基于地基雷達技術(shù)的大壩變形監(jiān)測技術(shù)研究

余波

摘 要：本文基于筆者從事大壩變形監(jiān)測的相關(guān)工作經(jīng)驗，以最新的地基雷達干涉測量技術(shù)應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測為研究對象，論文選取某水電站大壩為研究對象，探討了具體的監(jiān)測思路和數(shù)據(jù)處理分析方法，結(jié)論表明，基于地基雷達技術(shù)監(jiān)測獲取的是區(qū)域性大面積形變信息，相對傳統(tǒng)單點監(jiān)測信息量更大，可以提取高精度的變形信息。

關(guān)鍵詞：大壩 變形監(jiān)測 地基雷達 INSAR

中圖分類號：TP79 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0078-02

大壩及邊坡穩(wěn)定性問題是當(dāng)前我國大型水利工程建設(shè)中的一個關(guān)鍵工程技術(shù)難題。傳統(tǒng)的精密水準(zhǔn)儀、全站儀以及GPS等大地測量方法僅能獲取單個監(jiān)測點的變形信息，很難滿足水利工程災(zāi)害預(yù)測的實際需要。基于星載平臺的SAR干涉技術(shù)受雷達視角、失相干和大氣延遲的限制，無論是常規(guī)SAR干涉法還是更為先進的SAR影像時間序列探測法都難以勝任，具體原因有：（1）SAR影像時空失相干使干涉相位質(zhì)量差，降低變形監(jiān)測的可靠性；（2）衛(wèi)星重訪周期長，變形監(jiān)測時間分辨率低；（3）山區(qū)坡度大，容易形成圖像陰影；（4）星載SAR視角固定，部分變形體無法監(jiān)測到；（5）山區(qū)高差大，大氣延遲誤差大。近十年來，人們將干涉平臺從空中移至地面，開發(fā)了地基合成孔徑雷達干涉（ GBINSAR）變形監(jiān)測新技術(shù)，該技術(shù)基于微波主動成像方式獲取監(jiān)測區(qū)域二維影像，能在幾分鐘內(nèi)獲取數(shù)平方公里高精度、高時空分辨率的變形信息。本文在分析GBINSAR變形監(jiān)測系統(tǒng)及其成像特點的基礎(chǔ)上，對隔河巖大壩進行GBINSAR變形監(jiān)測試驗，并將結(jié)果與同期的垂線監(jiān)測結(jié)果進行對比。

1 GBINSAR成像與變形監(jiān)測

1.1 GBINSAR成像

地基SAR系統(tǒng)由雷達傳感器、滑動軌道、計算機和供電模塊組成，圖1為意大利IDS公司與弗洛倫薩大學(xué)聯(lián)合研制的IBIS-L（image by interferometirc survey）系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用安裝在滑動軌道上的傳感器模塊生成、發(fā)射和接收雷達信號，用USB接口連接計算機，通過傳感器在滑動軌道上的滑動產(chǎn)生合成孔徑效果，地基SAR以固定的視角不斷地發(fā)射和接收回波信號，經(jīng)過聚焦處理后形成極坐標(biāo)形式的二維SAR影像。在影像像元內(nèi)，距離向分辨率是固定的，而方位向分辨率與像元夾角及目標(biāo)距離有關(guān)，通過距離向和方位向的結(jié)合，監(jiān)測區(qū)域被分割成若干個二維的小單元，距離越遠，方位向分辨率越低。由于地基SAR發(fā)射雷達波束，并根據(jù)地表反射回波的接收順序記錄并處理成SAR影像，這樣距離近的反射目標(biāo)就先被記錄下來，這種成像模式導(dǎo)致了SAR圖像中的透視收縮、頂?shù)孜灰坪屠走_陰影等幾何形變現(xiàn)象，給地基SAR影像解譯造成困難。圖2為這幾種幾何畸變的示例。

1.2 地基SAR變形監(jiān)測

設(shè)地基SAR兩次測量中目標(biāo)發(fā)生視線向變形，考慮到大氣延遲以及測量噪聲的影響，兩次測量的相位差表示為：

2 IBIS-L變形監(jiān)測試驗與結(jié)果分析

2.1 測區(qū)概況與數(shù)據(jù)采集

某大壩為“上重下拱”重力拱壩，壩頂高程206m，最大壩高151m，壩頂弧長648m；溢流段位于壩的中部，共設(shè)7個表孔，4個深孔和2個放空兼導(dǎo)流底孔，表孔堰頂高程 181.8m，尺寸為12m×18.2m；深孔孔底高程134m，尺寸為4.5m×6.5m；底孔孔底高程95m，尺寸為4.5m×6.5m，各孔口均用弧形閘門控制操作。電站廠房位于右岸河灘階地上；左岸是300t級垂直升船機，中間錯船渠長400m，寬30 m。

IBIS-L采集點位于大壩下游左岸1300m處，采用連續(xù)監(jiān)測模式，從2013年7月27日20時到8月2日11時，歷時5天14小時48分鐘。數(shù)據(jù)采集范圍為-45°～45°，距離0～1299.8 m，分辨率分別為0.252°和0.50m，共獲取地基SAR影像1330景。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

考慮到方位分辨率與距離有關(guān)，將原SAR影像用極坐標(biāo)表示，P1～P4分別對應(yīng)A～D區(qū)域，Pt1、Pt6、Pt12位于壩體上，Pt3、Pt8、Pt14位于表孔泄洪閘上，R為高相干像元。可以清晰地解譯出壩體A及7個表孔、右岸電站及邊坡階梯B、左岸升船機及錯船渠D，特別地，位于大壩下游的4排錨樁C反射信號明顯。變形監(jiān)測干涉處理采用直連組合方式獲取干涉圖。數(shù)據(jù)處理時像元選擇的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為：熱噪聲信噪比大于15.0dB，估計信噪比大于10.0dB，時間相干系數(shù)大于0.50，相位穩(wěn)定系數(shù)大于0.5。由于影像之間的干涉基線為零，干涉相位包含了監(jiān)測目標(biāo)雷達視線向的形變、大氣延遲誤差以及觀測噪聲。

生成目標(biāo)P1～P4的雷達視線向相位時間序列，可以看出：（1）相位變化非常大，變化范圍為-35～50mm；（2）相位變化在18時左右最小，隨后逐漸增大，在次日0時左右達到最大，并維持到7時左右，隨即急劇減小，至18時達到最小值；（3）相位變化明顯以1天為周期；（4）從相位波動幅度看，距離監(jiān)測點最遠的P3波動幅度最大，P1和P4波動幅度最小，根據(jù)隔河巖大壩監(jiān)測組提供的大壩中部15號壩段PL15 垂線的監(jiān)測數(shù)據(jù)，整個監(jiān)測過程中壩體變形量很小，這與 IBIS-L的變形結(jié)果相比存在明顯的系統(tǒng)誤差，由于在變形分析中采用了高質(zhì)量的像元，可以忽略相位噪聲對結(jié)果的影響，根據(jù)式（3），這種誤差是由雷達視線向的大氣延遲隨時間的變化引起。

相位變化曲線的日周期性反映了雷達視線向大氣延遲隨氣溫、氣壓及相對濕度的變化，這種變化在1300m的距離上最大可達85mm。另外，大氣擾動與雷達視線向距離有關(guān)，距離越遠影響越大。因此，利用GBSAR進行水利工程變形監(jiān)測必須考慮大氣擾動的影響。

考慮大氣延遲相位在雷達視線向的一致性，選擇穩(wěn)定區(qū)域高相干像元作為參考點，將其他像元與參考點求差以消除大氣影響，為此在大壩右岸靠近壩體的基巖處選取高相干像元R作為參考點，去除大氣影響后可以看出：（1）大氣延遲相位消除明顯。（2）所有點都存在沿水流向的徑向位移，且水位上升時，徑向位移向下游增大。（3）壩體上點位的變形速率在0.2mm/d左右，明顯小于表孔內(nèi)泄水閘0.6mm/d的變形速率，這說明水位上升時，表孔泄水閘發(fā)生了相對較大的變形。（4）6d的監(jiān)測時間內(nèi)壩體總體變形約1.2mm，壩體 形變速率與垂線監(jiān)測速率（0.197mm/d）結(jié)果相當(dāng)。（5）變形序列中還存在較小的周期性大氣擾動。

3 結(jié)論

（1）GBINSAR 監(jiān)測獲取的是區(qū)域性大面積形變信息，相對傳統(tǒng)單點監(jiān)測信息量更大。（2）影響GBINSAR變形監(jiān)測精度的主要因素是雷達視線向大氣擾動（如氣溫、氣壓和相對濕度的變化），該大壩變形監(jiān)測試驗結(jié)果表明，在 1300m的距離上大氣擾動的影響可達85mm，其大氣擾動與雷達傳播距離有關(guān)，距離越遠影響越大。（3）用穩(wěn)定參考點法消除大氣影響后，GBINSAR變形監(jiān)測結(jié)果與垂線監(jiān)測結(jié)果一致性較好。（4）采用GBINSAR技術(shù)監(jiān)測的大壩表孔泄洪閘變形量大于壩體變形，且隨著庫區(qū)水位的增長，變形沿水流向逐漸增大。

參考文獻

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