基于Sentinel-1数据和SBAS-InSAR技术的大藤峡水利枢纽变形监测与分析

冯瀚 汪娟 严浩元 杨隽 向淇文

变形监测是大坝安全监测的主要内容之一，也是大坝健康稳定运行的主要依据。针对大藤峡水利枢纽设施的变形监测，基于2020年2月至2023年1月的Sentinel-1数据，利用星载时序SBAS-InSAR方法，开展了大藤峡大坝及其周边区域的形变监测。由变形监测结果可知，大藤峡左坝主体部分保持稳定，右岸有1处斜坡累积变形较大，水库上游两岸存在4處变形斜坡。应用研究表明，Sentinel-1数据和SBAS-InSAR技术可以实现大藤峡大坝低成本、大面积的时序变形监测，为大坝安全监测预警提供一种有效的技术手段，在水库大坝形变监测领域有着较为广阔的应用前景。

水利枢纽工程在防洪、蓄水、灌溉、航运、发电等方面发挥着巨大的社会效益和经济效益，水利枢纽的安全直接关系到人民群众的生命财产安全，进行变形监测是大坝安全的重要保障。针对大坝的变形监测，传统监测技术主要采用全站仪、水准仪和GPS等获取大坝形变信息，需要耗费大量的人力、物力和财力，且只能获取局部形变信息，无法实现大坝全方位高密度的变形监测。星载合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar， InSAR）技术具有全天时、全天候、高精度、大范围获取地面变形信息的优势，为水库大坝的安全监测提供了一种新型工具和监测手段。

国内外已有学者利用InSAR技术进行大坝的变形监测研究，如王腾等人（2011）采用40幅SAR影像，结合PS-InSAR与QPS-InSAR方法获取了三峡大坝的时序变形信息，详细分析了混凝土重力坝在建设及运行过程中的稳定性及形变规律；Pietro Milillo，Daniele Perissin等人（2015）利用198幅COSMO-SkyMed和TerraSAR-X 影像数据，对意大利的Pertusillo大坝进行五年的持续监测，并使用地面测量数据进行了验证，结果表明时序InSAR结果与实际相符，可以用于获取大坝的时序变形监测。总体而言，时序InSAR可以获取水库大坝的高精度变形信息，是一种高精度、大范围大坝安全监测的有力技术手段。

大藤峡水利枢纽作为珠江流域的关键控制性工程，对保障流域防洪和供水安全、促进地区经济社会可持续发展具有重要作用。本文基于Sentinel-1卫星SAR数据，使用小基线集InSAR（Small Baseline Subset InSAR，SBAS-InSAR）技术，开展大藤峡水利枢纽工程的时序InSAR变形监测，分析了大藤峡左坝主体及正在建设的右坝主体的时序变形情况，并对大藤峡黔江上游两岸潜在的滑坡风险隐患进行了识别。

一、研究区域和数据

（一）研究区域

大藤峡水利枢纽工程地处广西壮族自治区桂平市，位于珠江流域西江干流黔江河段的大藤峡出口弩滩附近，是红水河（黔江）梯级规划中最末一个梯级，大坝整体呈现Y字形，黔江主坝坝型为混凝土重力坝，最大坝高80.01m，坝长1343.098m，左岸黔江副坝为粘土心墙石渣坝，坝长为1239m。大藤峡水库所在区域的平均高程约为23～43m，在正常投入生产使用时，水库蓄水水位为61.00m，设计总库容约为34.3亿m3，防洪库容约15亿m3，控制流域面积约19.86万km2，约占西江流域面积的56.4%。

（二）SAR影像数据

雷达数据来源于欧空局新一代中高分辨率的 Sentinel-1 A卫星。Sentinel-1属于欧空局哥白尼计划（GMES）中的地球观测卫星，由A/B两颗相距180°的卫星星座组成（B星于2021年12月发生故障，已无法获取数据），单星重访周期为12天，双星串飞可达到6天的重访周期。本文以2021年2月17日的SAR数据为主影像完成配准预处理，选定130米空间基线与62天时间基线标准组成基线集，总共生成222个干涉对，干涉对组成的时空基线分布情况见图1，其中空间基线最大的长度为129m。

二、研究方法

（一） 数据预处理

Sentinel-1数据预处理流程主要包括以下4个关键步骤：（1）添加精密轨道星历信息；（2）提取研究区域的条带与Burst；（3）影像配准；（4）研究区域裁剪与多视处理。

（二）小基线集时序InSAR处理

小基线集时序InSAR数据处理流程见图2。SBASInSAR技术优选较短时空基线的影像集进行干涉，提高了影像干涉相干性，在形变求解过程中，通过DEM误差改正、三维解缠、残余大气分离等流程，利用奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）得到监测点的形变速率。

三、 结果与分析

（一）研究区域平均形变速率

按照第2节处理流程，利用SBAS-InSAR技术获取了研究区域雷达视线向（Line of Sight， LOS）的平均形变速率结果。结果显示，沿江两岸监测点稀少（Sentinel卫星波长较短，对植被穿透性较差，在沿岸植被覆盖山区的干涉相干性低），而城区监测点密集，监测效果好。研究区域整体较为稳定，城市群及线状高铁线路的形变量在±10mm之间，无明显的地面沉降灾害。

（二）大藤峡主坝时序变形分析

根据2021年1月、2022年3月及2022年10月大藤峡大坝的SAR影像结果显示，其中黑色低值区域为水体，高亮线状目标为已建成的大坝。结合2021年9月的光学影像可知，研究监测时段内大藤峡水利枢纽工程左坝已经建设完工，而右坝于2022年年底才基本完成修建，地表变化较大。

分析可知，大藤峡左坝上分布有较多的高相干监测点，而右坝上高相干监测点则较为稀少，造成右坝区域监测点稀少的原因是由于在监测时段内，右坝围堰区建设施工造成地表快速变化，从而导致該区域出现干涉失相干，进而造成了高相干监测形变点的缺失。但整体而言，利用Sentinel-1影像开展大藤峡大坝时序InSAR变形监测是有效可行的。

选取大藤峡大坝上8个重点特征区域，进一步分析大坝的时序变形状况，结果见图3。p1、p2、p3特征区域位于左坝主体，3个区域的累积时序变形见图3（a）（b）（c），结果显示左坝主体上3个区域的累积变形量较小，左坝主体基本处于稳定状态。p4、p5区域位于大藤峡船闸区域，其时序变形见图3（d）（e），p4、p5区域的变形处于-20～20mm之间，变形波动较大，该现象主要是由大量超强散射信号干扰引起。p6、p7区域位于右坝的围堰拦水设施上，其时序变形见图3（f）（g），结果显示P6区域累积形变量较大，约为65mm，p7区域变形量基本在0mm附近。p8区域为右岸的一处斜坡，时序变形见图3（h），累积变形约为60mm，线性变形趋势明显，具有一定危险性。

（三）沿岸斜坡形变分析

大藤峡库区黔江上游沿江两岸的平均形变速率如图4。该区域发现了4处明显的变形区：A1、A2、A3、A4区域，其时序变形图显示四处区域的变形基本呈线性趋势，疑似为滑坡体活动变形。

四、结论与展望

本文基于2020年2月至2023年1月年期间大藤峡库区的Sentinel-1时序数据，利用星载时序SABS-InSAR监测方法，开展了大藤峡水利枢纽及其沿江两岸区域的变形监测研究，研究结论如下：

（1）基于Sentinel-1影像的SBAS-InSAR技术可以实现大藤峡区域的时序变形监测，为大藤峡大坝的变形监测提供了一种新思路。

（2）大藤峡左坝主体基本处于稳定状态，大藤峡沿江两岸发现4处具有较明显线性形变趋势的斜坡。

（3）监测结果对于大藤峡水利枢纽的健康运营具有一定的参考价值，后期联合GNSS、精密水准测量及实地勘察结果等对大坝安全监测分析，将更有助于确保大坝安全。

作者单位：贵州省第一测绘院