面向智慧流域的“陸水空天”安全監測數據獲取技術研究

劉 峰， 李 大 宏， 黃 張 裕， 段 兵 兵

(1. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；3. 同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

面向智慧流域的“陸水空天”安全監測數據獲取技術研究

劉 峰1， 李 大 宏1， 黃 張 裕2， 段 兵 兵3

(1. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；3. 同濟大學測繪與地理信息學院，上海 200092)

智慧流域為傳統水電工程安全監測行業注入了新功能，同時也對安全監測信息服務提出了新要求。推動安全監測專業供給服務能力提質增效升級，首先需要加快與全球導航衛星系統、時間序列InSAR、無人機低空遙感、地基InSAR、多波束測深系統等空間信息技術的深度融合，著力形成涵蓋航天、低空、水面、水下、地面、地下的“陸水空天” 多平臺安全監測數據獲取技術體系，進而構建智慧監測專題服務系統，為智慧流域建設與運行提供高效、協調、智慧的安全監測服務。

智慧流域；智慧監測；數據獲取；空間信息

1 概 述

自2008年IBM首席執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、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廣泛掀起并形成井噴局面。作為智慧地球的具體體現形式之一，智慧流域是流域信息化發展的高級階段，是由作為流域信息化基礎的數字流域、能夠實現流域信息全面實時感知的物聯網、能夠高效智能處理海量數據信息的云計算、能夠及時有效提供智慧服務的可視化智能分析系統等組成的流域新型生態系統。

智慧流域建設為后水電時代傳統水電水利行業轉型升級注入了新動能，水電水利行業部門只有強化需求導向與問題導向，主動革新專業服務能力，催生新技術、新模式、新業態，才能使水電水利事業永葆生機活力。安全監測數據是流域地理空間重大水工建筑物與地質災害預測預報、反演反饋、健康診斷、隱患識別、災害預警等智慧服務的重要數據支撐，是智慧流域海量時空信息的重要數據源。

筆者針對智慧流域提出的新理念、新需求，全面總結了涵蓋航天、低空、水面、水下、地面、地下等多平臺的“陸水空天”安全監測數據獲取技術體系，重點分析了全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)等空間信息技術及其在安全監測中的應用思路，最后強調了構建智慧監測專題服務系統的目標要求。

2 智慧流域對安全監測服務提出了新要求

在智慧流域新理念、新市場、新契機強勢沖擊下，安全監測行業需要深刻認知多尺度范圍覆蓋、一站式生產能力、智慧化專題服務、高效能應急保障等新需求、新挑戰，主動順應新趨勢，解決新問題，實現新跨越，助力專業供給服務能力提質增效升級。

(1)多尺度范圍覆蓋要求。

目前，水電工程安全監測的對象主要是針對水工建筑物和地質災害點等局部性單體工程，而適用于大面積、全庫區、全流域的安全監測技術手段相對不足，因此需要加快與地球空間信息技術融合發展，構建涵蓋航天、低空、水面、水下、地面、地下的“陸水空天”多平臺安全監測數據獲取技術體系，并通過集成化智能傳感器網絡，為智慧流域建設提供全面、準確、動態、鮮活的安全監測時空數據資源。

(2)一站式生產能力要求。

在智慧流域新引擎倒逼驅動下，安全監測生產單位若再繼續以粗放、狹隘、局部工序的監測施工作為絕對重心，將越來越變得不可競爭、不可持續、不可跨界、不可掌控全局、不可引領發展、不可捍守地位。唯有大力加強上游與下游、業內與業外、國內與國外資源的統籌力度，全面打造集“監測設計→系統建設→數據獲取→數據處理→數據分析→數據挖掘”全工作流于一體的一站式安全監測供給服務能力，才能在新市場中再立競爭新優勢。

(3)智慧化專題服務要求。

智慧流域的最終目的在于智慧應用。安全監測專業需要在智慧流域時空信息平臺框架下依托云計算能力和大數據技術，充分挖掘多源異構海量數據中的高價值信息，聚行業之智研發智慧監測專題服務系統，實現數據來源全面化、數據獲取實時化、數據處理自動化、數據分析智能化、數據產品知識化、數據表達可視化、數據服務網絡化，為智慧流域提供高效、協調、智慧的安全監測服務。

(4)高效能應急保障要求。

對流域空間突發災情的高效能應急保障是安全監測部門的重要職責，圍繞“快速數據獲取、快速數據處理、快速分析反饋”的核心要求，安全監測單位需要以戰略性高度推進應急裝備資源配置，提升應急隊伍專業技能水平，不斷完善災害應急與減災救災體系，強化聯動協作與信息互通，著力形成反應迅速、運轉高效、協調有序的應急監測保障機制。

3 “陸水空天”多平臺安全監測技術支撐

隨著水電工程安全監測市場由云貴川走向藏青新、亞非拉，監測尺度由局部單體工程走向全庫區、全流域，環境條件漸趨惡劣，生產成本持續增高，當前以地面和地下(含結構內部)為主的常規離散式監測手段顯得心有余而力不足。在智慧流域新需求倒逼驅動下，務必大力推進全球導航衛星系統、合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)以及無人機低空遙感等空間對地觀測新技術的消化吸收，逐步建成“陸水空天”多平臺數據獲取技術體系，實現安全監測數據供給能力提質增效升級(表1)。

表1 “陸水空天”安全監測數據獲取的主要支撐技術表

3.1 全球導航衛星系統

隨著我國北斗導航衛星系統(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)的逐步完善并具備亞太地區PNT服務能力，多頻多模GNSS特別是BDS/GPS兼容與互操作已成為行業研究、應用及營銷的熱點。成都院已先后在長河壩、瀑布溝、溪洛渡、錦屏一級等工程中積極實施GNSS變形監測應用并取得了較好的工程效益。但總體看來，這種過多依賴于國內儀器廠家而建立的GNSS系統應用效果并不十分理想，主要表現在數據解算理解不深入、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測中，仍未有成熟完整的解決方案。因此，有必要針對以下課題展開相關研究，以使更深入地理解GNSS變形監測數據處理的方法與策略，進一步提升GNSS應用生產能力。

(1)BDS/GPS組合定位。

BDS/GPS組合定位可以利用雙系統豐富的導航信息，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重大水工結構高精度變形監測問題的首選思路。

其數據處理關鍵技術：一是多模GNSS兼容與互操作，即時間參考框架、坐標參考框架和空間信號的統一，選擇統一參考衛星；二是基于等權模型或高度角定權的單系統觀測值定權策略；三是基于先驗定權或Helmert方差分量估計的系統間觀測值定權策略；四是GNSS載波相位觀測值預處理、基線解算與網平差。然而，目前國內隨機軟件產品所采用的BDS/GPS組合定位模型基本為松耦合模型，并未實現深度兼容與隨機互操作，且變形監測多采用單基線解模式，其精確性與可靠性相對較弱。

深入研究BDS/GPS精密變形監測核心算法的一種有效途徑是借力GAMIT、Bernese和RTKLIB等科研軟件嚴密的數學模型并進行二次開發，進而構建適用于水電環境的、基于高精度靜態相對定位方法的變形監測自動化數據處理軟件，為大壩外觀自動化系統設計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。

單歷元變形監測方法從基準點和監測點的雙差觀測值變異中直接提取變形矢量。當變形量對雙差觀測值的影響小于半個波長時，可避開周跳的探測與修復以及整周模糊度的確定等棘手難題，使GNSS數據處理效率大為提升。該方法充分利用監測時目標點在一定范圍內變化的特點，使數據處理不受GNSS信號連續跟蹤中斷的影響，并能夠及時而準確地獲取目標點變形的空間狀態和時間特性，特別適用于形變量較小的短基線工程變形監測領域。

常規單歷元方法要求變形量小于雙差觀測值的半個波長，因此，在實際工程應用中需要及時、定期更新計算初始坐標，從而給自動化連續監測工作帶來了一定的不便。為此，需要對常規模型進行改進優化，常用的方法一是利用波長較大的寬巷組合觀測值，二是單歷元實時解算整周模糊度。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值的單歷元方法，該系統運行近5年來，數據處理效率高，性能穩定、可靠。

(3)非差相位精密單點定位。

非差相位精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)的基本原理在已知精密星歷和衛星鐘差的前提下，充分考慮了與衛星、傳播路徑、接收機等有關的各種誤差改正，利用單測站直接確定ITRF框架坐標系內的地心坐標。該方法于1997年由美國噴氣推進實驗室(JPL)提出，并在其研發的GIPSY軟件上予以實現。隨著近年來模型研究的逐步完善，未來有望對現今主流相對定位模式帶來突破性影響，具有十分重要的現實意義和廣泛的應用前景。

相比相對定位方法而言，PPP方法無需設置參考站(或基準站)，不受觀測距離和網形的限制，可直接獲取ITRF框架三維地心坐標，單臺接收機實現cm級定位精度，作業方式靈活、成本降低、效率提高，極大地降低了用戶使用門檻，便于各行業群體推廣應用。

目前，瑞士伯爾尼大學的Bernese軟件和日本東京海洋大學開源RTKLIB軟件均實現了PPP功能，在庫區土質滑坡、泥石流等地質災害監測方面，可基于此采用“GPS+IGU”方法開展實時動態監測，也可采用“GPS+IGS/IGR”方法用于事后的精密變形監測。

3.2 時間序列InSAR

合成孔徑雷達干涉測量是一種快速發展的大地測量與雷達遙感技術，具有覆蓋范圍廣、變形靈敏度高、空間分辨率高、重復周期穩定、幾乎不受云雨天氣制約等優勢。與常規點式離散監測方式相比，能夠以圖像形式直觀而清晰地呈現測區的整體運動與地表形變，大大壓縮人力及物力成本。近20 a來，星載InSAR已在地形測繪、災害監測評估(地震地殼形變、火山運動、山體滑坡、區域地面沉降等)、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)等相關領域得到了廣泛應用，并取得了一系列重要的研究成果。

時間序列InSAR解決了常規差分干涉測量(Differential InSAR, D-InSAR)存在的時間去相關、空間基線去相關和大氣延遲效應等問題，顯著提高了地表形變測量的精度(真正實現了mm級)和可靠性，并由此拓展到緩慢小尺度地表微變監測領域，極大地推動了InSAR的技術發展。

目前時序InSAR方法中應用最為廣泛的為永久散射體技術(PS-InSAR)和小基線集技術(SBAS-InSAR)。其中PS-InSAR技術是大面積、高精度地表微弱形變監測的重大技術突破，具有極大的應用潛力和廣闊的發展前景，其基本思想是利用覆蓋同一地區的一組時間序列SAR影像(通常>20景)進行干涉對組合與差分干涉處理，且僅對具有高信噪比～高相干性的PS目標(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)建立差分干涉相位建模，通過參數解算分離大氣延遲相位信息，進而提高地表變形監測的精度與可靠度。

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系統取得了長足發展，商業化SAR數據源選擇更加豐富，主要代表性雷達衛星包括日本ALOS-2、加拿大Radarsat-2、德國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。

星載時間序列InSAR必將成為智慧流域重要的時空數據獲取手段。在拓展其在水電環境應用的同時，有必要在電站庫區(如楞古庫區和溪洛渡庫區)開展InSAR形變監測可行性試驗研究，分析地形起伏、植被覆蓋、氣候變化對常規D-InSAR技術的影響程度，檢驗時間序列InSAR技術的應用效果，通過庫區高空間分辨率緩變災害檢測結果，有針對性地拓展高時間分辨率的GNSS自動化實時/近實時形變監測業務；其次，在庫區可行性試驗的基礎上，拓展全庫區全流域地質災害定期普查、應急排查以及緩變災害常態化監測業務；同時，基于高分辨率SAR影像與時序InSAR技術，開展電站樞紐區及高土石壩單體精細監測。

3.3 無人機低空遙感

無人機遙感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing, UAVRS)是以無人駕駛飛行器為遙感平臺，以遙感傳感器為任務載荷，以遙感影像快速處理為技術支撐，結合遙測控制技術、無線通信技術、DGNSS/IMU定位定姿技術，高機動、低成本、自動化快速獲取地理資源環境等空間遙感信息并進行實時/事后處理與應用分析的新型航空遙感技術解決方案。UAVRS彌補了衛星遙感與航空遙感在對地觀測精度、時效和頻率上的不足，是云下低空(<1 000 m)平臺遙感手段的重要補充，具有靈活機動、高效快速、精細準確、高性價比等優勢，在生態環境、資源調查、防災減災、公共安全、地理國情監測等經濟社會各領域具有巨大的應用潛力。

成熟完備的民用無人機低空遙感系統主要由無人飛行器系統、有效任務載荷、地面保障系統和影像信息處理系統四部分組成。無人飛行器系統除無人機飛行平臺外，還包括動力推進系統、飛行導航與控制系統、數據傳輸鏈路機載部分、起降系統機載部分；有效任務載荷一般采用經標定的、有效像素大于2 000萬的普通數碼相機；此外，其還包括必要的氣象傳感器包。在滿足平臺載重能力時，亦可搭載小型InSAR、LiDAR以及視頻設備等；地面保障系統主要包括地面監控系統、數據傳輸鏈路地面部分、起降系統地面部分以及有關后勤人員與輔助設備等；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外的Inpho、PixelFactory、Pix4Dmapper，國內的MapMatrix、DPGrid、PixGrid等。與通用攝影測量與遙感數據處理不同，UAVRS影像處理存在自動、快速、應急的性能要求，因而研發自動化、實時化、智能化的高性能UAVRS影像處理系統已成為未來推陳出新的前提。

自“5.12”汶川地震以來，UAVRS被廣泛應用于地質災害調查、監測與評估，并逐步發展成為應急監測保障的重要技術手段。在水電站庫區及江河流域，通過UAVRS高分辨率重復遙感影像的對比分析，可以實現對地質災害的全面排查、地質災害隱患點識別及其動態監測；也可在地震、滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖等突發災情發生后短時間獲取大量現勢遙感信息，為減災救災提供更加客觀、及時、全面、具體的災情信息；此外，將無人機遙感影像與GIS平臺相結合，構建決策支持系統，可以大大提升災害分析、評估與預報的能力和水平。

3.4 地基InSAR

近幾年發展起來的地基合成孔徑雷達干涉技術(Ground-based InSAR, GB-InSAR)是基于微波探測主動成像方式獲取監測區域的二維影像，通過合成孔徑和步進頻率連續波(SF-CW)技術提高雷達影像方位向和距離向空間分辨率，通過比較影像中目標點的電磁波相位信息，采用干涉技術求取監測區域的變形量。

地基SAR技術克服了星載SAR存在的時空失相干問題，具有局域性、全天時、全天候、實時監控以及良好的靈活性和可操作性，實現了合成孔徑雷達干涉測量技術的工程化應用，是水電工程混凝土大壩、抗滑支擋結構、高陡邊坡、橋梁等重大工程建(構)筑物微變監測領域極具潛力的新技術與新方法。目前國內使用的地基InSAR主流儀器產品為意大利IDS公司和佛羅倫薩大學研發的IBIS-L系統，其遙測距離可達4 km，標稱測量精度達0.1 mm，能夠精確測定被測物表面沿雷達視線向(Line of Sight, LOS)的微量變形信息。

由于地基SAR系統在大氣改正、觀測斷點以及數據融合等方面仍有待進一步提高，且其儀器裝備和數據處理軟件成本較高，導致目前其應用基本處于試驗研究階段。但其一維LOS向特高精度變形探測能力對于深入研究運行期高混凝土壩在溫度、水位及時效荷載影響下的變形機制具有無可替代的技術優勢。

3.5 多波束測深系統

多波束測深系統是現代信號處理技術、高性能計算機技術、高分辨顯示技術、高精度導航定位技術、數字化傳感器技術以及其它多種技術高度集成的一種復雜的組合系統。其工作原理是利用安裝于船底的發射換能器陣列向水底發射寬扇區覆蓋的聲波，通過對接收換能器陣列接收的反射信號進行處理，結合GNSS導航定位和IMU姿態數據，繪制出高精度、高分辨率的水下三維地形圖。與傳統單波束測深系統相比，具有全覆蓋掃描、記錄數字化、成圖自動化等特點，測量范圍更廣、速度更快、精度和效率更高。

目前國際上知名的多波束測深聲納產品主要有美國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ELAC公司的SeaBeam系列等。對于多波束測深聲納產品，需要配置諸如GNSS接收機(可接入CORS)、IMU、表面聲速儀、聲速剖面儀等外圍設備，一般支持單獨外購，但同時也增加了野外觀測前系統集成調試的難度與復雜度。近年來，國產多波束測深聲納系統也取得了較大發展，如海卓同創于2016年2月推出的Seasurvy MS400淺水多波束測深儀，實現了與DGNSS和IMU模塊的一體化集成，無需測前安裝校準，從而大大降低了用戶的使用門檻。該系統配備的導航采集軟件能實時顯示水底地形圖，其數據后處理可采用國際知名的Hypack水文綜合測量軟件。

多波束測深聲納系統作為海洋測繪的核心儀器裝備，現已在內陸江河流域中獲得廣泛應用，并成為時空數據獲取的重要補充手段，也是進一步拓展河道勘測、水下大比例尺地形圖、庫容計算、沖淤分析、水下目標探測、水下應急救撈等相關業務的必備技術手段。

4 結 語

(1)智慧流域是數字流域的升級版，是流域信息化發展的高級階段。傳統水電工程安全監測行業唯有主動革新專業供給服務能力，順應新趨勢，服務新需求，解決新問題，培育新模式，重塑新優勢，推動轉型升級與提質增效，才能在智慧流域新市場中永葆生機與活力。

(2)智慧流域建設離不開全面、準確、鮮活的安全監測時空數據支撐，安全監測專業需要加快與全球導航衛星系統、時間序列InSAR、無人機低空遙感、地基InSAR、多波束測深系統等空間信息技術深度融合，著力形成“陸水空天”多平臺安全監測數據獲取技術體系，實現安全監測數據供給能力提質增效升級。

(3)智慧流域對安全監測的最終要求在于構建智慧監測專題服務系統，實現數據來源全面化、數據獲取實時化、數據處理自動化、數據分析智能化、數據產品知識化、數據表達可視化、數據服務網絡化，為智慧流域建設與運行提供高效、協調、智慧的安全監測服務。

(責任編輯：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：變形監測與安全評價；

李大宏(1958-)，男，山東平邑人，工程師，從事工程安全監測與管理工作；

黃張裕(1969-)，男，浙江寧波人，副教授，博士，從事精密工程測量、衛星定位測量、安全監測、海洋測繪等方面的教學和研究工作；

段兵兵(1985-)，男，江蘇宿遷人，博士，研究方向：衛星大地測量與應用.