InSAR衛星遙感在農村水電站擋水建筑物安全形變監測上的應用

楊 佳， 劉若星，金華頻

(1.水利部農村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2.水利部農村水電工程技術研究中心，浙江 杭州 310012)

1 概 述

農村水電站在解決山區農村供電、促進區域經濟發展、改善農民生活條件與生態環境、調整當地產業結構以及保障應急供電等方面具有重要作用，是農村重要基礎設施和公共設施[1]。根據2019年全國農村水電統計年報顯示，全國農村水電站共有45 000多座，廣泛分布于全國除上海以外的各省、直轄市和自治區。組成水電站的水工建筑物包括擋水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物和廠房等，其中擋水建筑物一旦發生危險極易引起公共安全事故。

農村水電站運行風險主要源于病險水工建筑物，特別是病險擋水建筑物。根據以往的水庫工程安全經驗，多數安全事故發生在擋水建筑物運營期間，原因主要是工作條件復雜，在長期運行中，相關參數受地質、氣候等內外因素影響，發生了一定的變化，從而出現安全隱患乃至事故。水利部、能源局及各級行政主管部門多年來制定了比較健全的規章制度與技術標準，近些年，對小型水庫、山塘的安全監管工作也不斷加強。如2020年11月浙江省發布的《浙江省小型水庫系統治理工作方案》，推動了小型水庫管理粗放型向專業型轉變，安全鑒定和除險加固實現常態化，構建了工程安全生態、管理智慧高效的小型水庫治理體系。

2 現狀分析

擋水建筑物安全監測主要包括對建筑物結構、地基基礎、兩岸邊坡、相關設施以及周圍環境的儀器觀測、儀器探查和直觀檢查。在監測內容上，我國現階段對大壩安全進行自動化監測主要包括滲流監測和形變監測[2]。大壩形變隨時間緩慢累積特征，到一定程度引發損壞，影響安全。形變監測主要對大壩物理參數進行分析和監測，包括水平及垂直位移[3]。目前主要的自動化形變監測方式是根據每一個地質階段設置一個安全觀測點，使用有線或無線傳感設備對大壩相關參數進行數據采集，經過網絡傳輸實現對數據的存儲和處理分析；實現實時性、精細化對壩體進行安全監測工作。

根據長江經濟帶清理整改摸底調研結果，農村水電站分布廣泛、量大面廣，擋水建筑物自動化監測程度低，安全管理任務重、監管難的問題十分突出。

(1)擋水建筑物的安全監測以人工巡檢巡查為主，缺乏自動化安全監測技術手段。根據長江經濟帶小水電清理整改摸底結果顯示，占比70%左右的農村水電站為私人或股份制所有，對擋水建筑物維護費用普遍投入不足，無監測專項費用支出保障。巡檢巡查人員缺乏擋水建筑物安全檢查知識，巡檢巡查頻率低，有的因為山高林密，只能1個月1巡，甚至幾個月1巡，有問題無法及時發現。另外，缺乏自動化安全監測設備、監控設備，投入費用高，網絡通訊條件不理想，都是制約開展自動化安全監測的因素。

(2)監管覆蓋面不足。受水庫數量多、資金不足等客觀條件制約，行業管理部門對轄區內水庫大壩安全監管主要以檢查、核實、調研和監督等傳統手段為主。對農村水電站的擋水建筑物監管覆蓋面不足，與水庫管理單位缺乏安全監測信息的互聯互通。未建有安全監測設施的缺乏對擋水建筑物安全的科學判斷依據；已建有安全監測設施的，雖積累了一定量的監測數據，但由于水庫管理單位技術人員分析研判能力因人而異等原因，通過安全監測資料及時分析大壩安全運行狀態，起安全隱患預警作用的能力有限。

如何借助于新型的技術手段，探索低成本、大范圍的擋水建筑物安全監測新思路，以高效、經濟的方式，兼顧水庫個體的精細化監測及區域整體的粗顆粒度監測，滿足新時代安全監管要求，是當前農村水電行業的迫切需求。

3 InSAR技術及應用

隨著衛星傳感技術的發展，合成孔徑雷達干涉測量(InSAR，synthetic aperture radar interferometry)技術對擋水建筑物形變監測提供了一種全新的監測方式。

SAR中文名為合成孔徑側視雷達，搭載有SAR作為觀測傳感器的衛星即為SAR衛星。目前可以查詢到的在軌的SAR衛星主要包括日本ALOS—2衛星、歐洲空間局Sentinel—1衛星、意大利COSMO—SkyMed衛星座、德國TerraSAR—X/TanDEM—X雙子衛星、中國高分三號等不同國家的SAR衛星。其中，歐洲空間局對Sentinel衛星數據實施免費開放政策，中分辨率的Sentinel—1SAR衛星IW模式SLC數據也可免費下載到。

InSAR技術通過比較兩幅不同時刻獲取的SAR衛星影像相位相關干涉信息，提取目標地物在衛星視線方向上的位移變化，實現對表面地形、形變位移的監測[4]。相對于傳統觸感式傳感器的監測方式，InSAR技術可以實現：

(1)大范圍、連續、高密度測量。相比較于水準儀及GNSS技術對離散點的監測，InSAR實現的是面覆蓋，如一景空間分辨率為3 m的高分辨率SAR衛星影像覆蓋范圍約是1 500 km2，基本覆蓋區縣級城市轄區，可實現對整個轄區面積范圍內地物的監測。

(2)無接觸式監測。SAR衛星通過發射微波信號，接受回波信號對結構表面的微小形變進行反演，無須安裝傳感器，對監測主體無損害，尤其適用于監測面積較大的精密結構，并可有效降低成本[5]。

(3)全天時、全天候。SAR衛星發射的微波有穿透力強的特點，可穿透云霧，這對于雨季或常年云霧濃密的部分地區的觀測十分有利，可有效彌補光學影像可見光無法穿透的缺點。

雖然InSAR技術在地形測量DEM生成，在地震、山體滑坡、火山等地質災害有重要的應用價值，但由于InSAR技術的原理是根據雷達波干涉相位差來提取信息，容易受衛星軌道誤差、地形數據誤差、大氣延遲等因素的影響，造成信息無法提取或形變精度不足。目前在應用上，通過InSAR技術來提取形變量的場景，往往是形變量級較大，如地震、山體滑坡、火山等大尺寸、大形變的突發性災害。另外，對做相位干涉的二景衛星影像也有嚴格的要求，這些原因制約了InSAR的應用范圍。

目前在InSAR的基礎上，發展和完善了多種新的技術途徑。用于探測隨時間累積的緩慢形變的序列差分雷達干涉疊加技術(時序InSAR技術)是其中一個重要方向。時序InSAR通過揭示形變空間關系可以找出形變位置，適合于監測形變量級較小，形變輕微，形變發展速度較為緩慢，隨時間序列下有形變趨勢特征；目前在城市填海區的沉降監測，高鐵橋梁、地鐵、跨海大橋等沉降形變監測中得到了應用。

時序InSAR技術的原理是使用同一顆SAR衛星或相同傳感器的星座衛星對同一地區在一段連續間隔時間獲得的多景SAR衛星影像，依據監測地物的散射特性，探測出時間序列上相關性較高的目標(見圖1)。基于這些特定目標的相位時間序列進行建模分析，采用多參數整體迭代的方法分離大氣延遲、衛星軌道誤差等相位，獲得高精度的時間累積下的形變測量趨勢(見圖2)[4]。目前代表性的時序InSAR技術是永久散射合成孔徑雷達干涉測量(persistent scatterers interferometry SAR,PSinSAR)技術。在實際應用中，PSinSAR常和短基線SBAS(small baselines)inSAR處理得到的結果相互驗證。

圖1 雷達強度圖中的PS點

4 存在問題

InSAR是遙感領域的前沿技術，雖然在城市、區縣維度的大范圍地表形變監測中具有巨大的應用潛力，但在行業應用上仍面臨著很多難題。

(1)SAR衛星影像數據來源，開放的免費資源不足，高分辨率SAR衛星影像收費較為昂貴。使用PSinSAR需要20～30景，最少需要20景連續間隔的同軌SAR衛星影像。目前歐洲空間局免費分發的Sentinel—1衛星數據的空間分辨率是5×20 m，即影像上的每一個像元對應地物的實際面積是5×20 m，對于較小體量的目標地物，分辨率不夠，需要分辨率更高的衛星影像。目前高分辨率的SAR衛星影像需要按景付費購買，做一次時序分析購買數據費用較高，限制了推廣應用。

(2)PSinSAR通過計算在時間維度上相位穩定的永久散射體(PS點)，反演形變信息，適用于有較多相關性較高的永久散射體(PS點)區域，典型的PS點如房屋、橋梁、鐵軌等具有金屬強散射。因此城市更適合采用此項技術。在植被濃密的自然環境中，穩定的PS點較少，山區場景下，使用PSinSAR技術需要進一步驗證和試驗。

(3)SAR衛星通過傳感器在視線方向的相位差干涉獲取形變信息，當形變發生在沿衛星飛行方向或有復雜的形變機理，InSAR技術無法獲取有效的形變信息[4]，目前仍是合成孔徑雷達干涉的前沿研究方向。

(4)由于SAR衛星對同一地物觀測的重訪周期一般以周為單位，即使有多顆衛星的為星座配合，目前的重訪周期也是以周為單位，無法實現實時監測，只能做回顧分析。

(5)遙感技術獲取的數據非常龐大，如一景中分辨率的Sentiel1A衛星影像的數據量達到5 G，遠遠超過了用傳統方法所獲取的信息量；使用傳統數據庫如何儲存和處理，也是面臨的一個問題。

5 展 望

本文針對大量農村水電站擋水建筑物缺少安全監測，存在安全隱患的問題，從理論上分析使用InSAR衛星遙感技術進行區縣范圍內擋水建筑物面上形變監測的可行性、優劣勢及目前使用該項技術碰到的難題，是衛星遙感技術在農村水電行業信息化上的有益探索。隨著衛星遙感技術的快速發展，更多民用SAR衛星的發射上天，全球化開放共享合作加快，衛星遙感技術在各行業不同場景下的應用必將不斷豐富和深化。

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