基于SAR的洞庭湖堤坝形变监测方法研究

袁会林 谭三清 李建辉 曾荣亮 杨振兴

摘 要：对于监测堤坝形变信息的需求，根据SAR系统的特性，介绍SAR系统成像的基本原理和影响SAR观测结果精度的因素，并探讨不同的SAR形变监测技术。以洞庭湖研究区域为例，选用Sentinel-1A雷达数据，利用SNAP软件进行形变信息提取，得到时序形变图，为洞庭湖堤坝安全做出贡献。

关键词：SAR系统 堤坝形变 洞庭湖区域

中图分类号：TV698.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（b）-00-04

Abstract：According to the characteristics of SAR system， the basic principle of SAR imaging and the factors affecting the accuracy of SAR observation results are introduced， and different SAR deformation monitoring techniques are discussed. Taking the study area of Dongting Lake as an example， Sentinel-1A radar data is selected to extract deformation information using SNAP software， and time series deformation map is obtained， which contributes to the dam safety of Dongting Lake.

Key words：SAR system； Dam deformation； Dongting Lake area

堤坝作为防范水患、引流蓄水的重要工程建筑，在维护生态环境安全和人类生命财产安全方面有着举足轻重的作用。随着社会的发展，我国从建国初期的4.2万km堤坝到如今已建成29万km堤坝，并且材质由大量的土石坝改进为混凝土坝，我国堤坝建设工程发展迅速，已达到世界前列的地位。修筑堤坝在防洪灌溉和蓄水发电的同时，也存在一定的危险隐患，堤坝因不同的土壤、温度、地质等自然原因和自身的结构设计、荷载承重等自身原因，加上长年累月的河床冲刷，可能出现不同程度的渗漏和形变，严重影响堤坝的稳定性，威胁到人类的生命财产安全。因此，人类对及时准确地监测堤坝形变信息的需求越来越迫切。

如今堤坝形变监测方法的研究已经取得了一些成果，综合来看，主要分为基于点和基于面的两大类。多传感器融合技术、光电准直测量技术、全球定位系统监测等是基于点的监测方法，即检测有限个点的形变情况来判断堤坝的形变情况；三维激光扫描技术则属于基于面的监测方法，它是快速重构三维点云模型，形成基于面的监测方法[1]。SAR数据因其全天时、全天候的特点，现广泛应用于堤坝形变监测的研究。本文主要论述在洞庭湖流域，利用SAR技术进行堤坝形变监测的方法，为维护洞庭湖生态安全做出贡献。

1 研究区概括

洞庭湖位于长江中游，跨湖南、湖北两省，总面积为2579km2，总容积为220亿m3。洞庭湖是由燕山运动断陷所形成的碟形盆地，东、南、西三面环山，北边敞口，东南低、西北高，湖体整体呈U形[2]。新中国成立以后，以水利建设为核心的洞庭湖治理工程成为政府主抓的重点，在“蓄泄兼筹，以泄为主”为主的治理方针下，国家开始围绕洞庭湖流域大力建设和维护防洪堤坝，保证了湖区的蓄水泄洪能力。正因为洞庭湖强大的蓄洪能力，曾多次化解长江地区洪水危机，维护了长江中下游平原地区人民的生命财产安全。近年来，因泥沙淤积、人工围垦，湖区面积逐渐缩小，洞庭湖区频繁的洪水灾害加上独特的地貌环境，使得洞庭湖流域堤坝渗透、形变情况严重，给防洪工作带来隐患。洞庭湖位置如图1所示。

2 SAR基本原理

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）作为高分辨率成像雷达，具有全天时、全天候工作特点，不受天气与光照影响，并能有效穿透掩盖物，可在能见度极低的情况下得到高分辨率图像。

2.1 SAR成像原理

SAR系统成像方式都是侧视距离成像，搭载雷达传感器的飞行器在距地面H的高度进行观测，雷达天线长和宽分别为L和W，雷达的波束大小与雷达天线和波长有关。距离向张角βr=λ/W，方位向张角βa=λ/W。雷达传感器对观测物进行观测时形成的几何观测图如图2所示[4]。

2.2 SAR成像影響因素

SAR应用于观测或形变监测时，对其观测精度有非常高的要求，要提高观测精度就必须了解影响SAR成像的因素。SAR信号在发射、传输、接受的过程中主要是受自身系统和外部环境影响。

2.2.1 自身系统影响因素

SAR系统在观测获取结果时，影响其精度的自身系统因素主要是雷达波段和极化方法。

（1）雷达波段。

SAR系统工作的不同微波波段，适用的观测对象也不相同。L低频波段用于植被覆盖地表的观测；S波段较为平衡，能适用各需求；C波段大多用于海洋观测；X、Ku高频波段用于城市建筑的观测[5]。SAR系统微波波段范围如表1所示。

（2）极化方法。

雷达极化方式是指雷达发射的能量脉冲的电场矢量，可以在垂直（V）或水平（H）面内被偏振。SAR系统主要运用HH、VV、HV、VH这4种极化方法，不同的极化方法，在观测目标时，所接受的图像信息各不相同。因此，极化方法的选择对SAR的观测精度有极其重要的影响。

2.2.2 外部环境影响因素

外部环境条件对SAR系统发射、传输、接收信号的过程有着非常大的影响，观测目标的特性和大气条件是其中最主要的影响因素。

（1）观测目标的特性。

观测目标的结构、方位、几何复杂程度、掩体介质等特征信息，在SAR系统进行观测时，都影响着最终的观测影像结果，它影响着SAR系统获取的地物目标散射信息和影像特征。

（2）大气条件。

SAR系统在观测时，微波信号的发射和接收都在大气中进行传输。SAR系统虽能做到全天候工作，但在极端恶劣的天气情况下进行观测，SAR成像依然会存在一些影响。对于在雷达干涉测量的工作中，主要的误差可能就是大气条件的影响导致的。

3 SAR形变监测技术

目前雷达技术正处于快速发展阶段，为了得到更加高精度、高效率的雷达观测数据，SAR形变监测技术的研究越来越重要。当前，应用于SAR形变监测的技术主要是合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）和合成孔径雷达差分干涉测量技术（D-InSAR）。

3.1 InSAR技术原理

InSAR技术因其高效稳定的特点，是当前应用较为广泛的形变监测技术，它是利用SAR数据对地表重复观测形成的微波相位差计算地表形变。当相干性良好时，相干像元密度较高，能够直接获取相连的面，即可反映形变的情况。

如图3为InSAR观测示意图，SAR系统对地进行观测，o为坐标原点，代表地球中心，x轴代表距离向，y轴代表SAR指向天线的方向。

3.2 D-InSAR技术原理

D-InSAR技术是利用同一地区的不同时间的SAR影像，通过差分干涉方法，去除不同观测相位中的共有量，从而得到形变相位。最后将差分干涉相位通过相位解缠等操作转变为形变位移量的过程即为差分干涉测量。D-InSAR技术主要应用在地震、滑坡崩塌、地面沉降等方面。

4 洞庭湖堤坝形变信息提取

4.1 数据来源

Sentinel系列卫星是欧洲哥白尼计划空间部分的专用卫星系列，由欧洲委员会投资，欧洲航天局研制。Sentinel-1A卫星载有合成孔径雷达，能提供全天候的雷达影像。

该研究通过Sentinel官方网站https：//scihub.copernicus.eu/dhus/#/home下载Sentinel-1A的IW数据，数据覆盖范围如图5所示。

4.2 数据处理

SNAP软件是雷达数据的专业处理软件，可进行雷达影像处理分析工作，堤坝形变监测工作、滑坡形变工作等。利用SNAP对洞庭湖Sentinel-1A数据进行处理流程如图6所示。

4.3 洞庭湖堤坝形变结果

洞庭湖Sentinel-1A数据影像经过配准、裁剪、校正等预处理过程，结合DEM数据进行相干性处理，去除平地相位，得到差分干涉图。运用最小费用流算法进行相位解缠处理，得到相位解缠图，对于大面积的相干区域，这种方法能有较好的效果。将相位信息转变为形变信息，得到如图7所示的洞庭湖堤坝时序形变图。

5 结语

SAR技术因其具有穿透性、全天时、全天候、高精度的特点，广泛应用于地表形变监测领域。在观测过程中，SAR系统自身的因素和外部环境会影响其观测精度。同时，对于不同特性的观测目标所需选用的形变监测技术方法也不相同。该文通过利用Sentinel-1A雷达数据，對洞庭湖堤坝进行形变监测，得到了洞庭湖堤坝时序形变图，为维护洞庭湖堤坝安全做出贡献，同时也表明了利用SAR数据在堤坝形变监测方面具有较大的前景。

参考文献

[1] 徐忠阳，郭志勇.水库大坝表面变形自动化监测新技术[J].测绘通报，2006（3）：75-76.

[2] 丁立勇.浅析洞庭湖区防洪整治措施[J].湖南水利水电，2005（6）：37.

[3] 郭华东.雷达对地观测理论与应用[M].北京：科学出版社，2000.

[4] 蒋厚军.高分辨率星载InSAR技术在DEM生成及更新中的应用研究[D].武汉大学，2012.

[5] 廖承恩.微波技术基础[M].北京：国防工业出版社，1984.

[6] 廖明生，王腾.时间序列InSAR技术与应用[M].北京：科学出版社，2014.