內的南深泓閘、中深泓閘、北深泓閘、二河閘及淮陰閘5座水閘為例，以Sentinel-1雷達衛(wèi)星為數(shù)據(jù)源，探討InSAR技術作為水準測量輔助手段的可行性。結果表明，InSAR作為一種輔助的技術手段，與水閘垂直位移變化趨勢基本一致。PS-InSAR技術可用于大范圍、長周期地表細微形變測量，精度可達mm級，但對于沉降速率較快的形變監(jiān)測存在局限性，特別是偏遠地區(qū)建構筑物，同時InSAR測量技術在測量精度方面也存在一定局限。

因此，將InSAR技術作為一種水閘水準測量的輔助手段具有可行性。InSAR技術在測量頻率和測量尺度方面具有一定優(yōu)勢，適合在地面下沉、水準點不穩(wěn)定的江蘇北部地區(qū)使用，同時也適用于水閘群安全狀態(tài)的高效便捷監(jiān)測，值得后續(xù)進一步探討和推廣應用。