合成孔径雷达干涉测量技术在卫星监测大坝中的应用

［瑞典］O.E.里尔 等

1 概述

在斯堪的纳维亚，随着监管机构和公众对大坝的要求越来越高，运行已久的大坝安全性变得尤为重要。由于人们对仪器仪表规格、测量精度和监测时间间隔要求越来越高，这就需对传统的监测方法加以改进，因此改进技术便成为了研究热点。对大坝而言，其测量精度需达到毫米级才能确保监测方法的有效性。例如高土坝，一旦建成，第1年就会以几分米或几厘米的速度沉降(沉降速度取决于大坝高度、施工方法、填压方法、材料和坝基等)。随后几年，大坝将以合理的对数速度沉降，直到年沉降速度仅几毫米(或不足1 mm)为止。目前要求每年或每两年对大坝进行地质监测，以确认大坝垂直和水平位移是否正常。大坝任何方向的加速位移，都预示着发展态势不佳，据此可在大坝出现问题之前进行有效的处理。

到目前为止，人们一直致力于运用成熟的方法来监测大坝，如大地测量或激光扫描等，但这些方法成本高，效果也很有限。此外，已经证实传统方法在观测水库边坡方面的应用非常受限，因为监测水库边坡可能需要大量的测量点，且处理偏远地区或地形陡峭地区的水库也绝非易事。而现在采用新的测量技术，便能扩大可选范围，获得较为理想的成果。

2 合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)

在过去的几十年中，合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)已被证实在地形位移测量中是一种非常强大的测量工具。SAR干涉测量(合成孔径雷达干涉测量的简称)技术结合了两个(或更多)连续的复值SAR图像。在不同时间拍摄的两个SAR图像之间的相位差称为干涉相位，它是几个信号分量的总和，即地形信号、雷达视距中的地形变形信号和大气环境差异信号，见图1。两个SAR图像之间的相位差有望用来监测毫米至厘米级的地面变形。

然而，干涉相位测量会受各种因素的影响，从而妨碍地表位移监测的进行。大气路径延迟是主要限制因素，它会在相位测量中引入一个未知的偏差并使时间相关性消失，这就使得InSAR相位测量不可靠，因为分辨单元中分散时的相对位置会发生改变。但通过使用多时相InSAR技术，结合多个SAR观测结果，可在一定程度上减轻这种影响。使用两个以上SAR观测区可能会使测量冗余，因此可考虑使用更先进的时间序列法。

图1 InSAR技术原理

由于卫星无法精确重复其运行轨道，卫星的两个位置之间会存在一定距离(基准线B，如图1中所示)，因此地面上点的高度z不断变化。InSAR处理过程可通过使用一个现成的数字高程模型(DEM)，以达到忽略信号影响的目的。若忽略地形影响，则可获得所需的变形信号(如果该信号存在)及一个由大气环境变化引起的信号分量。在某些情况下，噪音太多而无法分辨出变形信号，在积雪多、土壤水分变化大或植被茂密的地区更是如此。因此在冰雪覆盖的地区、潮湿的沼泽地和茂密的森林带，InSAR技术是无法正常运用的。

地面变形大于两个分辨单元(像素点)之间雷达波长(ERS卫星约50mm)时，相位是否可复原是不可确定的。例如，在重大建设工程中，受影响的像素点连贯性会消失。然而，InSAR技术用不上的地方总会存在，特别是在工程建设领域。

进行InSAR分析时，也可同时获得连贯性结果，连贯性可用于测量干涉相位的稳定性。在常规分析中，人们往往只关注非常缓慢的变形，也就是说，相位稳定性越高，获得的结果就越可靠。

研究的结果是各点的时间变形序列，每个点的信号质量都进行了测试，信号质量本质上是指连贯性的高级阈值。一种常用的变形结果表示方法是为每个测量点的预估时间变形序列拟合一条线性曲线，这条线的斜率就等于该点的平均变形速度。本文用的所有InSAR处理过程都是基于NORUT开发的GSAR软件完成的。

3 InSAR在大型土石坝中的应用

瑞典高125 m的特兰斯赖特(Trängslet)堆石坝建在厄斯特达尔河上，厄斯特达尔河长30km，沿东南方向穿过瑞典中部的达拉纳省。人们对该坝进行了数十年的研究，收集了自1961年其建成以来的大量历史沉降数据，但遗憾的是，1988年数据采集工作中断，因此而失去了原先的基准，新老数据就很难联系起来，因为1993～2000年的历史 SAR数据与新数据不能完全吻合。

本文分析建立在1993年5月23日至2000年7月23日期间欧洲航天局(ESA)1号欧洲遥感卫星(ERS－1)和2号欧洲遥感卫星(ERS－2)的43个SAR数据(下行轨道，22号轨道2367帧)的基础之上。雷达扫描面积约100km×100km。ERS卫星的工作波长为56.6 mm，雷达朝向西方(105°)，垂直方向角度约为23°。ERS卫星方位角上的空间地面分辨率约为5 m(沿飞行路径)和20m(垂直飞行路径方向)。对于特兰斯赖特坝而言，这意味着分辨率最低，而位移却很大(垂直于坝轴线方向为20m，平行于坝轴线方向为5 m)。

将一个面积约7 km×10km的分区SAR图像进行了处理，重点关注坝区。总共计算了241个干涉图，使用的空间基线阈值为300m，时间基线阈值为3 a。采用了2 m高的地面标识的数字高程模型来消除地形相位的影响，之后进行了多次多角度的复杂观测，分别在一定范围和方位角各观测1次和5次，在这两方向上获得的像素点的地面分辨率接近20m。由于分析仅仅涉及一个小区域，因此可忽略轨道数据误差带来的缓慢变化的影响。为了排除不相关区域的影响并使相位解缠可行，只选择了相位稳定的像素，至少50%干涉图的相干性在0.25以上。所选择的大多数像素与房屋和其他基础设施等工程建筑相关联，因此可以作为分析基准，以确保大坝位移映射的准确性。干涉图中所有相干像素通过使用SNAPHU软件解缠，并最终将解缠数据作为输入数据输入到小基线子集(SBAS)时间序列InSAR算法中。SBAS处理技术使用解缠干涉图来过滤掉不需要的信号，而这些信号主要是由于环境的变化和高程模型的误差所产生。使用空间插值法编写结果地理编码可以提高结果的可读性和实用性。为了与现场数据进行对比，需将变形测量值从视距方向投影到垂直方向，最终找出SBAS处理技术获得的地理编码/可用于地理资讯系统的输出值与复达欣能源公司在特兰斯赖特坝基于现场基准的人工观测法收集的历史测量数据之间的相互关系。

高质量的像素点也能很好地覆盖整个坝体结构，这些像素点可用于校准卫星图像，以尽量减少读数误差。InSAR只能够测量相对位移，且必须选择位移已知的参考区域以供参考。所有位移都是相对于相干性高的一个建筑物上点(纬度61.386725，经度13.711330)的相对值。通过进行多次多角度观测得到了SBAS－InSAR结果，其中地面分辨率约20m×20m，再通过插值法，将其定位在10m×10m上。5 m×20m是SAR原始分辨率，与SBAS不相关。SBAS处理时预计误差出现在应用数字高程模型中，这个误差只会影响最终定位(地理编码或落点)，因此预计精确度的影响不会很大。

4 历史测量数据分析

与大多数土石坝工程一样，特兰斯赖特坝在完工之后，必须对其进行密切的监测来确保其安全运行。自大坝建成50a以来，在安全监测原则符合当前标准之前，由于部分监测数据丢失，监测序列中出现了大量的空白。目前，可用于测量的可信施工记录始于1961年，且主要集中于1970，1972年和1988年。1983年出台新标准之后，获取了最后一轮监测数据，1988年原项目结题。2003年新的标准再次出台，大坝监测工作才在中断15 a后重新启动。

大量新沉降测量工作收集了2003，2004，2009年和2010年的沉降数据。因为许多原先在施工期间用来衡量沉降的测点都已损坏或丢失，因此过渡期遇到了一些难题。由于大坝中心上升时必须开展大量的修复工作，或由于自然的磨损和断裂，因此在15 a的中断期期间，测点损坏或丢失不足为奇。多年来，坝顶的测点不断上升，最高的两条马道也被回填，靠近坝坡坡底的许多测点也遭到了损坏。

遗憾的是，2003年以来的大多数测点不符合当时的相关规定，从而进一步降低了成果的可信度。基于此，需评估建立可靠的大坝新基准和测点来取代当前基准和测点的必要性，InSAR研究是评估这一必要性的项目的一部分。

从2010年的监测数据测评结果看，现有基准和测点的可靠性问题很突出。此次测评发现，某些测点，特别是2003年之后一些测点的测评结果表明，大坝会持续出现位移，但是这种位移与一般在此类坝中监测到的随时间的沉降有所不同。有人怀疑这是新旧基准的不一致性所致，但由于原先的基准已经丢失，因此该论点无法得到证实。

有人建议建立新基准点和测量点，以验证实际位移。但是，这将需要花几年时间来观测大坝，以验证是否确实存在持续的位移，或者验证测量值是否与新旧基准之间的偏差及人工读数误差有关。经彻底检查编录的全部位移数据之后，根据可用性、目测情况及历史记录数据的一致性，从原先测点和新的测点中挑选出了13个测点。由InSAR分析趋势线中新旧数据集之间的相关性证实了在预期值和记录值之间存在系统误差。图2描述了这种不一致性，之前在2010年大地测量数据的分析中也监测到了这种不一致性。趋势走向曲线，不仅可用于描述其他大型堆石坝中监测到的沉降模式，还可使观测到的跳跃值可视化。

图2 历史监测数据与InSAR数据的拟合

图2综合了InSAR历史数据与测量数据，In－SAR数据显示的是相对位移趋势，而不是绝对位移趋势。由于InSAR测量数据与第一颗人造地球卫星图像一致，因此应将初始数据与1988年的历史测量值综合起来，因为这些测量值是公认最可靠的，而且更重要的是这些测量值与大坝的原始位移有关。综合这些数据的另一个原因是，最可能出台的新基准将用于测量相对位移，而不是绝对位移。

5 结果分析

位移加速观测表明:2003年后读取的数据与InSAR技术分析结果不一致。如图2所示，InSAR数据与起初的沉降测量数据趋势一致。该图中选取的新测量值更大，这表明相比旧基准，新基准在同一高度参照体系中无相关性，因此原始测量中使用了更旧的且不相关的参照体系的假设似乎是成立的。新基准很可能与初始读数之间无任何联系，因为新基准旨在测量相对位移，且旧基准似乎在建立新基准之前就已经丢失了。为研究坝体完工后的位移变化趋势，需测量每个测点的绝对位移。

目前正在进行深入调查，以确定并记录新旧基准之间的关系。这次深入的人工调查包括调查原基准的应用领域。如果能找到旧基准应用领域，则将开展校正工作，将这些应用领域相互关联并建立其与当前基准体系的关系。

某些测点人工观测读数所显示的位移加速变化趋势可能与1983年和2003年新基准的建立有关，因为1988年的位移读数显示了非下降位移。除此之外，对历史数据产生重大影响的因素有两个。1988年之后的读数是用全站仪而不是水准仪测量的，出现高度测量误差达7 mm的测点是可能的，加上调节振幅较大且测量时间与水库位移变化趋势无关联，这些都意味着历史数据存在很大的不确定性。

InSAR测量数据与预期一样同趋势曲线吻合。InSAR分析结论是有用的，因为它可能可以证实2010年分析得出的不同基准体系之间的不一致性猜测。还可以进一步推断的是，大坝位移与预期趋势线一致，但这并不能反映2010年将新旧测量点综合进行分析时得出的位移加速的结果。

6 InSAR应用潜力及其局限性

从试点研究结果来看，InSAR技术似乎有望满足地面位移监测中有关大坝安全的要求，因为它符合精度要求，且具备传统方法无法比拟的优势。In－SAR技术具有的优点概述如下。

(1)无需到达测量区就可以较高精度测量某一给定点相对一个参考区的位移。

(2)不会受当地基准或测量点质量或损坏情况的影响，不受测量点的冻胀、意外损坏或其他人为因素的影响。

(3)如果可获得调查区的历史卫星数据，则可得到过去20～25 a的历史变形数据，这使得填补历史人为读数数据空白成为了可能。

(4)可验证其他观察法获得的历史数据，并将这些数据相关联及校准不同仪器的测量数据。

(5)覆盖面积较大，使用户能看到更大区域的变形状况。

(6)空间分辨率高。

(7)商业化的卫星系统重复周期长(4～24 d)，可以以合适的成本进行频繁更新。

当然，InSAR技术也有上文所述的一些劣势，概述如下。

(1)大坝多建于偏远山区，气候条件变化快。积雪和茂密的植被可能会限制可获得的卫星图片数量，从而减少可获取的可靠数据。对于瑞典等北部地区，其地形可能会导致雷达阴影和定格，从而屏蔽掉部分需探测的区域。不过也可从其他角度来获取数据，或许可弥补上述不足。

(2)一个通路的重复时间至少为4 d，而且还因卫星而异，如果需要对某些区域进行连续监测，该方法可能失效。

(3)卫星雷达视距会降低某些大坝(位移)方位的监测灵敏度，但这一情况在某种程度上可以通过同时获取上行下行轨道数据来缓解。南/北方向上，受卫星极地轨道影响，(水平)位移灵敏度最低。

在进行该研究之前，除了有待确定成本和性能之外，还需要指出的是，上述劣势并非InSAR方法所特有，因为积雪覆盖也会影响大部分传统监测方法的监测精度，但随着卫星图像质量的提高以及新卫星和传感器应用于轨道上，监测精度极具提高的潜力。

从试点研究结果看，InSAR技术似乎很适合用于监测大坝安全。尽管此前很少有人去系统地尝试构建监测大坝的方法，但2011年挪威斯瓦特范(Svartevann)坝的试点研究就是这样一种尝试。该研究揭示了InSAR方法的应用潜力，但未能用人工监测点或基准去验证所记录的位移。虽然特兰斯赖特坝分析确实对于了解InSAR方法提供了有用信息，但由于历史数据与基准的不一致性，它没能完全验证InSAR技术的监测精度。因此对历史测量点读数精度得到验证的大坝进行分析是有必要的。

7 结语

本文研究结果表明，InSAR测量技术精度足够用于大坝坝坡的监测;分辨率低的ERS－1和ERS－2卫星历史数据可用于填补测量数据上的空白，且可进一步作为质量控制器，检测现有人工测量数据和历史数据中的不足。

目前商业化的卫星，如TerraSAR－X卫星，其分辨率高达1 m×1 m(聚光灯模式)及3 m×3 m(条带式模式)。正在进行中的下一阶段试点研究的研究对象是瑞典和挪威的4座大型坝。届时将利用X波段(TerraSAR－X)和C波段(ERS－1/2，Enivsat ASAR和RADARSAT－2)图像跟踪这些大坝的沉降情况，从而建立该技术的可信度。该研究的长期目标是通过替代当前的人工沉降观测，在提高大坝安全性的同时降低成本。