基于GB-SAR的黃蠟石邊坡變形數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用

摘 要：首先，本文通過GB-SAR監(jiān)測(cè)原理，對(duì)三峽庫區(qū)黃蠟石邊坡近一個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，通過選取像素點(diǎn)進(jìn)行分析，得到了監(jiān)測(cè)期間的邊坡變形信息：邊坡整體大致呈現(xiàn)由南部凸出向北逐漸過渡為趨于凹進(jìn)的狀況；邊坡整體南部比較動(dòng)蕩，中部往上相對(duì)趨于穩(wěn)定。其次，將GB-SAR微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中，為工程安全運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：GB-SAR；穩(wěn)定性；形變

中圖分類號(hào)：P 25 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 我國地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)狀

我國地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，各種自然環(huán)境變化、天氣氣候影響和人類生存活動(dòng)均可產(chǎn)生或引發(fā)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害，例如邊坡垮塌、滑坡等。隨著自然環(huán)境逐漸惡化，邊坡的穩(wěn)定性不斷降低，越來越容易發(fā)生滑坡等安全事故。

2 研究內(nèi)容

首先，本文基于GB-SAR技術(shù)，利用IBIS-L設(shè)備對(duì)黃蠟石邊坡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其次，結(jié)合IBIS-L處理軟件對(duì)黃蠟石邊坡相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行變形分析，獲取該邊坡在監(jiān)測(cè)期內(nèi)的變形信息，以評(píng)定該邊坡的穩(wěn)定性。最后，結(jié)合地質(zhì)條件和庫區(qū)相關(guān)信息，評(píng)定其穩(wěn)定性，通過這些形變信息提出具有針對(duì)性的工程預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)。

3 研究現(xiàn)狀

2014年，JUNG J等[1]提出了一種新的方法，由天氣模型獲得分層相位模型，利用持續(xù)散射體干涉中可以通過時(shí)間濾波有效消除湍流相位。2019年，胡海洋等[2]提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Kalman（卡爾曼）濾波算法，通過引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)了K濾波估計(jì)殘值的自動(dòng)修正，提高了滑坡提取的準(zhǔn)確性。2021年，徐進(jìn)軍等[3]在氣象數(shù)據(jù)大氣改正方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于穩(wěn)定點(diǎn)分時(shí)段修正觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)的大氣改正方法，可有效縮小誤差。

4 研究區(qū)概況及研究方法流程

4.1 研究區(qū)概況

長江三峽黃蠟石滑坡地形呈長條形且?guī)в邪疾邸８鶕?jù)黃蠟石滑坡成因以及其地貌特征等可以分為東部的包基巖滑坡，西部局部切入的崩坡積層滑坡，還有西緣的崩坡積層滑坡。總體積達(dá)1800萬m3，位于三峽水庫區(qū)巴東縣城以東2km處長江北岸，距三峽大壩壩址66km。

長江三峽庫區(qū)氣候多為亞熱帶氣候，空氣特征偏干燥、溫暖，年度降水量少且溫度較高。與我國主體降水情況不同的是，三峽庫區(qū)降雨情況在冬季良好，而在其余3個(gè)季節(jié)都偏少。主要溫度區(qū)間也與我國大部分地區(qū)不同，夏季溫度偏低而其余3個(gè)季節(jié)溫度偏高。庫區(qū)平均風(fēng)速略小于常年且季節(jié)變化不大。

4.2 研究方法流程

數(shù)據(jù)處理理論總流程（如圖1所示）如下。

4.2.1 影像配準(zhǔn)

在已獲取的黃蠟石邊坡影像中找到并確定從影像與主影像之間的相對(duì)幾何變換模型，根據(jù)變換模型對(duì)從影像進(jìn)行相對(duì)校正，使同一目標(biāo)在主從影像上能夠重合。

4.2.2 生成干涉圖以及相位噪聲濾波

在對(duì)由GB-SAR所得的復(fù)數(shù)影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)后，將它們的對(duì)應(yīng)像素值進(jìn)行共軛相乘，然后得到每個(gè)像素的相位差，生成干涉圖后，再對(duì)相位進(jìn)行去噪處理。

4.2.3 相位解纏

綜合利用分析多種相位解纏方法，將相位主值恢復(fù)為其真實(shí)的全相位值，以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4.2.4 大氣相位校正

為了消除大氣效應(yīng)誤差對(duì)觀測(cè)目標(biāo)形變監(jiān)測(cè)結(jié)果精度的影響，基于目前的一些大氣改正方法，例如固定點(diǎn)改正法、氣象數(shù)據(jù)改正法、永久散射體技術(shù)來剔除大氣效應(yīng)誤差，利用二次曲面函數(shù)建立分布模型。

4.2.5 工程應(yīng)用

數(shù)據(jù)處理后，可以獲得目標(biāo)在雷達(dá)視線方向的形變量，最后結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)、水文、氣象等其他外部數(shù)據(jù)共同分析該邊坡的穩(wěn)定性并提出針對(duì)性處理建議。

5 黃蠟石邊坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

5.1 選取像素點(diǎn)

對(duì)三峽庫區(qū)黃蠟石邊坡觀測(cè)數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行處理，GB-SAR綜合了合成孔徑雷達(dá)成像原理與電磁波干涉技術(shù)，可以精確測(cè)量地表某一點(diǎn)的空間位置及微小變化，從所研究的黃蠟石邊坡中均勻提取像素點(diǎn)（各像素點(diǎn)具體坐標(biāo)如圖2所示），其選擇的各參數(shù)閾值如下：熱信噪比為15.0，估計(jì)信噪比為10.0，時(shí)間相干系數(shù)為0.70，相位穩(wěn)定性為0.5。

5.2 對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并分析

5.2.1 得到全局變形云圖

在完成相位解纏、大氣相位校正、噪聲校正等一系列數(shù)據(jù)處理后，得到所選像素點(diǎn)上黃蠟石邊坡的具體變形情況，見表1。

表1 選取像素點(diǎn)的具體變形情況

像素點(diǎn) 所選取像素點(diǎn)的具體形變程度/m 形變方向

P1 -1.4 凸出邊坡

P2 0.4 凹向邊坡

P3 0.6 凹向邊坡

P4 -0.4 凸出邊坡

P5 -0.5 凸出邊坡

P6 -1.2 凸出邊坡

P7 -0.2 凸出邊坡

5.2.2 分析邊坡變形情況

根據(jù)黃蠟石邊坡全局變形云圖來分析邊坡不同方向的變形情況。其中，以正數(shù)表示邊坡遠(yuǎn)離雷達(dá)方向即凹向邊坡內(nèi)部的變形量，以負(fù)數(shù)表示邊坡靠近雷達(dá)方向即邊坡往外部凸出的變形量。由表1可知，邊坡整體大致呈現(xiàn)由南部凸出向北逐漸過渡為趨于凹進(jìn)的情況。因此在邊坡南部，可以采用抗滑樁、金屬錨桿對(duì)其進(jìn)行干預(yù)、加固，而北部可以使用填筑或灌注法來保持邊坡穩(wěn)定性。

5.2.3 大氣相位矯正

5.2.3.1 固定點(diǎn)改正法

該方法的數(shù)學(xué)模型如公式（1）所示，建立大氣誤差相位?atm與目標(biāo)觀測(cè)距離的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，利用監(jiān)測(cè)區(qū)域穩(wěn)定部位或者自行放置角反射器作為控制點(diǎn)來求解模型參數(shù)，從而對(duì)其他目標(biāo)進(jìn)行大氣改正。

（1）

式中：a為模型參數(shù)；r為觀測(cè)目標(biāo)距雷達(dá)的距離。

通常情況下，i取1或2，即固定點(diǎn)改正模型一般為目標(biāo)觀測(cè)距離的一階或二階模型。

5.2.3.2 氣象數(shù)據(jù)改正法

該方法利用觀測(cè)區(qū)域氣象數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)折射率模型建立相關(guān)的大氣改正模型，如公式（2）所示。

（2）

式中：Δd為受大氣效應(yīng)影響引起的雷達(dá)視線向位移變化量；Δφatm為大氣效應(yīng)引起的大氣誤差相位的變化值；ΔN為監(jiān)測(cè)目標(biāo)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)的折射率變化。

應(yīng)用時(shí)，利用觀測(cè)現(xiàn)場所測(cè)氣象數(shù)據(jù)求得監(jiān)測(cè)目標(biāo)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)的折射率變化ΔN，再結(jié)合公式（2）求得大氣效應(yīng)給雷達(dá)視線向位移變化量造成的影響ΔN，并將其從GB-SAR變形監(jiān)測(cè)結(jié)果中去除，便可得到監(jiān)測(cè)目標(biāo)自身的形變結(jié)果[4]。

5.2.4 提取形變值并分析

通過上述的數(shù)據(jù)處理，根據(jù)公式φ=φdis+φatm+φnoise-2πn（φdis為目標(biāo)物形變相位；φatm為因大氣效應(yīng)影響產(chǎn)生的大氣誤差相位；φnoise為噪聲相位；n為相位整周模糊度），就可獲得目標(biāo)在雷達(dá)視線向的形變相位。對(duì)目標(biāo)所有的監(jiān)測(cè)影像進(jìn)行時(shí)序上的分析，即可得到目標(biāo)在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)的變形序列。如果需要分析特定時(shí)間段內(nèi)目標(biāo)的形變趨勢(shì)，將該時(shí)段內(nèi)的每幅影像目標(biāo)的形變相位減去初始時(shí)刻的形變相位即可。

數(shù)據(jù)監(jiān)控時(shí)間為2019年5月，監(jiān)測(cè)時(shí)間天氣為多云轉(zhuǎn)晴，東南風(fēng)1級(jí)。

由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理并計(jì)算得出的邊坡各部分形變值可知，邊坡南部的變形量相對(duì)其他位置偏大。而位于中部和北部的變形量基本以零為中線上下浮動(dòng)，因此可以推斷邊坡的中部較為穩(wěn)定。由此可以大致得出關(guān)于黃蠟石邊坡的穩(wěn)定性的方位規(guī)律：南部比較動(dòng)蕩，而中部往上相對(duì)趨于穩(wěn)定。

6 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

一般判斷邊坡變形情況的工程應(yīng)用分析可分為形變速率判別和地質(zhì)學(xué)角度判別2種分析方法。

形變速率分析法認(rèn)為黃蠟石邊坡變形演化中邊坡變化有3個(gè)階段，即緩慢變形、勻速變形和加速變形。其中，緩慢變形為初始階段，一般變化較快，后期隨時(shí)間增長變形速度漸漸減慢，勻速變形階段時(shí)邊坡宏觀變形速率一般可保持基本穩(wěn)定不變，而在加速變形階段變形速率呈不斷增長的趨勢(shì)，直至邊坡整體失穩(wěn)。

從地質(zhì)學(xué)角度來看，影響邊坡穩(wěn)定性主要分為靜態(tài)因素和動(dòng)態(tài)因素，前者主要包括地形地質(zhì)、水文水位、植被分布等自然條件；后者主要指人類活動(dòng)及地震、突發(fā)天氣狀況等指標(biāo)。

由本文中5.2.2部分得出結(jié)論：邊坡整體大致呈現(xiàn)由南部凸出向北逐漸過渡為趨于凹進(jìn)的情況。由文中5.2.4部分得出結(jié)論：黃蠟石邊坡南部較動(dòng)蕩，中部往上區(qū)域較穩(wěn)定。由此可以得出對(duì)工程的分析，應(yīng)該分別對(duì)邊坡南部（穩(wěn)定性較差，邊坡有凸出情況）以及邊坡北部（穩(wěn)定性較好，邊坡有凹進(jìn)情況）這2個(gè)區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

6.1 邊坡南部工程情況分析

黃蠟石南部邊坡穩(wěn)定性較低，而邊坡的失穩(wěn)一般是指土方邊坡在一定范圍內(nèi)由整體沿某一滑動(dòng)面向下或向外移動(dòng)導(dǎo)致喪失其穩(wěn)定性，往往是由外界不利因素影響下觸發(fā)和加劇的，例如暴雨、洪水等再加上邊坡本身存在凸出情況，使滑坡的風(fēng)險(xiǎn)更大，因此在黃蠟石邊坡南部附近修建工程時(shí)，避免滑坡是工程需要著重考慮的問題。

當(dāng)邊坡穩(wěn)定性不高時(shí)，為避免滑坡災(zāi)害，一般可以考慮以下措施：防滲排水整治滑坡，在滑坡體外圍設(shè)置截水溝槽；鉆孔排水，利用若干個(gè)垂直鉆孔，打穿滑坡體下部的不透水層，將滑坡體中的水流到其下伏的另一個(gè)透水性較強(qiáng)的巖層中。以增加邊坡的穩(wěn)定性以及工程的安全性。

6.2 邊坡北部工程情況分析

黃蠟石北部邊坡地基凹進(jìn)地表面，當(dāng)遇到自然天氣影響時(shí)，易出現(xiàn)積水等問題，使邊坡坡度加大，非常影響邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)遇到高山深谷的地形地貌時(shí)，工程建設(shè)的過程中勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模的開挖工程和填充工程，為保證坡面整體質(zhì)量及工程安全性，一般可以進(jìn)行填塞處理。

當(dāng)此處邊坡進(jìn)行工程活動(dòng)時(shí)，由于其一般具有土質(zhì)松軟等特質(zhì)，對(duì)開挖等工程項(xiàng)目要保持謹(jǐn)慎，一般可以對(duì)松軟土層采取保護(hù)措施，避免外界車輛的振動(dòng)。

7 結(jié)語

國際上還沒有統(tǒng)一的大氣校正方法，因此對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)或者系統(tǒng)性的分析比較是非常必要的。目前進(jìn)行大氣改正的方法主要有3種，第一種是基于地表氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)建立大氣改正模型，綜合考慮氣候、維度等各種因素計(jì)算折射率。第二種是通過在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)找到穩(wěn)定點(diǎn)，通過穩(wěn)定點(diǎn)對(duì)最終觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正。第三種方法是利用永久散射體技術(shù)構(gòu)建PS氣象改正網(wǎng)進(jìn)行氣象改正。今后的研究或許可以聚焦分析各種方法的優(yōu)劣，取長補(bǔ)短式地對(duì)各種大氣方法進(jìn)行綜合，以獲取對(duì)大氣相位校正效果最好的方法。

而對(duì)長江三峽庫區(qū)的黃蠟石邊坡穩(wěn)定性情況來說，南部凹出而北部趨于凸進(jìn)，位于此庫區(qū)的水利建筑相關(guān)工程，穩(wěn)定性的參考與設(shè)計(jì)要緊扣邊坡的具體形態(tài)，根據(jù)工程所處邊坡是凸出還是凹進(jìn)設(shè)計(jì)符合地基條件的相關(guān)工程，在最大限度上避免滑坡危害等其他重大安全事故的發(fā)生。

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