CN109725312A - 一种基于空天地一体化观测的库岸形变监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空天地一体化观测的库岸形变监测方法，该监测方法首先利用星载InSAR对库岸边坡进行大范围形变监测预警，获取重点需要加强监测的库岸边坡；然后利用无人机载InSAR技术对小范围边坡进行观测；接着利用船载/地基SAR对预警边坡进行重点监测，获取重点监测库岸边坡的预警信息；最后将这些预警信息通过应用程序分别发送至管理部门。最终实现水利水电库坝边坡形变监控的空天地多层次关键技术。该技术可以长周期内在较大空间尺度上观测库岸边坡的变形情况，同时提高了重点边坡观测的精度。
Description
技术领域
本发明属于库岸变形监测领域，涉及一种库岸变形监测方法，具体涉及一种基于空天地一体化观测的库岸形变监测方法。
背景技术
目前水电枢纽工程均已布设了内外观各类传感器和智能化控制设备，已有部分水电站已实施监测自动化工作如：小湾、糯扎渡、漫湾、苗尾、功果桥等。工程安全监测的相关数据均已顺利传输至数据中心。但是对于库岸滑坡体、公路边坡等缺少监测手段无法对滑坡做出预警。同时，这些滑坡体和边坡具有坡度高难以攀爬、交通不便、数量庞大等特点，在这些滑坡体和边坡上布置传统内外观传感器显得异常困难，即使勉强可以布设，所获取的也只能是“点状”监测信息，难以获取边坡“面状”动态变化信息。此外，系统运行与维护成本也非常之高。
合成孔径雷达干涉(InSAR)测量技术是一种高精度对地观测技术，与传统监测手段相比，具有高精度、全天候、全天时、大区域进行对地观测的优势。1991年和1995年，ESA(欧洲航天局/欧洲太空总署)相继发射了雷达卫星ERS-1和ERS-2，2002年又发射了ENVISAT卫星，这些卫星为InSAR技术的研究和应用提供了大量的SAR(雷达干涉)数据，其稳定的数据源和可靠的轨道控制为广泛进行InSAR技术应用提供了基础。同时加拿大的RADARSAT卫星、日本的JERS卫星以及ALOS卫星也都为开展InSAR技术的应用提供了更多的SAR数据。在地形测图方面，美国SRTM(Shuttle Radar Topography Mission航天飞机雷达地形测绘使命)任务利用11天时间获取了全球80％地区的DEM数据，其空间分辨率和测量精度均达到应用的要求。
随着SAR技术和干涉理论的发展，其逐步走向工程化应用。监测对象也由早期的大尺度的地震形变场转化为小尺度的地表沉降。如Ferretti等利用提出PS-DInSAR(永久散射体合成孔径雷达差分干涉)技术方法，成功应用到安科纳地区的滑坡监测，得出该滑坡的线性运动速度在3mm/年左右。Colesanti等人对地不同卫星图像融合等进行了PS-DInSAR的研究实验，得出不同频率雷达影像之间可以融合一起进行PS-DInSAR处理，提高了成功率，同时不断改进相关模型算法，并与GPS和水准等可靠数据进行比较，验证了PS-DInSAR技术可以监测到地表mm级的形变量。D.Perissin也利用INSAR时间序列分析方法研究了中国的上海、天津、巴东地面沉降和三峡大坝的形变情况。
范景辉等利用2003-2004年9景ENVISAT ASAR数据，采用干涉图叠加方法，对天津地区地面沉降进行了DInSAR监测实验，获得季度平均沉降速率图，有效揭示了实验区地面沉降的空间分布及相对形变量。2007年，葛大庆等引入了基于相干点目标的多基线DInSAR数据处理算法，利用2004-2005年的12幅SAR影像提取了沧州地区的地表沉降线性速率及其演变状况。2008年，ZHAO Qing等利用6幅ENVISAT ASAR影像，基于干涉图叠加法，对珠江三角洲的地面沉降进行了研究，发现因城市化发展导致的广州、佛山、东莞等地的地面沉降现象非常明显，并利用PS方法对干涉图叠加结果进行了验证，结果表明两者在广州越秀区和海珠区相一致。
InSAR应用于大坝监测也有不少案例。廖明生等人结合当前雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术的发展，以TerraSAR-X数据为例,重点研究高分辨率SAR数据在三峡库区滑坡监测中的应用。实验结果表明，利用高分辨率SAR影像幅度和差分干涉相位信息，可以成功地检测到三峡库区滑坡发生所处的时间段、地点以及形变,验证了高分辨率雷达数据InSAR技术进行滑坡检测的有效性。
目前，InSAR及其延伸技术已在测绘、资源勘探、环境保护、灾害监测与评估、海洋观测、森林调查、农作物估产、国家安全方面扮演重要角色，发挥着愈来愈广的作用。但是在水利水电工程中的应用还只停留在实验阶段，应用方面也只是在三峡水利枢纽工程及个别特大水电站中得到应用，目前在水利水电行业中还没有得到很好的推广。同时星载InSAR技术受天气因素影响较大，对于库岸边坡的长时间高精度观测难以实现，尤其是对于重点高危边坡观测时效性尚显不足，因此需要提出一种大范围长时序观测的基础上又能对部分高危边坡进行高精度重点观测的监测技术。
发明内容
本发明是为了解决上述不足而设计的，目的在于提供一种基于空天地一体化观测方法的库岸形变监测技术，能够大范围高精度监测库区边坡的形变状态。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案。
一种基于空天地一体化观测的库岸形变监测方法，其特征在于：采用InSAR技术和遥感技术对水电站沿岸库坝进行从天空到地面的协同监测，同时将监测结果以三维可视化的方式直观展示，让管理者能够快速准确的掌握整个库区、坝区的形变信息，实现快速决策。
作为改进，所述的从天空到地面的协同监测指的是首先利用星载InSAR对库岸边坡进行大范围形变监测预警，获取重点需要加强监测的库岸边坡；然后利用无人机载InSAR技术对小范围边坡进行观测；接着利用船载和地基SAR对预警边坡进行重点监测，获取重点监测库岸边坡的预警信息。
作为改进，所述的利用星载InSAR对库岸边坡进行大范围形变监测预警指的是首先结合基础地理信息资料和气象、水准测量数据进行星载InSAR数据预处理；然后对星载InSAR地面沉降信息进行反演分析；最后结合地面资料对监测资料结果进行分析解释。
作为改进，所述的无人机载InSAR技术对小范围边坡进行观测指的是：获得重点需要加强监测的库岸边坡信息后，采用无人机载InSAR对其进行局部高精度观测。
作为改进，所述的利用船载和地基SAR对预警边坡进行重点监测指的是针对需要重点监测的库岸边坡，采用船载InSAR对边坡进行近距离巡视观测，同时在高危边坡附近安置地基SAR对其进行全天候长时序定点观测。
作为改进，所述的将监测结果以三维可视化的方式直观展示指的是按照三维展示的要求将形变监测结果转换为三维形式，并按照时间轴进行展示，演示形变的发生发展的过程。
本发明有益效果是：
本发明提供了一种基于空天地一体化观测的库岸形变监测方法，可以根据监测的需要随时进行大范围、高精度的库岸形变监测。本发明所提供的方法可以大幅降低前期数据采集的经费，降低监测后期维护费用，有着巨大的经济和社会效益。本发明所提供的方法采用星载InSAR作为整个库区大范围沉降监测的手段，并辅以空中(无人机载InSAR)和地面(船载和地面有轨的方式)的高新合成孔径雷达及其衍生技术，对重点工程建设区域、库坝周边生态环境进行高效率、高精度的监测，从而达到遏制灾害、减轻灾害损失、稳定社会秩序的目的，对于InSAR技术在水利水电行业进行推广应用意义重大。
附图说明
图1是本发明基于空天地一体化观测的库岸形变监测方法示意图。
1-星载InSAR，2-无人机载InSAR，3-船载SAR，4-地基SAR，5-库岸边坡。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的一种基于空天地一体化观测方法的库岸形变监测技术作详细阐述。以下实施例中未详细阐述的部分均属于现有技术。
一种基于空天地一体化观测的库岸形变监测方法，采用InSAR技术和遥感技术对水电站沿岸库坝进行从天空到地面的协同监测，同时将监测结果以三维可视化的方式直观展示，让管理者能够快速准确的掌握整个库区、坝区的形变信息，实现快速决策。本发明采用的设备有星载InSAR 1、无人机载InSAR 2、船载SAR 3和地基SAR 4，其中地基SAR 4设于高危边坡附近，对高危边坡进行全天候长时序定点观测。
所述的从天空到地面的协同监测指的是首先利用星载InSAR 1对库岸边坡5进行大范围形变监测预警，获取重点需要加强监测的库岸边坡5；然后利用无人机载InSAR 2技术对小范围边坡进行观测；接着利用船载和地基SAR 4对预警边坡进行重点监测，获取重点监测库岸边坡5的预警信息。所述的利用星载InSAR 1对库岸边坡5进行大范围形变监测预警指的是首先结合基础地理信息资料和气象、水准测量数据进行星载InSAR 1数据预处理；然后对星载InSAR 1地面沉降信息进行反演分析；最后结合地面资料对监测资料结果进行分析解释。所述的无人机载InSAR 2技术对小范围边坡进行观测指的是：获得重点需要加强监测的库岸边坡5信息后，采用无人机载InSAR 2对其进行局部高精度观测。所述的利用船载和地基SAR4对预警边坡进行重点监测指的是针对需要重点监测的库岸边坡5，采用船载InSAR对边坡进行近距离巡视观测，同时在高危边坡附近安置地基SAR 4对其进行全天候长时序定点观测。所述的将监测结果以三维可视化的方式直观展示指的是按照三维展示的要求将形变监测结果转换为三维形式，并按照时间轴进行展示，演示形变的发生发展的过程。
本发明首先利用星载InSAR 1对库岸边坡5进行大范围形变监测预警，获取重点需要加强监测的库岸边坡5；然后利用无人机载InSAR 2技术对小范围边坡进行观测；接着利用船载/地基SAR 4对预警边坡进行重点监测，获取重点监测库岸边坡5的预警信息；最后将这些预警信息通过应用程序分别发送至水电站管理部门、公司领导、国土资源管理部门。最终实现水利水电库坝边坡形变监控的空天地多层次关键技术。该技术可以长周期内在较大空间尺度上观测库岸边坡5的变形情况，同时提高了重点边坡观测的精度。
<实施例>
如图1所示，本发明一种基于空天地一体化观测的库岸形变监测方法包含以下3个步骤：首先利用星载InSAR 1对库岸边坡5进行大范围形变监测预警，其中星载InSAR 1可以观测整个库区岸坡的变形情况，如图1中所示的AB范围，获取重点需要加强监测的库岸边坡5；然后利用无人机载InSAR 2技术对小范围边坡进行观测，观测范围如图1所示的CD部分；接着利用船载SAR 3和地基SAR 4对预警边坡进行重点监测，观测范围如图1所示的EF部分，获取重点监测库岸边坡5的预警信息。
以上实施例仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的一种基于空天地一体化观测方法的库岸形变监测技术并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的过程，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。
Claims (6)
1.一种基于空天地一体化观测的库岸形变监测方法，其特征在于：采用InSAR技术和遥感技术对水电站沿岸库坝进行从天空到地面的协同监测，同时将监测结果以三维可视化的方式直观展示，让管理者能够快速准确的掌握整个库区、坝区的形变信息，实现快速决策。
2.根据权利要求1所述的库岸形变监测方法，其特征在于：所述的从天空到地面的协同监测指的是首先利用星载InSAR对库岸边坡进行大范围形变监测预警，获取重点需要加强监测的库岸边坡；然后利用无人机载InSAR技术对小范围边坡进行观测；接着利用船载和地基SAR对预警边坡进行重点监测，获取重点监测库岸边坡的预警信息。
3.根据权利要求2所述的库岸形变监测方法，其特征在于：所述的利用星载InSAR对库岸边坡进行大范围形变监测预警指的是首先结合基础地理信息资料和气象、水准测量数据进行星载InSAR数据预处理；然后对星载InSAR地面沉降信息进行反演分析；最后结合地面资料对监测资料结果进行分析解释。
4.根据权利要求2所述的库岸形变监测方法，其特征在于：所述的无人机载InSAR技术对小范围边坡进行观测指的是：获得重点需要加强监测的库岸边坡信息后，采用无人机载InSAR对其进行局部高精度观测。
5.根据权利要求2所述的库岸形变监测方法，其特征在于：所述的利用船载和地基SAR对预警边坡进行重点监测指的是针对需要重点监测的库岸边坡，采用船载InSAR对边坡进行近距离巡视观测，同时在高危边坡附近安置地基SAR对其进行全天候长时序定点观测。
6.根据权利要求1所述的库岸形变监测方法，其特征在于：所述的将监测结果以三维可视化的方式直观展示指的是按照三维展示的要求将形变监测结果转换为三维形式，并按照时间轴进行展示，演示形变的发生发展的过程。
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