基于SAR的洞庭湖堤壩形變監測方法研究

袁會林 譚三清 李建輝 曾榮亮 楊振興

摘 要：對于監測堤壩形變信息的需求，根據SAR系統的特性，介紹SAR系統成像的基本原理和影響SAR觀測結果精度的因素，并探討不同的SAR形變監測技術。以洞庭湖研究區域為例，選用Sentinel-1A雷達數據，利用SNAP軟件進行形變信息提取，得到時序形變圖，為洞庭湖堤壩安全做出貢獻。

關鍵詞：SAR系統 堤壩形變 洞庭湖區域

中圖分類號：TV698.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（b）-00-04

Abstract：According to the characteristics of SAR system， the basic principle of SAR imaging and the factors affecting the accuracy of SAR observation results are introduced， and different SAR deformation monitoring techniques are discussed. Taking the study area of Dongting Lake as an example， Sentinel-1A radar data is selected to extract deformation information using SNAP software， and time series deformation map is obtained， which contributes to the dam safety of Dongting Lake.

Key words：SAR system； Dam deformation； Dongting Lake area

堤壩作為防范水患、引流蓄水的重要工程建筑，在維護生態環境安全和人類生命財產安全方面有著舉足輕重的作用。隨著社會的發展，我國從建國初期的4.2萬km堤壩到如今已建成29萬km堤壩，并且材質由大量的土石壩改進為混凝土壩，我國堤壩建設工程發展迅速，已達到世界前列的地位。修筑堤壩在防洪灌溉和蓄水發電的同時，也存在一定的危險隱患，堤壩因不同的土壤、溫度、地質等自然原因和自身的結構設計、荷載承重等自身原因，加上長年累月的河床沖刷，可能出現不同程度的滲漏和形變，嚴重影響堤壩的穩定性，威脅到人類的生命財產安全。因此，人類對及時準確地監測堤壩形變信息的需求越來越迫切。

如今堤壩形變監測方法的研究已經取得了一些成果，綜合來看，主要分為基于點和基于面的兩大類。多傳感器融合技術、光電準直測量技術、全球定位系統監測等是基于點的監測方法，即檢測有限個點的形變情況來判斷堤壩的形變情況；三維激光掃描技術則屬于基于面的監測方法，它是快速重構三維點云模型，形成基于面的監測方法[1]。SAR數據因其全天時、全天候的特點，現廣泛應用于堤壩形變監測的研究。本文主要論述在洞庭湖流域，利用SAR技術進行堤壩形變監測的方法，為維護洞庭湖生態安全做出貢獻。

1 研究區概括

洞庭湖位于長江中游，跨湖南、湖北兩省，總面積為2579km2，總容積為220億m3。洞庭湖是由燕山運動斷陷所形成的碟形盆地，東、南、西三面環山，北邊敞口，東南低、西北高，湖體整體呈U形[2]。新中國成立以后，以水利建設為核心的洞庭湖治理工程成為政府主抓的重點，在“蓄泄兼籌，以泄為主”為主的治理方針下，國家開始圍繞洞庭湖流域大力建設和維護防洪堤壩，保證了湖區的蓄水泄洪能力。正因為洞庭湖強大的蓄洪能力，曾多次化解長江地區洪水危機，維護了長江中下游平原地區人民的生命財產安全。近年來，因泥沙淤積、人工圍墾，湖區面積逐漸縮小，洞庭湖區頻繁的洪水災害加上獨特的地貌環境，使得洞庭湖流域堤壩滲透、形變情況嚴重，給防洪工作帶來隱患。洞庭湖位置如圖1所示。

2 SAR基本原理

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）作為高分辨率成像雷達，具有全天時、全天候工作特點，不受天氣與光照影響，并能有效穿透掩蓋物，可在能見度極低的情況下得到高分辨率圖像。

2.1 SAR成像原理

SAR系統成像方式都是側視距離成像，搭載雷達傳感器的飛行器在距地面H的高度進行觀測，雷達天線長和寬分別為L和W，雷達的波束大小與雷達天線和波長有關。距離向張角βr=λ/W，方位向張角βa=λ/W。雷達傳感器對觀測物進行觀測時形成的幾何觀測圖如圖2所示[4]。

2.2 SAR成像影響因素

SAR應用于觀測或形變監測時，對其觀測精度有非常高的要求，要提高觀測精度就必須了解影響SAR成像的因素。SAR信號在發射、傳輸、接受的過程中主要是受自身系統和外部環境影響。

2.2.1 自身系統影響因素

SAR系統在觀測獲取結果時，影響其精度的自身系統因素主要是雷達波段和極化方法。

（1）雷達波段。

SAR系統工作的不同微波波段，適用的觀測對象也不相同。L低頻波段用于植被覆蓋地表的觀測；S波段較為平衡，能適用各需求；C波段大多用于海洋觀測；X、Ku高頻波段用于城市建筑的觀測[5]。SAR系統微波波段范圍如表1所示。

（2）極化方法。

雷達極化方式是指雷達發射的能量脈沖的電場矢量，可以在垂直（V）或水平（H）面內被偏振。SAR系統主要運用HH、VV、HV、VH這4種極化方法，不同的極化方法，在觀測目標時，所接受的圖像信息各不相同。因此，極化方法的選擇對SAR的觀測精度有極其重要的影響。

2.2.2 外部環境影響因素

外部環境條件對SAR系統發射、傳輸、接收信號的過程有著非常大的影響，觀測目標的特性和大氣條件是其中最主要的影響因素。

（1）觀測目標的特性。

觀測目標的結構、方位、幾何復雜程度、掩體介質等特征信息，在SAR系統進行觀測時，都影響著最終的觀測影像結果，它影響著SAR系統獲取的地物目標散射信息和影像特征。

（2）大氣條件。

SAR系統在觀測時，微波信號的發射和接收都在大氣中進行傳輸。SAR系統雖能做到全天候工作，但在極端惡劣的天氣情況下進行觀測，SAR成像依然會存在一些影響。對于在雷達干涉測量的工作中，主要的誤差可能就是大氣條件的影響導致的。

3 SAR形變監測技術

目前雷達技術正處于快速發展階段，為了得到更加高精度、高效率的雷達觀測數據，SAR形變監測技術的研究越來越重要。當前，應用于SAR形變監測的技術主要是合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）和合成孔徑雷達差分干涉測量技術（D-InSAR）。

3.1 InSAR技術原理

InSAR技術因其高效穩定的特點，是當前應用較為廣泛的形變監測技術，它是利用SAR數據對地表重復觀測形成的微波相位差計算地表形變。當相干性良好時，相干像元密度較高，能夠直接獲取相連的面，即可反映形變的情況。

如圖3為InSAR觀測示意圖，SAR系統對地進行觀測，o為坐標原點，代表地球中心，x軸代表距離向，y軸代表SAR指向天線的方向。

3.2 D-InSAR技術原理

D-InSAR技術是利用同一地區的不同時間的SAR影像，通過差分干涉方法，去除不同觀測相位中的共有量，從而得到形變相位。最后將差分干涉相位通過相位解纏等操作轉變為形變位移量的過程即為差分干涉測量。D-InSAR技術主要應用在地震、滑坡崩塌、地面沉降等方面。

4 洞庭湖堤壩形變信息提取

4.1 數據來源

Sentinel系列衛星是歐洲哥白尼計劃空間部分的專用衛星系列，由歐洲委員會投資，歐洲航天局研制。Sentinel-1A衛星載有合成孔徑雷達，能提供全天候的雷達影像。

該研究通過Sentinel官方網站https：//scihub.copernicus.eu/dhus/#/home下載Sentinel-1A的IW數據，數據覆蓋范圍如圖5所示。

4.2 數據處理

SNAP軟件是雷達數據的專業處理軟件，可進行雷達影像處理分析工作，堤壩形變監測工作、滑坡形變工作等。利用SNAP對洞庭湖Sentinel-1A數據進行處理流程如圖6所示。

4.3 洞庭湖堤壩形變結果

洞庭湖Sentinel-1A數據影像經過配準、裁剪、校正等預處理過程，結合DEM數據進行相干性處理，去除平地相位，得到差分干涉圖。運用最小費用流算法進行相位解纏處理，得到相位解纏圖，對于大面積的相干區域，這種方法能有較好的效果。將相位信息轉變為形變信息，得到如圖7所示的洞庭湖堤壩時序形變圖。

5 結語

SAR技術因其具有穿透性、全天時、全天候、高精度的特點，廣泛應用于地表形變監測領域。在觀測過程中，SAR系統自身的因素和外部環境會影響其觀測精度。同時，對于不同特性的觀測目標所需選用的形變監測技術方法也不相同。該文通過利用Sentinel-1A雷達數據，對洞庭湖堤壩進行形變監測，得到了洞庭湖堤壩時序形變圖，為維護洞庭湖堤壩安全做出貢獻，同時也表明了利用SAR數據在堤壩形變監測方面具有較大的前景。

參考文獻

[1] 徐忠陽，郭志勇.水庫大壩表面變形自動化監測新技術[J].測繪通報，2006（3）：75-76.

[2] 丁立勇.淺析洞庭湖區防洪整治措施[J].湖南水利水電，2005（6）：37.

[3] 郭華東.雷達對地觀測理論與應用[M].北京：科學出版社，2000.

[4] 蔣厚軍.高分辨率星載InSAR技術在DEM生成及更新中的應用研究[D].武漢大學，2012.

[5] 廖承恩.微波技術基礎[M].北京：國防工業出版社，1984.

[6] 廖明生，王騰.時間序列InSAR技術與應用[M].北京：科學出版社，2014.