南水北调中线工程高填方渠道PS-InSAR形变监测

刘辉, 赵文飞, 刘先林, 刘俊国, 刘文锴, 刘雪梅, 秦臻

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046;2.河南省空间信息生态环境保护应用重点实验室,河南 郑州 450046;3.河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司,天津 300250)

肩负着京、津、冀、豫等地区供水“生命线”的南水北调中线工程自2014年12月12日正式通水以来,已不间断、超负荷运行8年有余,累计向北方供水超过600亿m3,直接受益人口达1.4亿人,是北京70%～80%及天津100%的生活用水来源,不仅使沿线大、中城市水资源短缺问题得到根本缓解,还极大改善了沿线的河流生态,为经济结构调整和产业转型创造了机会和空间,但该国之重器正在“超期服役”和“超标服役”,失事风险无法全面控制,安全监测意义重大。

目前南水北调安全监测主要基于精密水准测量、全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)测量和安装于工程内部的传感器,这些方法空间采样密度低,只能获得局部点状沉降,难以掌握非测量点处的形变信息和大坝整体连续的形变趋势[1-3];同时,人力物力成本高,前两种方法测量人员需进入形变区,增加危险性;后一种方法传感器难以维护,会随着堤坝的运营逐渐失去灵敏性甚至功效。因此,急需低成本大范围坝体及周边地貌形变测量的新方法。具有全天时、全天候、强穿透力和面域形变监测能力的合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术为南水北调大范围、高精度安全监测提供了一种新思路[4-9]。FERRETTI A等[10]提出的永久散射体干涉测量(Persistent Scatterer InSAR,PS-InSAR)技术可获得毫米级的形变监测精度,推动InSAR技术在算法研究[11-18]、地表沉降[19-21]、灾害预警[22-25]、冻土形变[26-28]等领域取得重大突破。近年来,InSAR技术在水利工程安全监测中也得到了广泛的应用。DONG J等[29]首先利用Sentinel-1影像对南水北调中线工程进行形变普查,再利用高分辨率影像和水准数据重点分析了焦作段和天津段等区域的形变结果,验证了InSAR技术在长跨度线性水利工程中的可行性。WANG N等[30]利用PS-InSAR技术对河南省境内南水北调中线工程进行重点监测,发现20处变形区及7处疑似变形区,进一步证明了InSAR技术应用于南水北调渠道时空变化特征的有效性。马超等[31]利用ENVISAT ASAR影像,采用合成孔径雷达差分干涉测量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,D-InSAR)技术获取了南水北调豫北段的形变监测结果,表明该段稳定性较差的主要原因为受地质构造活动及城市地表沉降的影响。张永光等[32]利用短基线集干涉测量(Small Baseline Subsets InSAR,SBAS-InSAR)技术对南水北调膨胀土区域进行精细化分析,结果表明,渠段的沉降与降雨量、土壤湿度等因素有高度相关性。

针对南水北调中线工程高填方、深挖方、大跨度等特点,利用PS-InSAR技术获取了南水北调中线工程叶县文庄村高填方段的整体形变结果,通过与二等水准数据的对比验证,证明了时序InSAR技术用于南水北调中线工程高填方渠道安全监测的可行性和有效性。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

南水北调中线干渠工程起源于南阳丹江口水库,终点延伸至北京,全长143 km。南水北调工程作为大型露天水利工程,有倒虹吸、排水涵洞、渡槽、桥梁等水利工程,同时穿越了约368 km的膨胀土区域。膨胀土遇水膨胀、失水收缩都会影响渠道边坡的稳定性,因此,南水北调中线工程在建设期间就每隔一段距离埋设了二等水准点,以开展形变监测常规工作。本文利用PS-InSAR技术对南水北调中线工程叶县文庄村高填方渠道桩号210+130至桩号211+750渠段(见图1)边坡进行变形监测,为南水北调渠道安全隐患排查提供技术支持。

图1 研究区位置

1.2 研究数据

本文使用2016年10月至2017年6月23景Sentinel-1A升轨数据进行南水北调中线工程叶县文庄村高填方渠道的形变监测,选取2017年1月30日获取的影像作为主影像,其余影像作为从影像。通过从影像与主影像进行配准、生成干涉图、去除平地与地形相位、大气相位计算等步骤,进一步建立反演模型求得地表形变速率结果。影像空间和时间基线参数见表1。为提高监测数据结果的精度,选用30 m SRTM DEM作为InSAR处理中地形相位去除的参考数据。

表1 Sentinel-1A影像数据基线参数情况

验证数据采用高精度的二等水准测量结果,如图2所示,水准点分布于渠道两岸的路肩、防浪墙等位置。该段设有多个监测断面,每个断面有4个水准点。其中,4个重点监测断面能真实反映叶县文庄村高填方渠道两岸的沉降量及沉降趋势。

1.3 研究方法

PS-InSAR技术路线如图3所示,其处理过程主要有主影像选取、配准、干涉、反演、地理编码等步骤。主影像选取即对所导入的数据集,根据时间空间特性,选取一幅最佳影像作为主影像,主影像一般处于长时间序列的中部位置,需要与其余从影像连接。配准即对所有主、从影像的位置信息统一处理,得到一致的像素点信息。干涉即对SAR影像数据中的相位进行处理,本文采用了23景影像数据,会生成22对干涉对,对这些干涉对去除平地及地形相位后,利用外部DEM数据生成差分干涉图,通过振幅离差指数选取永久性散射体点。反演即对识别的永久性散射体点利用线性模型初步估算形变速率,消除大气相位之后进一步求解平均形变速率。地理编码即对解算生成的PS点从SAR坐标系转化为地理坐标系,获得视线向形变结果。

经长时间序列筛选,选取影像中反射性高的稳定点作为PS点,根据选取点的相位信息将参考椭球、大气、噪声等影响SAR影像相干性的相位分离出来,获取反映地形变化明显的相位信息。如影像具有高的信噪比,相位离差值的计算可以近似用振幅离差值来表示。振幅离差值即振幅标准差与均值的比值,该值的大小决定PS点的稳定性,实验选取振幅离差值高的点作为有效数据。

(1)

式中:Dφ(i,j)为图像中各像元(i,j)根据幅度值得标准差和均值得比值;Th为设置的阈值。若Dφ(i,j)≤Th,则认为该像元点符合要求,选该像素点作为永久性散射体点。

SAR影像数据处理中,PS点相位可表示为:

φdiff=φdef+φtopo+φflat+φatm+φnoise。

(2)

式中:φdiff为最终解缠相位;φdef为形变相位;φtopo为参考DEM引起的参与地形相位;φflat为参考椭球相位;φatm为大气延迟相位;φnoise为噪声相位。

(3)

式中:λ、θ、R分别为雷达波长、入射角、斜距;B⊥为垂直基线;Δherr为DEM误差。

φdef可分为非线性和线性形变相位:

(4)

式中:φlinear为线性形变相位;φnon-linear为非线性形变相位;Δv为线性形变速率;T为相对于主影像的时间间隔;Dnon-linear为非线性形变。

将PS点按Delaunay三角网格边进行差分,得到的相位表示为:

(5)

(6)

通过该相位值,求解形变增量和高程增量,从而获取感兴趣区域的形变速率场。

2 监测结果与分析

2.1 南水北调高填方渠道PS-InSAR形变监测结果

采用2016年10月至2017年6月的Sentinel-1A雷达影像,利用PS-InSAR技术对南水北调中线工程叶县文庄村高填方渠道进行形变监测,视线向沉降结果如图4所示。

图4 南水北调中线工程叶县文庄村高填方渠道PS-InSAR形变监测结果(2016.10-2017.06)

由图4可知:①提取到的PS监测点数量远远大于水准点的密度。②在渠道东侧约有1 km范围存在明显的地表形变现象,最大形变量达36 mm,渠道东侧明显比渠道西侧形变严重。这是由于数据为升轨数据,卫星绕极轨飞行,其观测方向为垂直飞行方向的右下侧,在地面的投影近似于从西向东,因此探测反射性较强且有明显形变的地物时,渠道东侧的角度与卫星形成近乎垂直反射的状态,反射性较强;反之,西侧渠道反射性则较弱。卫星接收到反射性强的信号时,可以更准确地计算出相位差,获得准确的视线向形变,反之亦然。

对南水北调中线工程叶县文庄村桩号210+130至桩号211+750段渠道进行精细化分析。图4中的F1、F2处有明显的区域性下沉。造成沉降的原因:F2监测点在渡槽出口处,由于渠道流量速度较快,造成渠道出现小块的严重变形;F1监测点位于渠道弯道处,且上方架有省道的桥梁,经常会有大型货车通过,且速度较快,致使下方渠道结构易发生变化,出现形变严重区域,应加强对该位置的形变监测。

2.2 PS-InSAR结果与二等水准数据对比分析

为了验证PS-InSAR技术监测南水北调中线工程高填方渠道边坡形变结果的可靠性,选取图4(a)所示的研究区内8个水准点进行对比验证。其次,提取水准点位置5 m缓冲区范围内所有PS点的形变时间序列值,并取平均值,将PS点视线向的形变投影到垂直方向上,同时根据时间段将二等水准数据归零化处理。PS-InSAR监测结果和二等水准测量结果的时间序列位移量变化如图5所示,形变趋势吻合,充分证明了PS-InSAR技术的可靠性。

图5 PS-InSAR监测结果与二等水准测量结果对比情况

为了进一步定量分析PS-InSAR形变监测结果的可靠性,利用均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)评价PS-InSAR监测结果与水准测量结果的吻合程度。

(7)

式中:Δhi为第i个水准数据与PS-InSAR监测数据结果沉降量之差;n为选取点的个数。

水准点与PS点形变对比结果见表2。

表2 二等水准结果与 PS-InSAR 结果对比

由表2可知,87%以上的RMSE值小于±2 mm,最大为3.02 mm;两种结果相差最大值为6.59 mm。从图5可以发现,造成P1、P4点形变波动较大的时间出现在2016年12月—2017年3月之间,P6点在2017年5月之后形变出现较大波动,这主要是由于PS点和水准点位置匹配不一致所造成的。此外,发现P1点位置位于高填方渠道填挖边界。工程建设过程中,边界建设性较差,极易发生变形。且高填方在稳定性方面存在3个问题:一是由于高填方土质路基边坡高度较高,稳定性较差,极易发生滑坡;二是由于高填方填筑高度较大,会导致路基下的地基发生较大沉降,极易发生破坏;三是由于高填方土质材料问题,在降雨情况下会发生渗透,极易发生失稳情况。通过上述3个问题的分析可知,造成P1点形变整体波动的原因是P1点位置位于高填方填挖边界,极易发生形变。P6、P8点的PS-InSAR形变监测数据与二等水准测量数据的精度和一致性较高,但在2017年5月之后误差较大。出现该轻微波动的原因是受到大气延迟相位的影响。

统计2016年10月至2017年6月PS-InSAR结果与8个水准点二等水准测量整体形变量的相关性,如图6所示,相关系数的计算见式(8)。

图6 二等水准测量值与PS-InSAR监测形变量的回归分析

(8)

式中:x为PS-InSAR监测值;y为二等水准测量值。

经计算,相关系数达到0.96,两者差异的RMSE为1.279 mm,两者在形变趋势和量值上高度一致,表明了本文PS-InSAR结果的可靠性。

2.3 重点形变区断面分析

利用2017年3月31日、2017年5月30日的PS-InSAR数据监测沉降量,每隔50 m均匀选取一个点位,对图4(b)内约1 km渠道的重点形变区进行纵断面(沿渠道方向)分析,点位位置和纵断面图分别如图4(c)和图7所示。图7中4处最小值的点位置对应图4(c)区域中的A、B、C、D处,呈现明显下沉现象。

图7 重点形变区纵断面图

利用2017年1月6日的沉降量,对图2中的4个重点监测面进行横断面(垂直于渠道方向)分析,如图8所示。渠道西岸较为稳定;渠道中无PS点,均为0值;渠道东岸呈现明显下降趋势,且越靠近水域,渠道变形较大,反之则越小。

图8 重点监测面横断面图

3 结语

南水北调中线工程为京、津、冀、豫等地区的供水“生命线”,安全监测工作意义重大。本文采用2016年10月至2017年6月间的Sentinel-1A影像数据集,利用时序InSAR技术获取了南水北调中线工程叶县文庄村高填方段的整体形变结果,发现渠道东岸约1 km长的边坡存在明显变形,最大形变量达到36 mm;通过与二等水准测量数据对比验证,87%以上的RMSE值小于±2 mm,相关系数为0.96,两者在形变趋势和量值上高度一致,充分证明了InSAR技术用于南水北调高填方渠道安全监测的可行性和有效性,可在大范围线性水利工程安全监测中发挥重要作用。