InSAR卫星遥感在农村水电站挡水建筑物安全形变监测上的应用

杨 佳， 刘若星，金华频

(1.水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；2.水利部农村水电工程技术研究中心，浙江 杭州 310012)

1 概 述

农村水电站在解决山区农村供电、促进区域经济发展、改善农民生活条件与生态环境、调整当地产业结构以及保障应急供电等方面具有重要作用，是农村重要基础设施和公共设施[1]。根据2019年全国农村水电统计年报显示，全国农村水电站共有45 000多座，广泛分布于全国除上海以外的各省、直辖市和自治区。组成水电站的水工建筑物包括挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物和厂房等，其中挡水建筑物一旦发生危险极易引起公共安全事故。

农村水电站运行风险主要源于病险水工建筑物，特别是病险挡水建筑物。根据以往的水库工程安全经验，多数安全事故发生在挡水建筑物运营期间，原因主要是工作条件复杂，在长期运行中，相关参数受地质、气候等内外因素影响，发生了一定的变化，从而出现安全隐患乃至事故。水利部、能源局及各级行政主管部门多年来制定了比较健全的规章制度与技术标准，近些年，对小型水库、山塘的安全监管工作也不断加强。如2020年11月浙江省发布的《浙江省小型水库系统治理工作方案》，推动了小型水库管理粗放型向专业型转变，安全鉴定和除险加固实现常态化，构建了工程安全生态、管理智慧高效的小型水库治理体系。

2 现状分析

挡水建筑物安全监测主要包括对建筑物结构、地基基础、两岸边坡、相关设施以及周围环境的仪器观测、仪器探查和直观检查。在监测内容上，我国现阶段对大坝安全进行自动化监测主要包括渗流监测和形变监测[2]。大坝形变随时间缓慢累积特征，到一定程度引发损坏，影响安全。形变监测主要对大坝物理参数进行分析和监测，包括水平及垂直位移[3]。目前主要的自动化形变监测方式是根据每一个地质阶段设置一个安全观测点，使用有线或无线传感设备对大坝相关参数进行数据采集，经过网络传输实现对数据的存储和处理分析；实现实时性、精细化对坝体进行安全监测工作。

根据长江经济带清理整改摸底调研结果，农村水电站分布广泛、量大面广，挡水建筑物自动化监测程度低，安全管理任务重、监管难的问题十分突出。

(1)挡水建筑物的安全监测以人工巡检巡查为主，缺乏自动化安全监测技术手段。根据长江经济带小水电清理整改摸底结果显示，占比70%左右的农村水电站为私人或股份制所有，对挡水建筑物维护费用普遍投入不足，无监测专项费用支出保障。巡检巡查人员缺乏挡水建筑物安全检查知识，巡检巡查频率低，有的因为山高林密，只能1个月1巡，甚至几个月1巡，有问题无法及时发现。另外，缺乏自动化安全监测设备、监控设备，投入费用高，网络通讯条件不理想，都是制约开展自动化安全监测的因素。

(2)监管覆盖面不足。受水库数量多、资金不足等客观条件制约，行业管理部门对辖区内水库大坝安全监管主要以检查、核实、调研和监督等传统手段为主。对农村水电站的挡水建筑物监管覆盖面不足，与水库管理单位缺乏安全监测信息的互联互通。未建有安全监测设施的缺乏对挡水建筑物安全的科学判断依据；已建有安全监测设施的，虽积累了一定量的监测数据，但由于水库管理单位技术人员分析研判能力因人而异等原因，通过安全监测资料及时分析大坝安全运行状态，起安全隐患预警作用的能力有限。

如何借助于新型的技术手段，探索低成本、大范围的挡水建筑物安全监测新思路，以高效、经济的方式，兼顾水库个体的精细化监测及区域整体的粗颗粒度监测，满足新时代安全监管要求，是当前农村水电行业的迫切需求。

3 InSAR技术及应用

随着卫星传感技术的发展，合成孔径雷达干涉测量(InSAR，synthetic aperture radar interferometry)技术对挡水建筑物形变监测提供了一种全新的监测方式。

SAR中文名为合成孔径侧视雷达，搭载有SAR作为观测传感器的卫星即为SAR卫星。目前可以查询到的在轨的SAR卫星主要包括日本ALOS—2卫星、欧洲空间局Sentinel—1卫星、意大利COSMO—SkyMed卫星座、德国TerraSAR—X/TanDEM—X双子卫星、中国高分三号等不同国家的SAR卫星。其中，欧洲空间局对Sentinel卫星数据实施免费开放政策，中分辨率的Sentinel—1SAR卫星IW模式SLC数据也可免费下载到。

InSAR技术通过比较两幅不同时刻获取的SAR卫星影像相位相关干涉信息，提取目标地物在卫星视线方向上的位移变化，实现对表面地形、形变位移的监测[4]。相对于传统触感式传感器的监测方式，InSAR技术可以实现：

(1)大范围、连续、高密度测量。相比较于水准仪及GNSS技术对离散点的监测，InSAR实现的是面覆盖，如一景空间分辨率为3 m的高分辨率SAR卫星影像覆盖范围约是1 500 km2，基本覆盖区县级城市辖区，可实现对整个辖区面积范围内地物的监测。

(2)无接触式监测。SAR卫星通过发射微波信号，接受回波信号对结构表面的微小形变进行反演，无须安装传感器，对监测主体无损害，尤其适用于监测面积较大的精密结构，并可有效降低成本[5]。

(3)全天时、全天候。SAR卫星发射的微波有穿透力强的特点，可穿透云雾，这对于雨季或常年云雾浓密的部分地区的观测十分有利，可有效弥补光学影像可见光无法穿透的缺点。

虽然InSAR技术在地形测量DEM生成，在地震、山体滑坡、火山等地质灾害有重要的应用价值，但由于InSAR技术的原理是根据雷达波干涉相位差来提取信息，容易受卫星轨道误差、地形数据误差、大气延迟等因素的影响，造成信息无法提取或形变精度不足。目前在应用上，通过InSAR技术来提取形变量的场景，往往是形变量级较大，如地震、山体滑坡、火山等大尺寸、大形变的突发性灾害。另外，对做相位干涉的二景卫星影像也有严格的要求，这些原因制约了InSAR的应用范围。

目前在InSAR的基础上，发展和完善了多种新的技术途径。用于探测随时间累积的缓慢形变的序列差分雷达干涉叠加技术(时序InSAR技术)是其中一个重要方向。时序InSAR通过揭示形变空间关系可以找出形变位置，适合于监测形变量级较小，形变轻微，形变发展速度较为缓慢，随时间序列下有形变趋势特征；目前在城市填海区的沉降监测，高铁桥梁、地铁、跨海大桥等沉降形变监测中得到了应用。

时序InSAR技术的原理是使用同一颗SAR卫星或相同传感器的星座卫星对同一地区在一段连续间隔时间获得的多景SAR卫星影像，依据监测地物的散射特性，探测出时间序列上相关性较高的目标(见图1)。基于这些特定目标的相位时间序列进行建模分析，采用多参数整体迭代的方法分离大气延迟、卫星轨道误差等相位，获得高精度的时间累积下的形变测量趋势(见图2)[4]。目前代表性的时序InSAR技术是永久散射合成孔径雷达干涉测量(persistent scatterers interferometry SAR,PSinSAR)技术。在实际应用中，PSinSAR常和短基线SBAS(small baselines)inSAR处理得到的结果相互验证。

图1 雷达强度图中的PS点

4 存在问题

InSAR是遥感领域的前沿技术，虽然在城市、区县维度的大范围地表形变监测中具有巨大的应用潜力，但在行业应用上仍面临着很多难题。

(1)SAR卫星影像数据来源，开放的免费资源不足，高分辨率SAR卫星影像收费较为昂贵。使用PSinSAR需要20～30景，最少需要20景连续间隔的同轨SAR卫星影像。目前欧洲空间局免费分发的Sentinel—1卫星数据的空间分辨率是5×20 m，即影像上的每一个像元对应地物的实际面积是5×20 m，对于较小体量的目标地物，分辨率不够，需要分辨率更高的卫星影像。目前高分辨率的SAR卫星影像需要按景付费购买，做一次时序分析购买数据费用较高，限制了推广应用。

(2)PSinSAR通过计算在时间维度上相位稳定的永久散射体(PS点)，反演形变信息，适用于有较多相关性较高的永久散射体(PS点)区域，典型的PS点如房屋、桥梁、铁轨等具有金属强散射。因此城市更适合采用此项技术。在植被浓密的自然环境中，稳定的PS点较少，山区场景下，使用PSinSAR技术需要进一步验证和试验。

(3)SAR卫星通过传感器在视线方向的相位差干涉获取形变信息，当形变发生在沿卫星飞行方向或有复杂的形变机理，InSAR技术无法获取有效的形变信息[4]，目前仍是合成孔径雷达干涉的前沿研究方向。

(4)由于SAR卫星对同一地物观测的重访周期一般以周为单位，即使有多颗卫星的为星座配合，目前的重访周期也是以周为单位，无法实现实时监测，只能做回顾分析。

(5)遥感技术获取的数据非常庞大，如一景中分辨率的Sentiel1A卫星影像的数据量达到5 G，远远超过了用传统方法所获取的信息量；使用传统数据库如何储存和处理，也是面临的一个问题。

5 展 望

本文针对大量农村水电站挡水建筑物缺少安全监测，存在安全隐患的问题，从理论上分析使用InSAR卫星遥感技术进行区县范围内挡水建筑物面上形变监测的可行性、优劣势及目前使用该项技术碰到的难题，是卫星遥感技术在农村水电行业信息化上的有益探索。随着卫星遥感技术的快速发展，更多民用SAR卫星的发射上天，全球化开放共享合作加快，卫星遥感技术在各行业不同场景下的应用必将不断丰富和深化。

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