InSAR 技術在錦繡川水庫形變監測中的應用

李 偉，郭奕鴻，潘 振

（1.濟南市水利工程服務中心，山東 濟南 250099；2.中國科學院空天信息創新研究院，北京 100020）

錦繡川水庫建成于20 世紀70 年代，在2000 年進行了除險加固。總庫容為4 103 萬m3，水庫大壩為漿砌石溢流重力拱壩，最大泄量1 801 m3/s，設有10 孔液壓啟閉閘門。錦繡川水庫是國家重要飲用水水源地，壩頂交通橋也是周邊群眾重要的生產生活通道，因此其是否安全運行關系到濟南市經濟社會安全和人民群眾生命財產安全。

1 壩體形變監測概況

水庫大壩的安全監測是通過各種監測儀器設備對大壩主體結構、壩基、周圍環境及相關設施進行監測和分析，及時反饋大壩“健康狀態”。錦繡川水庫興建之初未安設任何安全監測設施，特別是在2000 年實施除險加固亦未安設相應的監測設施。2018 年在水庫大壩橋面和溢流壩壩頂設置了GNSS 監測系統，并同時輔以人工觀測校核。

針對上述觀測方法，服務處每年年初申報相應的觀測費用和校核費用，耗資相對較高。然而這些測繪方法存在外業工作量大，GNSS 布點受到外界環境影響較大等缺陷，同時維修工作量大，只是對點進行監測，缺少對大壩樞紐整體和周邊研究區地形地貌的長時間微小位移監測，缺乏對水庫庫區周邊如滑坡、地陷等地質災害的前期預警。為此，開展大壩及岸基InSAR（合成孔徑干涉雷達）形變監測建設非常必要。

本項目充分發揮了多源遙感協同全天候全天時、高精度、低成本的優勢，建立了基于InSAR技術對錦繡川水庫壩體形變的監測系統。在對研究區的地形地貌、區域水文以及壩體分布數據編目進行收集整理的基礎上，發揮星載雷達遙感的優勢，開展區域內壩體形變信息提取。并針對區域內重點水利設施，結合地面傳感器開展重點壩體的精細調查。

基于上述研究，錦繡川水庫服務處同中國科學院空天信息創新研究院研制了壩體監測與應急服務平臺，服務于水務管理部門的日常巡查與應急處置工作。

2 壩體形變監測內容

以InSAR 技術為基礎，優化使用干涉處理中圖象配準、噪聲濾波和相位解纏等若干關鍵算法，構建了以衛星遙感、視頻數據采集、高精度傳感器協同觀測為基礎的大壩周邊形變觀測的安全在線實時監測系統。

2.1 數據收集

項目數據取自哨兵1 號衛星。載有C 波段合成孔徑的哨兵1 號地球觀測衛星，同其他遙感技術和空天觀測技術相比較，具有能反饋全天候、全天氣、同時還具有圖像不間斷的特點。目前，哨兵1 號衛星影像數據被廣泛應用于土壤參數反演研究。哨兵1 號衛星采用C 波段合成孔徑雷達，頻段越低，其穿透性越好，對于小面積，更精細的目標檢測、識別，可以獲取最大信息量，因此適合用于類似于錦繡川水庫等中小水庫的庫區及流域的地質和形變觀測。

2.2 時序InSAR 數據處理方法

1）PS-InSAR（永久散射體合成孔徑干涉測量）技術。對于探測形變的差分干涉測量而言，進行干涉的兩幅影像一般具有較長的時間間隔，通常地物的散射特性和大氣條件在這期間會發生較大變化，在干涉相位中就會存在嚴重的失相干噪聲和大氣延遲影響，造成干涉失敗，使得常規差分干涉方法不能獲取地表形變量。但是，其他一些常見物體，如橋梁、房屋、山體等，具有穩定的散射功能，其雷達回波信噪比較高，在較長時間內相干性較好。上述那些散射特性較穩定、對雷達波反射較強的硬目標就稱為永久散射體。

按照PS-InSAR 技術原理，對數據進行各項處理，并借助錦繡川水庫目前現有的數字高程模型DEM 進行下一步的干涉處理，通過計算得出多幅干涉和差分干涉圖。由于存在數字高程偏差、地形表面細微形變等情況，單個點的差分干涉相位組成可表示如下：

各項差分干涉相位模型根據（1）式各項的分析，通過計算得出高程誤差和線性形變速率的函數模型，即：

式中：Cε（xh）為高程誤差相關項；Cv（xh）為線性形變速率相關項；w（xh，tk）為線型殘余相位。

設有兩PS 點Pr（為參考點）和Ps，則：

考慮目前有N 副差分干涉圖，那么上述每一個PS 點就會有N 個時序鄰域差分相位，并可建立N 個上式所組成的方程組。通過模型計算可以得到每個PS 點相對于主參考點的形變速率和高程誤差。同時，根據求解結果在PS 離散點上進行相位解纏。

經過積分計算，各干涉圖對應的影像大氣相位為：

其在干涉圖中的非線性形變相位為：

2）DS-InSAR 技術。分布式目標提取一般采用統計檢驗的方法，如參數假設檢驗方法來為每一個像素判定統計同質像元（SHP）。

經過相位解纏之后，需要去除各噪聲相位分量。從影像中可通過時間域的高通濾波估計得到。從解纏相位中依次去除各噪聲分量后即可得到形變相位，此時形變相位可表達為：

通過上述計算，將地表形變與形變相位進行轉換后即可將由上式計算得出的形變相位轉換為形變量。

2.3 技術難點

形變監測時，由于錦繡川區域高差較大、地形復雜、森林覆蓋率高，特別是受小流域影響多對流雨、視線不好等不利條件的影響，將InSAR技術運用到錦繡川水庫大壩和庫區時也遇到了一定的問題，主要問題集中在以下3 個方面：

1）時間失相干。時間失相干和空間失相干對于InSAR 技術而言是很重要的失相干源，其中SAR（合成孔徑雷達）衛星由于自身技術的原因，在天空飛行過程中，當處于同一軌道時，每次出現的空間和位置會存在一定差異，由此導致的失相干現象為空間失相干；在同一軌道衛星再次運行時，由于周邊物體發生了改變，散射特性呈現為不一致，由此導致的失相干現象稱為時間失相干。此現象在該技術研究初期出現的幾率較多，目前隨著空天和衛星技術的逐步成熟，同時在進行形變監測時選取較好的對象，該問題已得到了較好解決。

2）地形影響。錦繡川水庫大壩坐落于山間峽谷，地勢起伏，在運用InSAR 技術監測時會存在以下問題：

一是SAR 在成像時受地形影響，會造成在成像過程中的疊掩、陰影效應，而錦繡川水庫大壩、庫區部分高崖都處于成像區域中的陰影區，造成無法提供準確影像，變形狀況也無法被觀測。

二是由于水庫庫區高差大，達30 余米，在有限空間和大地形起伏區域里，輸入現有的數字高程后誤差會相對較大，只有有效地消除初始誤差之后才能準確計算出水庫庫區或樞紐建筑物上發生的形變或存在的隱患。

3）大氣延遲。在InSAR 技術運用地表形變監測過程中，大氣延遲是必須要解決的問題，因其對精度的影響最大。通常極軌SAR 衛星飛行高度一般在500～800 km，SAR 電磁波傳播需要經過電離層（一般指地表60 km 以上的大氣層，存在大量自由電子和離子）和對流層（一般指緊貼地面的大氣層，天氣劇烈變化，造成氣體性質變化，也最不穩定），在經過時會受到電離層和對流層的疊加影響。在通過電離層中主要由于存在大量的自由電子和離子造成的散射效應，會延遲電磁波的傳播。

同時由于電離層電子濃度總含量的變化，造成了電磁波的傳播路徑也發生了一定改變。大氣延遲影響主要體現在對流層中，在對流層中大氣的濕度、氣壓和溫度隨著高程的影響而不斷改變，如同水質分層一樣，在對流層傳播過程中也體現了空氣的分層介質，造成大氣的折射率隨高度而變化，受其影響電磁波在傳播過程中路徑也發生了一定變化。

另外，在受到降雨、云系和空中浮塵等顆粒的反射和散射作用下，電磁波在傳播過程中也可能會出現路徑彎曲和信號傳播延遲。在本研究區，大氣延遲會極大地影響滑坡體變形測量的精度，針對大氣延遲問題，必須采用一定手段使其數值滿足精度要求。

2.4 InSAR 形變監測結果

選取覆蓋山東濟南地區2019 年10 月25日至2022 年7 月7 日哨兵1 號景升軌數據。針對重點研究區域中的錦繡川水庫庫區，結合相應的精密軌道數據，對研究區域影像數據進行時序InSAR 處理，按照上述方法分析生成了時空基線圖、幅度圖、DEM、差分干涉圖、形變速率圖及時間序列圖等結果圖。其中時空基線圖如圖1 所示。

圖1 時空基線圖

通過對濟南地區錦繡川水庫及其周邊區域開展InSAR 時間序列形變監測。監測結果表明：錦繡川水庫及其周邊區域，地質條件穩定，水庫壩體無形變現象，水庫庫區周邊目前未發現滑坡等地質隱患。

3 結 論

運用InSAR 技術實現錦繡川水庫和庫區周邊的形變沉降監測。針對建立基于統計檢驗和像素連通性的分布式散射體提取方法；通過周期圖解算分布式散射體在方位向和距離向上的地形坡度，移除殘余地形相位—減少相位噪聲，提高分布式散射體相干性和干涉相位質量；保持原始SAR 影像的高空間分辨率的自適應濾波算法。

本項目在對研究區的地形地貌、區域水文以及壩體分布數據編目進行收集整理的基礎上，將數字技術等新一代信息技術與水利業務深度融合，運用先進的InSAR 技術發揮星載雷達遙感的優勢對錦繡川水庫大壩樞紐和庫區開展形變監測。通過系統實時了解和掌握大壩及其周邊區域沉降與位移情況，對周邊區域環境變量進行監測，對未來區域變形提供可靠支持，確保了大壩安全。該項研究的實施為推動以數字技術賦能水利行業高質量發展，加快推動水利行業建設數字化，充分發揮水庫綜合效益，實現工程安全智能分析預警，為經濟社會發展提供有力保障。