國產(chǎn)GB-InSAR在特大型水庫滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

郭延輝，楊 溢，楊志全，高才坤，田衛(wèi)明，何玉童

（1.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093；2.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；3.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京 100081；4.上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 200233）

0 引言

隨著國家一帶一路和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，一批世界級的水利水電工程項(xiàng)目正如火如荼的建設(shè)[1]。由于西南高山河谷區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，在水利水電工程建設(shè)中，不可避免會出現(xiàn)大量不穩(wěn)定斜坡，這些不穩(wěn)定斜坡在降雨、地震或水位反復(fù)升降等情況下會發(fā)生滑坡災(zāi)害，嚴(yán)重時(shí)將危及水電站壩工程結(jié)構(gòu)的安全，同時(shí)威脅周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。因此對水電站庫區(qū)滑坡開展變形監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取滑坡的變形發(fā)展趨勢，探究滑坡災(zāi)害的演化機(jī)制及防控措施，對保證工程運(yùn)行安全，減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失具有重大意義[2]。

對于水電站庫區(qū)滑坡監(jiān)測，目前以全站儀、水準(zhǔn)儀、GNSS 等監(jiān)測方法為主，雖然GNSS 和全站儀等傳統(tǒng)測量技術(shù)能獲得相對較高精度的單點(diǎn)位移，但難以反映滑坡區(qū)域的整體變形，且容易受氣候、時(shí)間、通視等條件的限制，更重要的是這些獲取變形信息的方式都是接觸式的，對于危險(xiǎn)性較大的滑坡不適宜[3]。測量機(jī)器人精度較高，但其布置測點(diǎn)比較困難，且受天氣等通視條件的影響較大[4]。三維激光掃描測量技術(shù)因能夠監(jiān)測滑坡整體變形而受到廣泛關(guān)注，但其容易受雨、雪、霧等氣象條件的影響，目前難以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的監(jiān)測工作，且測量精度有待提高[5]。

地基干涉合成孔徑雷達(dá)(GB-InSAR)是一種非接觸式監(jiān)測方法。由于該監(jiān)測技術(shù)工作在微波波段，所以能夠全天時(shí)、全天候?qū)Υ蠓秶O(jiān)測區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)變形監(jiān)測[6]。相比星載與機(jī)載平臺SAR，GB-InSAR 在重訪周期、使用方便性、監(jiān)測視角以及使用成本等方面都更有優(yōu)勢[7]。關(guān)于國外地基合成孔徑雷達(dá)在工程災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)用方面的研究，劉斌等[8]采用意大利Ingegneria Dei Sistemi Company 和University of Florence 共同研制GB-InSAR 系統(tǒng)IBIS-L，對大樹場鎮(zhèn)山體滑坡災(zāi)后穩(wěn)定性進(jìn)行了監(jiān)測評估，分析了滑坡災(zāi)后形變演化特征；邱志偉等[9]、邢誠等[10]運(yùn)用地基合成孔徑雷達(dá)IBIS-L 系統(tǒng)，對隔河巖大壩開展現(xiàn)場變形觀測，通過數(shù)據(jù)分析，對大壩整體的監(jiān)測結(jié)果和變形進(jìn)行了分析；張昊宇等[11]通過荷蘭Metasensing 公司研發(fā)的采用FMCW 技術(shù)的Fast-GBSAR 設(shè)備，對赤壁市陸水大壩放水前后的變形情況進(jìn)行監(jiān)測及對比分析；李如仁等[12]通過對GBInSAR 與GIS 的集成，將東二號煤礦露天采場邊坡GBInSAR 得到的變形數(shù)據(jù)與GIS 有機(jī)地連接起來，驗(yàn)證了該方法在變形信息數(shù)據(jù)展示和分析方面的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)地基合成孔徑的研發(fā)和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面，林德才等[13]采用中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院自主研制的地基SAR 形變監(jiān)測系統(tǒng)，對浙江麗水“11·13”滑坡災(zāi)害進(jìn)行應(yīng)急救援監(jiān)測，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了邊坡雷達(dá)能夠較好的運(yùn)用于滑坡災(zāi)害的應(yīng)急監(jiān)測和預(yù)警；李翔宇等[14]采用內(nèi)蒙古自治區(qū)方向圖科技有限公司研發(fā)的MPDMR-05-LSA1701 型GB-InSAR 系統(tǒng)，監(jiān)測云南牛欄江堰塞湖紅石巖巖質(zhì)邊坡形變，分析該巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。此外，LUO 等[15]采用中國科學(xué)院電子所研發(fā)的ArcFMCWSAR 系統(tǒng)，提取滑坡數(shù)字高程模型和監(jiān)測滑坡。

綜上，目前國內(nèi)工程安全監(jiān)測所運(yùn)用的地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)主要是以意大利IDS 公司的IBIS-L 系統(tǒng)和荷蘭的MentaSensing 公司的Fast-GBSAR 系統(tǒng)為主。國產(chǎn)GB-InSAR 系統(tǒng)目前還很少，尚處于起步階段。同時(shí)，國產(chǎn)GB-InSAR 在水電站庫區(qū)特大型滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用報(bào)道較少。本文應(yīng)用國產(chǎn)先進(jìn)的新型地基干涉合成孔徑雷達(dá)LKR-05-KU-S100 監(jiān)測系統(tǒng)，以瀾滄江流域大華橋電站滄江——營盤橋滑坡和大華滑坡為研究對象，通過開展現(xiàn)場在線監(jiān)測試驗(yàn)，分析該系統(tǒng)的精度以及適用性，研究成果對于大型及特大型滑坡災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警以及國產(chǎn)雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用推廣具有重要意義。

1 地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)測量原理

GB-InSAR 的成像幾何示意圖見圖1所示，圖中y軸為方位向，水平軌道位于y軸，垂直于軌道方向?yàn)榫嚯x向，則其工作原理為：第一，天線向垂直于軌道方向（距離向）發(fā)射電磁波，在發(fā)射的過程中，同時(shí)需要接收地物回波；第二，雷達(dá)移動Δy到軌道下一位置重復(fù)發(fā)射電磁波，并接受地物回波，直到采集完設(shè)定長度L，然后根據(jù)二維回波數(shù)據(jù)重構(gòu)地物的雷達(dá)反射系數(shù)分布[14-15]。

圖2為GB-InSAR 分辨率示意圖，距離向分辨率為[16-17]：

式中：c——電磁波在空氣中傳播的速度，近似為光速；

B——GB-InSAR 系統(tǒng)所發(fā)射的信號帶寬。

方位向分辨率為：

式中： λ——電磁波波長；

L——軌道長度。

圖1 GB-InSAR 系統(tǒng)觀測幾何示意圖Fig.1 Observation geometry schematic diagram of GB-InSAR system

圖2 GB-InSAR 分辨率示意圖Fig.2 Resolution diagram of GB-InSAR

若GB-InSAR 在不同時(shí)間，通過監(jiān)測所獲取的同一目標(biāo)區(qū)域的兩幅SAR 復(fù)圖像，其中第一幅SAR 復(fù)圖像記為I1，另一幅記為I2[17]。通過復(fù)圖像的對應(yīng)像素共軛相乘，即可獲得兩幅圖像的相位差，從而形成干涉相位圖，并求得干涉相位圖中，任意像素點(diǎn)p的相位差[17]。根據(jù)解纏后的相位差，即可求得圖像中監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域沿雷達(dá)視線方向的高精度形變值[18-19]。

2 國產(chǎn)地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)LKR-05-KU-S100組成及主要參數(shù)

2.1 LKR-05-KU-S100 系統(tǒng)組成

本研究采用國產(chǎn)先進(jìn)的LKR-05-KU-S100 系統(tǒng)（圖3）。該系統(tǒng)由北京理工雷科電子信息技術(shù)有限公司研發(fā)。LKR-05-KU-S100 系統(tǒng)主要包括雷達(dá)主機(jī)、數(shù)據(jù)處理單元、線性滑軌和能量供應(yīng)單元四部分組成。系統(tǒng)采用的高精度電控位移臺，能夠確保監(jiān)測運(yùn)行期間的平穩(wěn)性和可靠性。系統(tǒng)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)通過發(fā)送線性調(diào)頻的電磁波信號，因此大大縮短成像時(shí)間，而觀測一次耗時(shí)也較短，最短耗時(shí)小于2 min。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件有二維和三維兩種模式，易于從監(jiān)測成像結(jié)果中識別出地形相關(guān)信息。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元可構(gòu)建數(shù)據(jù)庫并將雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)站的方式實(shí)時(shí)發(fā)布。此外，雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線方式實(shí)時(shí)傳輸。

圖3 LKR-05-KU-S100 雷達(dá)系統(tǒng)組成圖Fig.3 Composition of LKR-05-KU-S100 radar system

2.2 系統(tǒng)主要功能及參數(shù)

LKR-05-KU-S100 雷達(dá)系統(tǒng)主要功能有：(1)可對監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍、非接觸式監(jiān)測；(2)可長時(shí)間工作，連續(xù)工作時(shí)間大于100 d；(3)能夠精確測出目標(biāo)對象的0～50 Hz 的振動頻率，以及1～4 階振動頻率，因此能夠?qū)δ繕?biāo)對象的振動信息監(jiān)測；(4)具有可遠(yuǎn)程遙控觀測功能；(5)雷達(dá)系統(tǒng)精度高，可達(dá)到亞毫米級；(6)具有設(shè)備使用節(jié)能環(huán)保，數(shù)據(jù)采集與處理時(shí)間短等特點(diǎn)。雷達(dá)基本參數(shù)見表1所示，LKR-05-KU-S100 系統(tǒng)參數(shù)見表2所示。圖4為雷達(dá)監(jiān)測信息圖像處理界面。

表1 雷達(dá)基本參數(shù)表Table 1 Radar basic parameter table

表2 LKR-05-KU-S100 系統(tǒng)基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of LKR-05-KU-S100 system

圖4 雷達(dá)監(jiān)測信息成像處理界面Fig.4 Radar monitoring information imaging processing interface

3 GB-InSAR 在大華橋電站滄江橋——營盤滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 滄江橋——營盤滑坡地質(zhì)概況

大華橋水電站地處云南省怒江州蘭坪縣兔峨鄉(xiāng)，是瀾滄江干流水電基地上游河段規(guī)劃的八座梯級電站中的第六級水電站。水電站大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂長231.5 m，壩高106 m，水庫總庫容2.93×108m3，電站裝機(jī)容量為92×104kW[20]。

滄江橋滑坡體距離大華橋電站下壩址24 km，位于庫區(qū)滄江橋的左岸，滄江橋滑坡體后緣為營盤堆積體（圖5）。滄江橋滑坡體具有明顯的地貌形態(tài)特征，“圈椅狀”比較明顯，滑坡體后緣高程為1 590 m，較寬，前緣高程1 445 m，相對較窄，整個(gè)滑坡體前后緣高差超過110 m。滄江橋滑坡體自然地形坡度約為10°～25°，沿瀾滄江流向最寬約1 200 m，而沿縱向長度最大為900 m。滄江橋滑坡體后緣的營盤堆積體分布高程為1 590～1 750 m，即營盤堆積體后緣高程為1 750 m，營盤堆積體上部為營盤鎮(zhèn)所在地。滄江橋——營盤滑坡體總體積約1 500×104m3，屬于特大型滑坡。滑坡體上部地形較破碎，沖溝發(fā)育。滄江橋——營盤滑坡體實(shí)測水位1 457.17～1 759.51 m，總體水位變化不大[19]。

圖5 滄江橋——營盤滑坡全貌及分區(qū)示意圖Fig.5 Cangjiangqiao——Yingpan landslide panorama and zoning diagram

3.2 滄江橋——營盤滑坡監(jiān)測分析

為了監(jiān)測滄江橋——營盤滑坡體的變形，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及設(shè)備工作原理，滄江橋——營盤滑坡測點(diǎn)設(shè)置于滑坡對岸位置，測點(diǎn)距滑坡水平距離約2 000 m。圖6為現(xiàn)場實(shí)測滄江橋——營盤滑坡光學(xué)照片，圖7為雷達(dá)強(qiáng)度影像及監(jiān)測過程曲線圖。

圖6 滄江橋——營盤滑坡光學(xué)照片F(xiàn)ig.6 Optical photos of Cangjiangqiao——Yingpan landslide

圖7 滄江橋——營盤滑坡雷達(dá)強(qiáng)度影像及變化過程曲線圖Fig.7 Radar intensity image and change process curve

根據(jù)邊坡的雷達(dá)圖像和邊坡光學(xué)照片對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：（1）雷達(dá)圖像中1 號區(qū)域賓館及3 號區(qū)域營盤鎮(zhèn)房屋建筑的雷達(dá)回波較強(qiáng)，特征明顯。（2）在雷達(dá)圖像中，公路的回波特征較強(qiáng)，特征比較明顯；（3）雷達(dá)圖像中底部江面溝壑特征比較明顯；（4）監(jiān)測區(qū)域地表樹木和雜草等植被茂密的地方，雷達(dá)回波比較弱，特征不明顯；（5）觀測距離相對于常規(guī)全站儀觀測距離更遠(yuǎn)。綜上，在對滄江橋——營盤滑坡體進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，雖然測點(diǎn)距離坡面距離較遠(yuǎn)，受地表植被等影響，部分區(qū)域雷達(dá)回波較弱，特征不是很明顯，但是滑坡區(qū)域內(nèi)房屋建筑、公路路面、路塹和路堤、坡面裸露的區(qū)域等回波特征較強(qiáng)，特征非常明顯，可根據(jù)這些典型區(qū)域?qū)娼瓨颉獱I盤滑坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

將監(jiān)測過程中不同時(shí)刻滑坡表面的累積形變量監(jiān)測結(jié)果，通過Matlab 成像處理，生成滄江橋——營盤滑坡累積變形分布圖（圖8）。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可以分析監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測區(qū)域不同位置的位移變化情況。分析可知：（1）限于監(jiān)測時(shí)間，在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，邊坡最大位移主要出現(xiàn)在地表植被較茂密的地方，說明茂密的植被對于監(jiān)測精度有一定影響。（2）整體來看，在監(jiān)測時(shí)段內(nèi)，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)主要建筑物位置的位移很小，說明監(jiān)測期內(nèi)滄江橋——營盤滑坡整體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。（3）考慮到后期大華橋電站水庫蓄水過程中，滄江橋滑坡體前沿被淹沒，可能引起滑坡體復(fù)活，因此GB-InSAR 在該邊坡中的長期監(jiān)測是必要且可行的。

圖8 滄江橋——營盤滑坡累積變形分布圖Fig.8 Cumulative deformation distribution of Cangjiangqiao——Yingpan landslide

4 GB-InSAR 在大華橋電站大華滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

4.1 大華滑坡地質(zhì)概況

大華滑坡體距大華橋電站下壩址約5.1 km，為典型的縱橫等長式滑坡，其前緣高程為1 410 m，后緣高程為1 780 m，前、后緣長度約為1 000 m，順瀾滄江流向?qū)挾燃s1 060 m。總體來看，滑坡體“圈椅”狀特征比較明顯，其前緣處于臨空，而后緣及上下游側(cè)緣則被基巖陡坡圍限[20]（圖9）。整個(gè)滑坡堆積物體積大約為4 840×104m3，屬于特大型滑坡?；挛镔|(zhì)主要由上下兩部分組成，上部（表層10～50 m）主要為崩積土夾碎塊石，而下部（20～50 m）則主要為全、強(qiáng)風(fēng)化紫紅色板巖組成，紫色板巖大都發(fā)生傾倒變形，少部分雖保持原狀層序，但大多呈碎塊、碎片、碎屑狀，且強(qiáng)度較低。水庫正常蓄水位為1 477 m 后，大華滑坡體前緣將有67 m 的高度被淹沒，水庫蓄水發(fā)電后，庫水位的反復(fù)升降可能對大華滑坡體的穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響[20]。

圖9 大華滑坡全貌及分區(qū)圖Fig.9 Overall view and zoning map of Dahua landslide

4.2 大華滑坡監(jiān)測分析

大華滑坡測點(diǎn)位于滑坡對岸公路邊，距滑坡水平距離約為290 m。大華滑坡雷達(dá)強(qiáng)度影像見圖10?？梢园l(fā)現(xiàn)：（1）雷達(dá)圖像中鄉(xiāng)村公路、路塹及路堤邊坡的回波特征較強(qiáng)，雷達(dá)影像特征比較明顯；（2）雷達(dá)圖像中的下部的滑坡前緣回波比較強(qiáng)，特征也比較明顯；（3）滑坡區(qū)域內(nèi)裸露地表處的雷達(dá)回波較強(qiáng)，特征較明顯；（4）滑坡監(jiān)測區(qū)域的地表樹木和雜草等植被茂密的地方，雷達(dá)回波比較弱，特征不是很明顯；（5）在方位向零點(diǎn)處存在較為明顯的亮線，與實(shí)際觀測場景存在一定出入，在分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)甄別，降低這一區(qū)域的影響。同時(shí)，需要進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化監(jiān)測系統(tǒng)，使得方位向零點(diǎn)處監(jiān)測結(jié)果盡可能與實(shí)際變形情況相符。綜上，在對大華滑坡體進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，監(jiān)測距離相對于滄江橋-營盤滑坡有所減小?；聟^(qū)域內(nèi)鄉(xiāng)村公路路面、路塹和路堤，坡面裸露的區(qū)域等回波特征較強(qiáng)，特征非常明顯，可根據(jù)這些典型區(qū)域?qū)Υ笕A滑坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測。整體來看，大華滑坡的雷達(dá)影像圖比滄江橋——營盤滑坡雷達(dá)影像圖要清晰，說明隨著距離縮小，雷達(dá)影像圖清晰度有所提高。

圖10 大華滑坡雷達(dá)強(qiáng)度影像圖Fig.10 Radar intensity image of Dahua landslide

圖11 為大華滑坡監(jiān)測位移過程曲線，圖12 為大華滑坡累積變形分布。圖中可以發(fā)現(xiàn)：在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，大華滑坡坡面位移較小，選取的4 個(gè)測點(diǎn)中，最大位移量約為2 mm。因此，大華滑坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。考慮到后期大華橋電站水庫蓄水過程中，滑坡體前沿被淹沒，可能引起滑坡體復(fù)活，因此采用GB-InSAR 對該滑坡進(jìn)行長期監(jiān)測，特別是蓄水過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測是非常必要的[21-22]。

圖11 大華滑坡監(jiān)測過程曲線Fig.11 Dahua landslide monitoring process curve

圖12 大華滑坡累積變形分布圖Fig.12 Distribution of accumulated deformation of Dahua landslide

5 結(jié)論

本研究基于國產(chǎn)先進(jìn)地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)LKR-05-KU-S100，在云南大華橋水電站滄江橋——營盤滑坡和大華滑坡進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)，通過對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行深入分析，可得到如下結(jié)論：

(1)現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)表明，若監(jiān)測滑坡區(qū)域地表植被茂密，則監(jiān)測精度會降低，因此對于植被茂密區(qū)域的數(shù)據(jù)處理，需要進(jìn)行仔細(xì)甄別，謹(jǐn)慎處理。

(2)地基合成孔徑雷達(dá)在監(jiān)測過程中，對于滑坡區(qū)域內(nèi)建構(gòu)筑物、公路、裸露地表等回波特征強(qiáng)，測量精度高、誤差小。因此在對滑坡進(jìn)行大范圍監(jiān)測時(shí)，可選取上述回波特征較強(qiáng)的區(qū)域?yàn)榈湫吞卣鼽c(diǎn)作為滑坡整體變形和穩(wěn)定性分析的依據(jù)。

(3)本次試驗(yàn)表明，國產(chǎn)LKR-05-KU-S100 地基合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)具有高精度、遠(yuǎn)距離、全天時(shí)、全天候、測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，對于大型及特大型滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測具有獨(dú)特的優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。如何提高地表植被影響下的測量精度，并將所觀測的視線方向的變形量，轉(zhuǎn)化為三維方向的位移量，仍需要進(jìn)一步研發(fā)。