InSAR 技术在锦绣川水库形变监测中的应用

李 伟，郭奕鸿，潘 振

（1.济南市水利工程服务中心，山东 济南 250099；2.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100020）

锦绣川水库建成于20 世纪70 年代，在2000 年进行了除险加固。总库容为4 103 万m3，水库大坝为浆砌石溢流重力拱坝，最大泄量1 801 m3/s，设有10 孔液压启闭闸门。锦绣川水库是国家重要饮用水水源地，坝顶交通桥也是周边群众重要的生产生活通道，因此其是否安全运行关系到济南市经济社会安全和人民群众生命财产安全。

1 坝体形变监测概况

水库大坝的安全监测是通过各种监测仪器设备对大坝主体结构、坝基、周围环境及相关设施进行监测和分析，及时反馈大坝“健康状态”。锦绣川水库兴建之初未安设任何安全监测设施，特别是在2000 年实施除险加固亦未安设相应的监测设施。2018 年在水库大坝桥面和溢流坝坝顶设置了GNSS 监测系统，并同时辅以人工观测校核。

针对上述观测方法，服务处每年年初申报相应的观测费用和校核费用，耗资相对较高。然而这些测绘方法存在外业工作量大，GNSS 布点受到外界环境影响较大等缺陷，同时维修工作量大，只是对点进行监测，缺少对大坝枢纽整体和周边研究区地形地貌的长时间微小位移监测，缺乏对水库库区周边如滑坡、地陷等地质灾害的前期预警。为此，开展大坝及岸基InSAR（合成孔径干涉雷达）形变监测建设非常必要。

本项目充分发挥了多源遥感协同全天候全天时、高精度、低成本的优势，建立了基于InSAR技术对锦绣川水库坝体形变的监测系统。在对研究区的地形地貌、区域水文以及坝体分布数据编目进行收集整理的基础上，发挥星载雷达遥感的优势，开展区域内坝体形变信息提取。并针对区域内重点水利设施，结合地面传感器开展重点坝体的精细调查。

基于上述研究，锦绣川水库服务处同中国科学院空天信息创新研究院研制了坝体监测与应急服务平台，服务于水务管理部门的日常巡查与应急处置工作。

2 坝体形变监测内容

以InSAR 技术为基础，优化使用干涉处理中图象配准、噪声滤波和相位解缠等若干关键算法，构建了以卫星遥感、视频数据采集、高精度传感器协同观测为基础的大坝周边形变观测的安全在线实时监测系统。

2.1 数据收集

项目数据取自哨兵1 号卫星。载有C 波段合成孔径的哨兵1 号地球观测卫星，同其他遥感技术和空天观测技术相比较，具有能反馈全天候、全天气、同时还具有图像不间断的特点。目前，哨兵1 号卫星影像数据被广泛应用于土壤参数反演研究。哨兵1 号卫星采用C 波段合成孔径雷达，频段越低，其穿透性越好，对于小面积，更精细的目标检测、识别，可以获取最大信息量，因此适合用于类似于锦绣川水库等中小水库的库区及流域的地质和形变观测。

2.2 时序InSAR 数据处理方法

1）PS-InSAR（永久散射体合成孔径干涉测量）技术。对于探测形变的差分干涉测量而言，进行干涉的两幅影像一般具有较长的时间间隔，通常地物的散射特性和大气条件在这期间会发生较大变化，在干涉相位中就会存在严重的失相干噪声和大气延迟影响，造成干涉失败，使得常规差分干涉方法不能获取地表形变量。但是，其他一些常见物体，如桥梁、房屋、山体等，具有稳定的散射功能，其雷达回波信噪比较高，在较长时间内相干性较好。上述那些散射特性较稳定、对雷达波反射较强的硬目标就称为永久散射体。

按照PS-InSAR 技术原理，对数据进行各项处理，并借助锦绣川水库目前现有的数字高程模型DEM 进行下一步的干涉处理，通过计算得出多幅干涉和差分干涉图。由于存在数字高程偏差、地形表面细微形变等情况，单个点的差分干涉相位组成可表示如下：

各项差分干涉相位模型根据（1）式各项的分析，通过计算得出高程误差和线性形变速率的函数模型，即：

式中：Cε（xh）为高程误差相关项；Cv（xh）为线性形变速率相关项；w（xh，tk）为线型残余相位。

设有两PS 点Pr（为参考点）和Ps，则：

考虑目前有N 副差分干涉图，那么上述每一个PS 点就会有N 个时序邻域差分相位，并可建立N 个上式所组成的方程组。通过模型计算可以得到每个PS 点相对于主参考点的形变速率和高程误差。同时，根据求解结果在PS 离散点上进行相位解缠。

经过积分计算，各干涉图对应的影像大气相位为：

其在干涉图中的非线性形变相位为：

2）DS-InSAR 技术。分布式目标提取一般采用统计检验的方法，如参数假设检验方法来为每一个像素判定统计同质像元（SHP）。

经过相位解缠之后，需要去除各噪声相位分量。从影像中可通过时间域的高通滤波估计得到。从解缠相位中依次去除各噪声分量后即可得到形变相位，此时形变相位可表达为：

通过上述计算，将地表形变与形变相位进行转换后即可将由上式计算得出的形变相位转换为形变量。

2.3 技术难点

形变监测时，由于锦绣川区域高差较大、地形复杂、森林覆盖率高，特别是受小流域影响多对流雨、视线不好等不利条件的影响，将InSAR技术运用到锦绣川水库大坝和库区时也遇到了一定的问题，主要问题集中在以下3 个方面：

1）时间失相干。时间失相干和空间失相干对于InSAR 技术而言是很重要的失相干源，其中SAR（合成孔径雷达）卫星由于自身技术的原因，在天空飞行过程中，当处于同一轨道时，每次出现的空间和位置会存在一定差异，由此导致的失相干现象为空间失相干；在同一轨道卫星再次运行时，由于周边物体发生了改变，散射特性呈现为不一致，由此导致的失相干现象称为时间失相干。此现象在该技术研究初期出现的几率较多，目前随着空天和卫星技术的逐步成熟，同时在进行形变监测时选取较好的对象，该问题已得到了较好解决。

2）地形影响。锦绣川水库大坝坐落于山间峡谷，地势起伏，在运用InSAR 技术监测时会存在以下问题：

一是SAR 在成像时受地形影响，会造成在成像过程中的叠掩、阴影效应，而锦绣川水库大坝、库区部分高崖都处于成像区域中的阴影区，造成无法提供准确影像，变形状况也无法被观测。

二是由于水库库区高差大，达30 余米，在有限空间和大地形起伏区域里，输入现有的数字高程后误差会相对较大，只有有效地消除初始误差之后才能准确计算出水库库区或枢纽建筑物上发生的形变或存在的隐患。

3）大气延迟。在InSAR 技术运用地表形变监测过程中，大气延迟是必须要解决的问题，因其对精度的影响最大。通常极轨SAR 卫星飞行高度一般在500～800 km，SAR 电磁波传播需要经过电离层（一般指地表60 km 以上的大气层，存在大量自由电子和离子）和对流层（一般指紧贴地面的大气层，天气剧烈变化，造成气体性质变化，也最不稳定），在经过时会受到电离层和对流层的叠加影响。在通过电离层中主要由于存在大量的自由电子和离子造成的散射效应，会延迟电磁波的传播。

同时由于电离层电子浓度总含量的变化，造成了电磁波的传播路径也发生了一定改变。大气延迟影响主要体现在对流层中，在对流层中大气的湿度、气压和温度随着高程的影响而不断改变，如同水质分层一样，在对流层传播过程中也体现了空气的分层介质，造成大气的折射率随高度而变化，受其影响电磁波在传播过程中路径也发生了一定变化。

另外，在受到降雨、云系和空中浮尘等颗粒的反射和散射作用下，电磁波在传播过程中也可能会出现路径弯曲和信号传播延迟。在本研究区，大气延迟会极大地影响滑坡体变形测量的精度，针对大气延迟问题，必须采用一定手段使其数值满足精度要求。

2.4 InSAR 形变监测结果

选取覆盖山东济南地区2019 年10 月25日至2022 年7 月7 日哨兵1 号景升轨数据。针对重点研究区域中的锦绣川水库库区，结合相应的精密轨道数据，对研究区域影像数据进行时序InSAR 处理，按照上述方法分析生成了时空基线图、幅度图、DEM、差分干涉图、形变速率图及时间序列图等结果图。其中时空基线图如图1 所示。

图1 时空基线图

通过对济南地区锦绣川水库及其周边区域开展InSAR 时间序列形变监测。监测结果表明：锦绣川水库及其周边区域，地质条件稳定，水库坝体无形变现象，水库库区周边目前未发现滑坡等地质隐患。

3 结 论

运用InSAR 技术实现锦绣川水库和库区周边的形变沉降监测。针对建立基于统计检验和像素连通性的分布式散射体提取方法；通过周期图解算分布式散射体在方位向和距离向上的地形坡度，移除残余地形相位—减少相位噪声，提高分布式散射体相干性和干涉相位质量；保持原始SAR 影像的高空间分辨率的自适应滤波算法。

本项目在对研究区的地形地貌、区域水文以及坝体分布数据编目进行收集整理的基础上，将数字技术等新一代信息技术与水利业务深度融合，运用先进的InSAR 技术发挥星载雷达遥感的优势对锦绣川水库大坝枢纽和库区开展形变监测。通过系统实时了解和掌握大坝及其周边区域沉降与位移情况，对周边区域环境变量进行监测，对未来区域变形提供可靠支持，确保了大坝安全。该项研究的实施为推动以数字技术赋能水利行业高质量发展，加快推动水利行业建设数字化，充分发挥水库综合效益，实现工程安全智能分析预警，为经济社会发展提供有力保障。