基于Sentinel-1數據和SBAS-InSAR技術的大藤峽水利樞紐變形監測與分析

馮瀚 汪娟 嚴浩元 楊雋 向淇文

變形監測是大壩安全監測的主要內容之一，也是大壩健康穩定運行的主要依據。針對大藤峽水利樞紐設施的變形監測，基于2020年2月至2023年1月的Sentinel-1數據，利用星載時序SBAS-InSAR方法，開展了大藤峽大壩及其周邊區域的形變監測。由變形監測結果可知，大藤峽左壩主體部分保持穩定，右岸有1處斜坡累積變形較大，水庫上游兩岸存在4處變形斜坡。應用研究表明，Sentinel-1數據和SBAS-InSAR技術可以實現大藤峽大壩低成本、大面積的時序變形監測，為大壩安全監測預警提供一種有效的技術手段，在水庫大壩形變監測領域有著較為廣闊的應用前景。

水利樞紐工程在防洪、蓄水、灌溉、航運、發電等方面發揮著巨大的社會效益和經濟效益，水利樞紐的安全直接關系到人民群眾的生命財產安全，進行變形監測是大壩安全的重要保障。針對大壩的變形監測，傳統監測技術主要采用全站儀、水準儀和GPS等獲取大壩形變信息，需要耗費大量的人力、物力和財力，且只能獲取局部形變信息，無法實現大壩全方位高密度的變形監測。星載合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR）技術具有全天時、全天候、高精度、大范圍獲取地面變形信息的優勢，為水庫大壩的安全監測提供了一種新型工具和監測手段。

國內外已有學者利用InSAR技術進行大壩的變形監測研究，如王騰等人（2011）采用40幅SAR影像，結合PS-InSAR與QPS-InSAR方法獲取了三峽大壩的時序變形信息，詳細分析了混凝土重力壩在建設及運行過程中的穩定性及形變規律；Pietro Milillo，Daniele Perissin等人（2015）利用198幅COSMO-SkyMed和TerraSAR-X 影像數據，對意大利的Pertusillo大壩進行五年的持續監測，并使用地面測量數據進行了驗證，結果表明時序InSAR結果與實際相符，可以用于獲取大壩的時序變形監測。總體而言，時序InSAR可以獲取水庫大壩的高精度變形信息，是一種高精度、大范圍大壩安全監測的有力技術手段。

大藤峽水利樞紐作為珠江流域的關鍵控制性工程，對保障流域防洪和供水安全、促進地區經濟社會可持續發展具有重要作用。本文基于Sentinel-1衛星SAR數據，使用小基線集InSAR（Small Baseline Subset InSAR，SBAS-InSAR）技術，開展大藤峽水利樞紐工程的時序InSAR變形監測，分析了大藤峽左壩主體及正在建設的右壩主體的時序變形情況，并對大藤峽黔江上游兩岸潛在的滑坡風險隱患進行了識別。

一、研究區域和數據

（一）研究區域

大藤峽水利樞紐工程地處廣西壯族自治區桂平市，位于珠江流域西江干流黔江河段的大藤峽出口弩灘附近，是紅水河（黔江）梯級規劃中最末一個梯級，大壩整體呈現Y字形，黔江主壩壩型為混凝土重力壩，最大壩高80.01m，壩長1343.098m，左岸黔江副壩為粘土心墻石渣壩，壩長為1239m。大藤峽水庫所在區域的平均高程約為23～43m，在正常投入生產使用時，水庫蓄水水位為61.00m，設計總庫容約為34.3億m3，防洪庫容約15億m3，控制流域面積約19.86萬km2，約占西江流域面積的56.4%。

（二）SAR影像數據

雷達數據來源于歐空局新一代中高分辨率的 Sentinel-1 A衛星。Sentinel-1屬于歐空局哥白尼計劃（GMES）中的地球觀測衛星，由A/B兩顆相距180°的衛星星座組成（B星于2021年12月發生故障，已無法獲取數據），單星重訪周期為12天，雙星串飛可達到6天的重訪周期。本文以2021年2月17日的SAR數據為主影像完成配準預處理，選定130米空間基線與62天時間基線標準組成基線集，總共生成222個干涉對，干涉對組成的時空基線分布情況見圖1，其中空間基線最大的長度為129m。

二、研究方法

（一） 數據預處理

Sentinel-1數據預處理流程主要包括以下4個關鍵步驟：（1）添加精密軌道星歷信息；（2）提取研究區域的條帶與Burst；（3）影像配準；（4）研究區域裁剪與多視處理。

（二）小基線集時序InSAR處理

小基線集時序InSAR數據處理流程見圖2。SBASInSAR技術優選較短時空基線的影像集進行干涉，提高了影像干涉相干性，在形變求解過程中，通過DEM誤差改正、三維解纏、殘余大氣分離等流程，利用奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD）得到監測點的形變速率。

三、 結果與分析

（一）研究區域平均形變速率

按照第2節處理流程，利用SBAS-InSAR技術獲取了研究區域雷達視線向（Line of Sight， LOS）的平均形變速率結果。結果顯示，沿江兩岸監測點稀少（Sentinel衛星波長較短，對植被穿透性較差，在沿岸植被覆蓋山區的干涉相干性低），而城區監測點密集，監測效果好。研究區域整體較為穩定，城市群及線狀高鐵線路的形變量在±10mm之間，無明顯的地面沉降災害。

（二）大藤峽主壩時序變形分析

根據2021年1月、2022年3月及2022年10月大藤峽大壩的SAR影像結果顯示，其中黑色低值區域為水體，高亮線狀目標為已建成的大壩。結合2021年9月的光學影像可知，研究監測時段內大藤峽水利樞紐工程左壩已經建設完工，而右壩于2022年年底才基本完成修建，地表變化較大。

分析可知，大藤峽左壩上分布有較多的高相干監測點，而右壩上高相干監測點則較為稀少，造成右壩區域監測點稀少的原因是由于在監測時段內，右壩圍堰區建設施工造成地表快速變化，從而導致該區域出現干涉失相干，進而造成了高相干監測形變點的缺失。但整體而言，利用Sentinel-1影像開展大藤峽大壩時序InSAR變形監測是有效可行的。

選取大藤峽大壩上8個重點特征區域，進一步分析大壩的時序變形狀況，結果見圖3。p1、p2、p3特征區域位于左壩主體，3個區域的累積時序變形見圖3（a）（b）（c），結果顯示左壩主體上3個區域的累積變形量較小，左壩主體基本處于穩定狀態。p4、p5區域位于大藤峽船閘區域，其時序變形見圖3（d）（e），p4、p5區域的變形處于-20～20mm之間，變形波動較大，該現象主要是由大量超強散射信號干擾引起。p6、p7區域位于右壩的圍堰攔水設施上，其時序變形見圖3（f）（g），結果顯示P6區域累積形變量較大，約為65mm，p7區域變形量基本在0mm附近。p8區域為右岸的一處斜坡，時序變形見圖3（h），累積變形約為60mm，線性變形趨勢明顯，具有一定危險性。

（三）沿岸斜坡形變分析

大藤峽庫區黔江上游沿江兩岸的平均形變速率如圖4。該區域發現了4處明顯的變形區：A1、A2、A3、A4區域，其時序變形圖顯示四處區域的變形基本呈線性趨勢，疑似為滑坡體活動變形。

四、結論與展望

本文基于2020年2月至2023年1月年期間大藤峽庫區的Sentinel-1時序數據，利用星載時序SABS-InSAR監測方法，開展了大藤峽水利樞紐及其沿江兩岸區域的變形監測研究，研究結論如下：

（1）基于Sentinel-1影像的SBAS-InSAR技術可以實現大藤峽區域的時序變形監測，為大藤峽大壩的變形監測提供了一種新思路。

（2）大藤峽左壩主體基本處于穩定狀態，大藤峽沿江兩岸發現4處具有較明顯線性形變趨勢的斜坡。

（3）監測結果對于大藤峽水利樞紐的健康運營具有一定的參考價值，后期聯合GNSS、精密水準測量及實地勘察結果等對大壩安全監測分析，將更有助于確保大壩安全。

作者單位：貴州省第一測繪院