GBInSAR技術及其在水利工程中的應用

康麗文 沈顏奕 趙海鵬

(河海大學，江蘇 南京 210098)

GBInSAR技術及其在水利工程中的應用

康麗文 沈顏奕 趙海鵬

(河海大學，江蘇 南京 210098)

研究了基于地基合成孔徑雷達干涉測量(Ground Based InSAR，GBInSAR)技術的微變形監測系統(IBIS-L)關鍵技術和精度，并分析了該系統在紫平鋪大壩和泰西納(Tessina)滑坡區的監測實例，實踐表明該系統具有長期連續監測、覆蓋范圍廣、監測精度高的優點，為水利工程變形監測提供了新方法。

GBInSAR，IBIS系統，變形監測，大壩，滑坡

0 引言

水利工程在國家的經濟建設中起著舉足輕重的作用，同時也為人民的日常生活提供了堅強有力的保證。當前，對水利工程進行變形監測，傳統的監測技術[1]只能監測一些特殊的點的形變信息，不能覆蓋每個部分、反映真實形變，建立的位移數學模型也不能全面反映其健康狀況。目前地基合成孔徑雷達干涉測量技術在水利工程監測方面的應用便于監測人員能夠以高采樣頻率和高空間分辨率對大范圍工程進行變形監測。

由意大利IDS公司與弗洛倫薩大學合作發明的基于GBInSAR技術的微變形遠程監測雷達(IBIS-L系統)已經廣泛應用于滑坡[2，3]、煤礦[4]和大壩[5，6]的變形監測，并取得了較好的成果。以下將對GBInSAR的關鍵技術、IBIS-L系統的變形監測精度及其在紫平鋪大壩[7]和泰西納滑坡[8]中的應用進行研究分析，并對GBInSAR技術的特點及其在水利工程的應用前景進行總結。

1 GBInSAR變形監測原理

GBInSAR是一種地面微波干涉遙感技術，通過步進頻率連續波(the Stepped-Frequency Continuous Wave，SF-CW)和合成孔徑雷達技術(Synthetic Aperture Radar,SAR)獲得了較高的空間分辨率，而干涉技術使得沿雷達視線向的微變形監測優于毫米級，實現無需接近目標區域就可全天候、全天時精確獲取地表信息。

1.1 步進頻率連續波技術

步進頻率連續波由一系列載頻線性跳變的連續信號構成，雷達序貫發射一組載頻均勻步進的窄帶寬脈沖(設共有N個脈沖)，步進量為Δf,一般取Δf=1/τ，其帶寬為：

B=(N-1)Δf

(1)

對這串脈沖的回波信號進行處理，可得脈沖寬度為τ/N，即距離向分辨率是單個脈沖測量時的N倍。所以步進頻率連續波技術的應用提高了雷達的距離分辨率，雷達的距離分辨率Δr與脈沖延續時間τ有關。

(2)

其中，c為光速。因為τB=1，所以式(2)還可表示為：

(3)

假設光速c=3×108m/s，帶寬B=3×108Hz，由式(3)可知該系統的距離向分辨率為0.5 m，距離分辨率的大小與測距無關。

1.2 合成孔徑雷達技術

合成孔徑雷達利用數據處理的方法合成一個較大的等效天線孔徑雷達，不僅打破了物理天線寬度的局限，還提高了方位向的分辨率。在實際應用中，一般在一個長為L的滑軌上安裝合成孔徑雷達，通過滑桿的移動使得合成天線的波寬與觀測點到目標的距離成反比，合成孔徑雷達的角分辨率Δ?可用式(4)表達：

(4)

其中，λ為雷達發射的波長。假設IBIS-L系統的雷達波長為18 mm，滑軌長度L=2 m，則該系統的角分辨率可以達到4.5 mrad。如圖1所示，通過距離向和方位向的結合，監測區域被分割成若干個二維的小單元，其中距離向分辨率為0.5 m，方位向分辨率為4.5 mrad×距離。

1.3 干涉技術

干涉技術將不同時刻SAR圖像結合起來，通過比較監測同一地區在不同時刻的SAR圖像相位信息，得到監測地區的形變信息。此技術應用于監測地表形變時精度極高，可達毫米級，完全能夠滿足在大壩、山體滑坡等地區的需求。假設波長為λ的雷達使目標2次成像的相位差為ΔΦ，則雷達視線向變形dr可表達為:

(5)

2 IBIS-L系統的精度評定

將目標物和千分表相連，IBIS-L系統和Leica TCA 2003全站儀觀測同一目標。用千分表對目標物進行微小的調節，將IBIS-L系統和全站儀捕捉到的位移變化情況進行對比。將靶標向監測設備調節2次(每次調節0.5 mm)和5次(每次調節0.1 mm)并回調至原位置時，IBIS-L系統和全站儀捕捉到的位移變化情況如圖2,圖3所示。

由圖2，圖3可知，當形變量大于0.5 mm時，IBIS-L系統和全站儀的測量精度都能夠滿足要求；當變形量小于0.5 mm時，IBIS-L系統能監測出0.1 mm的形變量，而全站儀的測量結果誤差相對較大，所以IBIS-L系統的測量微變精度要高于全站儀。

3 IBIS-L系統在水利工程變形監測應用的實例

3.1 大壩的安全監測

紫坪鋪大壩位于四川都江堰上游，大壩蓄水11.12億m3，為混凝土面板堆石壩。監測時間從2008年7月31日20時59分～8月1日12時1分，共計約15 h。將IBIS-L設備放置于距離大壩550 m～780 m、離地高度為0.40 m處，設置其最大監測距離1 700 m、距離向分辨率0.5 m、角度向分辨率4.5 mrad、采樣間隔為6 min。通過整個區域的雷達波反射情況可知，大壩主體的反射情況較好，且區域中各點的信噪比大多在15 dB之上，為最終準確的結果提供了良好的基礎。為克服氣候變化對監測結果造成的影響，選取校準點對整個監測結果進行校準。取GCP作為校準點，在壩體上選取反射能量較好的6個點(P1～P6)，假定GCP點的位移為零，對整個監測結果進行校準。由圖4所示的P1～P6在監測時間內的連續變形過程曲線可知，在監測時段內，每個點的形變量均小于1 mm，且可以認為大氣延遲和氣溫對觀測結果的影響使得在整個觀測時間內該微小形變較為一致。在進行氣候校準后，IBIS-L系統能夠完成大壩的微變形監測任務。

實驗表明，GBInSAR技術用于大壩安全監測的精度優于毫米級，通過設置一個合適的固定監測基站，對整個壩體進行全面、連續的實時監測，由在一系列不同的預設基站實施監測來得到對同一目標區域的不同時段不同角度的多點監測結果；采用IBIS-L系統能夠實時、準確地逐點跟蹤大壩表面的微小變形，完成整個監測區域中大壩表面的變形監測任務。

3.2 滑坡的安全監測

泰西納滑坡區位于意大利東北部貝盧諾市附近的愛爾帕格地區，滑源區呈近似的橢圓形。2003年，Tarchi用GBInSAR技術對該滑坡進行了晝夜連續7 d監測。設備到滑坡的距離大于4 km，最大的監測范圍是7 km2，其角度向分辨率為4.5 mrad，距離向分辨率為0.5 m，得到了整個滑坡區域多時相地表形變圖。

圖5為三個不同觀測時期的位移圖。在地區的二維圖像中挑選一個像素并記錄該像素點隨時間變化的位移，展示該地區演變速度，圖6是該單像素點的位移圖。

由圖5和圖6可知該地區在監測期間進行了一個緩慢且連續的位移，其速度能夠達到一小時幾厘米，且在距離雷達發射中心約350 m的滑坡下部其形變量最大。

實驗表明，作為一種全新的非接觸式的微變形監測設備——IBIS-L系統，具有可長期連續監測、覆蓋范圍廣、監測精度高等優點，能夠獲得多時位移圖和位移速度，反映滑坡的整體位移趨勢，可以對滑坡提供有效、實時的安全性監測，為滑坡預警和治理提供更為可靠的消息。

4 總結和展望

GBInSAR技術結合了SF-CW，SAR，干涉測量三大技術，以微波探測主動成像方式得到被監測區域二維影像，可以全天時、全天候的獲取滑坡、大壩等變形體的高分辨率變形信息。在IBIS-L系統和Leica TCA 2003的監測對比實驗中驗證了IBIS-L系統具有優于毫米級的變形監測精度。IBIS-L系統在紫平鋪大壩和泰西納滑坡中的應用，證實了IBIS-L系統能夠實時、準確地涵蓋整個監測區域和逐點跟蹤大壩體和滑坡體的微小變形，能以優于毫米級的精度對大壩和滑坡進行變形監測，完成大范圍的變形監測任務。

地基雷達干涉系統IBIS-L系統是微變形測量系統的典范，在短期發展中取得了很好的應用效果。微變形遠程監測技術與傳統監測技術相比，有很多優點，但也存在一些不足，如：設備的高費用及其在實際使用中有一定的局限性導致其難推廣。近年來，有學者提出為實現三維高精度的變形監測，可將其與三維激光掃描儀、全站儀等儀器融合。隨著研究的進一步深入，擁有巨大潛力的基于GBInSAR的微變形遠程監測雷達在未來的水利工程的變形監測(如大壩監測、滑坡監測等)方面必將有更廣泛的應用。

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The application of GBInSAR technology and its use in water conservancy project

KANG Li-wen SHEN Yan-yi ZHAO Hai-peng

(HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

This paper researched the key technology and precision of micro deformation detection system based on foundation synthetic aperture radar interferometry (Ground Based InSAR, GBInSAR) technology, and analyzed the monitoring example of the system in Zipingpu dam and Tessina landslide area, the practice showed that the system had the advantages of long-term continuous monitoring, large coverage area, high monitoring accuracy, provided new method for water conservancy engineering deformation monitoring.

GBInSAR, IBIS system, deformation monitoring, dam, landslide

1009-6825(2014)28-0231-03

2014-07-24

康麗文(1991- )，女，在讀本科生； 沈顏奕(1992- )，女，在讀本科生； 趙海鵬(1992- )，男，在讀本科生

TU196.1

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