基于地基雷達干涉測量技術的大壩邊坡形變監測及應用

李翔宇 雷添杰 陳文晉

摘要 為了解決傳統大壩邊坡形變監測方法僅能獲取點變形信息，且監測周期長、監測精度低、無法進行實時監測等問題，以云南牛欄江紅石巖邊坡為例，提出了基于地基雷達干涉測量技術（GB-InSAR）的大壩邊坡形變監測。為了有效監測邊坡形變情況，在詳細分析地基干涉雷達測量技術的原理及關鍵技術的基礎上，將其應用于該邊坡穩定性的實時監測中。結果表明，采用地基雷達干涉測量技術對該邊坡穩定性進行實時監測，可以有效監測邊坡形變情況，達到邊坡災害預警的目的。

關鍵詞 大壩邊坡;形變監測;地基雷達干涉測量技術;災害預警

Abstract In order to solve the problems of traditional dam slope deformation monitoring methods， such as only obtaining point deformation information， long monitoring period， low monitoring accuracy and unable to carry out realtime monitoring， this paper took the Hongshiyan slope of Niulanjiang River in Yunnan Province as an example， and put forward the deformation monitoring of dam slope based on groundbased radar interferometry （GBInSAR） technology. In order to effectively monitor the deformation of slope， the principle and key technology of groundbased radar interferometry was analyzed in detail and applied in the realtime monitoring of slope stability. The results showed that the realtime monitoring of slope stability by groundbased radar interferometry could effectively monitor the deformation of slope and achieve the purpose of early warning of slope disasters.

Key words Dam slope;Deformation monitoring;GBInSAR;Disaster warning

我國是全世界名副其實的壩工大國之一。然而由于自然災害、地貌因素、水文因素、氣候因素以及人為因素等方面原因，導致我國每年都會面臨邊坡崩塌、邊坡滑坡、泥石流等嚴重的地質災害，給社會的生態環境和人民的生命財產安全造成了巨大的損失。因此，通過對邊坡形變情況進行實時監測，并將監測到的形變數據進行實時分析與處理，對于準確掌握邊坡的形變情況、形變特征和形變趨勢以及制定安全的防范措施及應急預案有著十分重要的意義。

傳統的大壩邊坡形變監測手段有全站儀、水準儀、測量機器人等，雖然這些測量手段已經得到了廣泛應用，但其經常無法進行實時監測，精度易受氣候時間、氣候、通視等條件限制。

合成孔徑雷達[1-2]（synthetic aperture radar，SAR）是一種高分辨率雷達，其特點是分辨率高，能進行全天時、全天候（24 h、全天候條件）、大范圍（數公里全面覆蓋）、高精度（監測精度達亞毫米）的實時自動化監測，可以在十分惡劣的環境條件下識別監測物體并獲取監測物體的高分辨率雷達影像。差分干涉雷達（D-InSAR）是SAR的一個重要應用，該技術已經在近十余年內得到了快速發展和應用[3-4]。合成孔徑雷達干涉技術（InSAR）主要包括星載和地基合成孔徑干涉技術，星載InSAR技術可以全天時、全天候工作，能夠獲取大范圍區域的地表沉降變形監測數據，但是由于星載InSAR技術時常受大氣干擾，監測精度低，且重返周期長，分辨率低，連續監測能力差，因此導致星載InSAR技術無法在大范圍區域進行高精度的實時監測。地基干涉合成孔徑雷達技術（GB-InSAR）不僅具有連續觀測性，而且觀測周期短，監測精度高（可達亞毫米），分辨率高，監測點可達百萬級。該技術屬于非接觸性測量方法范疇，適用于對邊坡進行實時變形監測[5]。筆者以云南牛欄江堰塞湖紅石巖邊坡為例，針對紅石巖邊坡的地貌、水文等特點，采用GB-InSAR技術對紅石巖邊坡進行形變監測，同時結合邊坡的形變數據以及數據處理分析的結果，進一步對該技術在紅石巖邊坡變形監測方面的可行性進行分析與評價。

1 GB-InSAR的測量原理

GB-InSAR是采用一種微波干涉技術的創新雷達，集成合成孔徑雷達（SAR）、干涉測量技術（D-InSAR）和步進頻率連續波技術（SFCW）等多種先進技術。其基本原理是通過SAR技術來提高GB-InSAR系統的方位向分辨率，通過SFCW技術來提高GB-InSAR系統的距離向分辨率，通過干涉測量技術獲取GB-InSAR系統的高精度視線向形變。GB-InSAR技術具有高精度、高空間分辨率、高采樣頻率和多角度觀測等突出的技術優勢[6]。

1.1 SAR技術的基本原理

合成孔徑雷達成像是一種高分辨率微波遙感成像技術，該技術可以對邊坡進行全天時、全天候監測、體積小、監測周期短、監測范圍廣、精度高、且受惡劣氣候條件影響較小。合成孔徑雷達（SAR）是利用小天線作為單個輻射單元，向某一固定方向移動，在不同的位置上接收同一監測物體返回的雷達信號并進行相關處理，進行成像[7]。通過小天線的運動形成一個等效的大天線，就可以獲得高分辨率的星載合成孔徑雷達圖像（圖1）。根據合成孔徑雷達成像技術原理得，設GB-InSAR系統發射的信號帶寬為，雷達信號波在空氣中的傳播速度為，則GB-InSAR系統的斜距向分辨率為c/2B，若GB-InSAR系統發射的信號波長為λ，系統在軌道上移動的最遠距離為L，則GB-InSAR系統的方位向分辨率為λ/2L[8]。該研究采用的是MPDMR-05-LSA1701型號的GB-InSAR系統，該系統主要通過雷達信號接收器沿著滑動軌道進行移動，從而形成合成孔徑效果，用于測量雷達小天線接收信號的幅度與相位信息，并通過差分干涉測量技術獲取地基雷達監測區域的地形信息和相對形變信息，從而達到監測邊坡形變的目的。GB-InSAR以固定的視角不斷地發射和接收回波信號，經過聚焦處理后形成極坐標形式的二維SAR影像。在影像像元內，距離向分辨率是固定不變的，而方位向分辨率與像元夾角及目標距離有關，將距離向與方位向進行結合，監測區域被分為若干個二維小像元（圖2），監測距離越遠，方位向分辨率越低[9]。

1.2 D-InSAR原理

2 GB-InSAR監測流程及技術

2.1 GB-InSAR監測流程

紅石巖邊坡所處地勢陡峭，地形復雜，外部山體形態變化不穩定，易受于人類活動和惡劣天氣的影響，這些因素往往會對邊坡監測產生極大的困難。因此，在監測前要整體規劃，制定一個完整規范的監測流程。該工作流程主要包括：構建GB-InSAR監測體系、建立GB-InSAR監測系統、采集實驗數據、數據處理、制作邊坡形變圖、建立邊坡預警模型以及制定相應的安全措施和應急預案等。具體監測流程如圖4所示。

2.2 GB-InSAR關鍵技術

GB-InSAR關鍵技術主要含有圖像配準、生成干涉圖、相位解纏、相位估計、地理編碼等技術。首先圖像配準技術是生成干涉圖的基礎，也是GB-InSAR形變監測的關鍵步驟之一，通過GB-InSAR系統在軌道上的2次滑動將所獲取的SAR影像中同一監測物體的像元匹配到同一位置的點位上，并利用該點位在2幅不同的時間獲取的SAR影像重疊的相位信息計算SAR影像的相干值即可完成SAR影像的圖像配準。在完成圖像配準后，通過提取由二維SAR影像數據生成高質量干涉圖的干涉相位為相位解纏做準備。由于噪聲以及平地效應的存在，在完成相位解纏工作前不僅需對干涉圖進行去噪處理，而且還要還需要去除平地效應，從而可以獲取更加直觀的高程信息和稀疏的干涉條紋，為相位解饞工作提供便利。干涉圖噪聲及平地效應會嚴重影響GB-InSAR數據處理中SAR影像的圖像質量，導致相位解纏工作無法實現。只有有效減少噪聲及平地效應對干涉圖的干擾，才能保證獲取高質量的GB-InSAR形變圖。相位解纏主要是將GB-InSAR獲取的干涉相位的主值還原為真值，也是GB-InSAR形變監測的關鍵技術之一，相位解纏的準確性直接影響到GB-InSAR監測結果的精度[11]。大氣相位校正是指當雷達電磁波信號經過大氣層時，大氣會對電磁波信號產生折射和散射影響，導致其傳播路徑延遲，從而形成大氣效應，對干涉結果造成嚴重影響。因此，在數據處理過程中，需要考慮到大氣相位對監測結果的影響，以提高監測精度。最后完成以上工作的同時，采用多源數據融合技術，將GB-InSAR技術與其他監測技術結合并分析出邊坡綜合形變信息，再對獲取的綜合形變監測結果進行地理編碼，并將雷達坐標系中的識別到的邊坡的點、線、面等屬性映射到同一個地理坐標系下。

3 紅石巖邊坡監測試驗與結果分析

3.1 試驗區概況

云南牛欄江紅石巖堰塞湖工程位于牛欄江下游河段，該工程左岸部分位于云南省昭通市巧家縣境內，右岸部分位于魯甸縣境內，中心位置位于103°36′E、26°99′N。壩址距上游小巖頭水電站廠房約23 km，距離下游天花板水電站取水壩約17 km，堰塞體長度約為910 m，高約103 m，總方量約為1 000萬m3。該工程兼有防洪、供水、發電、灌溉、旅游等綜合利用效益。樞紐工程上主要由堰塞體壩、右岸溢洪洞、右岸泄洪沖沙洞、右岸引水系統以及右岸岸邊主副廠房等建筑物組成，設計灌溉面積2 400 hm2，設計供水114.5萬人，裝機容量20.1萬kW，總投資35.9億元。

該工程邊坡為典型巖質邊坡，無植被覆蓋，邊坡高度落差大，地勢陡峭，該邊坡是由2014年8月3日魯甸6.5級地震所導致山體大面積崩塌從而形成的。目前邊坡下游部位坡面巖體為地震拉裂、損傷巖體、卸荷拉張裂隙發育、巖體破碎。該邊坡右岸大部為厚層、巨厚層棲霞、茅口組灰巖，在高程1 380 m附近分布有厚度20～40 m的梁山組頁巖、泥巖夾砂巖。根據現場地質人員對整個邊坡下游側進行實地勘察，對開挖外圍的地質條件做出了簡單的評價及危巖體的圈定。邊坡現狀如圖5所示。

該邊坡危巖體主要分為Ⅰ類和Ⅱ類，Ⅰ類危巖區主要表現為平行邊坡和垂直邊坡的2組陡傾角裂隙切割，且寬度大，與坡面基本分離，呈孤立塊體，穩定性極差;Ⅱ類危巖區主要表現為為平行邊坡和垂直邊坡的2組陡傾角裂隙切割，裂隙短小密集，但寬度不大，穩定系較差。

由于Ⅰ類危巖區巖體穩定性極差，將邊坡右岸下游側（1 765 m高程以下）危巖體細分分為7塊，即Ⅰ-6、Ⅰ-7、Ⅰ-8、Ⅰ-9、Ⅰ-10、Ⅰ-11、Ⅰ-12。Ⅱ類危巖區穩定性較差，將邊坡右岸下游側（1 765 m高程以下）危巖體細分分為4塊，即Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4。該邊坡危巖體等級具體劃分如表1所示。

3.2 GB-InSAR的作業條件

為了更好地監測目標區域，在選擇觀測房時，應考慮到以下條件[12]：

①持續供電。為了保證設備可以連續24 h進行監測，GB-InSAR系統需要持續供電。因此，在安裝GB-InSAR設備時，應保證對該設備的持續供電。若現場出現短時間斷電情況，應采用UPS繼續供電。

②監測距離及范圍。在施工現場布設過程中，應根據施工現場所處位置的地貌、水文等條件將雷達設備的監測距離及監測范圍控制在合理的范圍內，雷達設備最遠監測距離應小于5 km，最大覆蓋范圍應小于10 km2，在此基礎上，監測距離越大，雷達接收回波信號越弱，其誤差效果越大，監測效果越差，因此應根據現場實際情況選擇合適的監測距離。

③通視條件。GB-InSAR系統應該在能見度高的條件下工作。若能見度較低，則會對GB-InSAR系統的監測結果造成一定的誤差，影響其監測精度。同時，在雷達設備與監測目標之間不能有障礙物的存在，比如巖石、樹木、設備、無關人員等。如果存在障礙物，監測目標的反射強度會減弱，最終會影響監測設備的數據處理結果。

④設備安放點穩定性。在監測過程中雷達監測設備應平穩放置，不能受到振動。因此，在選址過程中要考慮將監測房安置于水平地面上。

⑤儀器架設位置。觀測邊坡時，應對設備視線方向和主滑移方向的夾角進行權衡，夾角越小，監測雷達對形變信號的強度越敏感，但不利于接收回波信號。

⑥滑坡植被。GB-InSAR系統的雷達波頻率較高，波長較短，其雷達信號對目標物體的形變比較敏感，但如果在監測區域內存在大量的植被，由于空氣流動的影響，植被會發生搖擺，雷達無法很好地接收監測目標的形變信號，最終會影響到GB-InSAR系統的監測效果。因此，監測區域應選擇植被稀疏的區域。

3.3 試驗方案與數據分析

根據該邊坡的實際條件，結合被監測邊坡的地質條件及危險區域的分布范圍，將GB-InSAR設備安置于被監測邊坡正南方向的地基較穩定處。為了確保GB-InSAR設備在監測過程中不受降水、大風等惡劣天氣條件的影響，并滿足其在惡劣天氣條件下仍然正常連續監測的要求，在紅石巖邊坡正南方向相對穩定的基巖上建立監測房。將GB-InSAR設備安置于監測房中對邊坡進行形變監測，監測房的建立可以有效地避免設備因不利天氣條件而對監測結果產生的影響，保證設備24 h連續監測。同時，將監測邊坡的系統服務器放置于監測房中，監測人員可以通過客戶端對GB-InSAR設備的監測結果進行數據分析以及實時預警。GB-InSAR設備采用24 h連續監測，測量頻率7 min/軌，水平方向觀測角度-34.6°～34.6°，監測雷達的中心視線與水平夾角約為25°，距離向分辨率0.2 m，方位向分辨率為5.5 mrad。最后，對邊坡監測區域的形變情況進行實時監測及實時數據分析與處理[13]。

該監測站于2018年12月20日開始部署，并于2018年12月21日開始試運行且對紅石巖邊坡進行監測，試運行時間段為2018年12月21日至12月31日。該設備于2019年1月1日正式運行，該研究選取監測時間段為2019年1月1日至1月31日所采集到的數據并對其進行數據分析。地基監測雷達在監測期間共獲取3 410幅SAR影像，該GB-InSAR設備觀測距離為300～500 m，觀測范圍覆蓋整個邊坡區域。該設備主要針對監測區域的1～10號點位進行數據分析，如圖6所示。

依據該邊坡的形變結果，對該邊坡形變區域進行了現場實地考察，該邊坡右岸上方由于施工方正在進行清渣作業，導致部分石頭和塵土下滑，導致7號與10號點位累計形變量增加。該邊坡左岸下方由于施工方進行爆破作業，同時加上近期雨雪天氣的干擾，導致8號與9號點位累計形變量增加。總體來看，GB-InSAR監測結果為施工現場的安全保障提供了有效的數據支持。紅石巖工程項目部技術人員根據現場監測數據及時地進行了施工人員撤離并對邊坡左岸上方崖壁進行了防護網加固工作，有效避免了邊坡災害的發生。

4 結論

該試驗結果表明，該系統可以不受暴風雨、霧霾等惡劣天氣條件的影響，能夠全天候地進行低邊坡實時監測，該系統在雷達視線上監測精度可達毫米級別，且具有距離遠、范圍大、連續空間覆蓋、全自動等優點。筆者通過MPDMR-05-LSA1701型號的GB-InSAR系統對云南牛欄江紅石巖邊坡進行監測試驗，并通過試驗分析發現邊坡7～10號點位累計形變量較大，并根據試驗數據及時對邊坡左岸上方崖壁進行了防護網加固措施，有效避免了邊坡災害的發生。

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