CN110596702A - 基于地面稳定平台sar的流域库岸变形监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法，属于变形监测领域。在待测库岸边坡上布设角反射器作为控制点，同时在对岸选择合适位置安装由线性导轨、系统传感器等组成的地面稳定平台SAR监测系统。地基SAR系统传感器接收向库岸边坡发射并返回的遥测信号，获得监测区域的二维影像。对每次监测获得的二维影像进行处理，比较同一区域不同时间内观测所获得的相位信息，通过差分干涉测量技术获取两次观测时间内流域库岸的形变量，进而通过累加得到流域库岸的变形过程，并利用控制点进行地理编码及评定监测结果的精度。该方法可在长周期内大范围、高效率、高精度的非接触式观测流域库岸变形情况，有利于推动流域库岸变形监测领域的发展。

Description

基于地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法
技术领域
本发明属于变形监测领域，具体涉及一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法。
背景技术
我国是遭受滑坡灾害最为严重的国家之一，流域岸坡特别是水库蓄水后的库岸边坡是滑坡等灾害的高发区域。如2018年10月11日发生于西藏昌都市江达县波罗乡境内的金沙江山体滑坡，造成金沙江断流并形成堰塞湖，给上下游人民的生命财产安全带来严重威胁，同时影响到下游叶巴滩电站的安全运行，造成巨大的社会损失。可见库岸边坡滑坡危害性极大，严重制约着的国民经济发展，因此，对流域库岸边坡进行安全监测来正确地判别其演化变形阶段，为后续采取应急处置措施提供技术支撑十分必要。
目前我国大部分水利枢纽工程都在坝内外布设了各类传感器和智能化控制设备，并且部分水电站已经实现了监测自动化，如糯扎渡、小湾、漫湾、苗尾、功果桥等。但是，对于流域库岸边坡的监测还在起步阶段，大部分地区缺乏有效的观测手段，不能对流域库岸的滑坡做出准确的预警。同时，水利枢纽工程通常修建于高山峡谷之中，流域库岸边坡存在数量多、攀爬难度大、交通不便等特点，使监测难度大大增加，即使具备采用常规设备监测的条件，往往也只能获取极少量变形信息。
现阶段我国常规的流域库岸边坡变形监测手段主要有全站仪、变形传感器、 GPS、三维激光扫描等。全站仪和变形传感器可以通过高精度连续观测，获取高精度流域库岸形变信息，但所获取的也仅仅是点状的监测信息，难以获得边坡的面状形变过程信息。此外，全站仪依托于人工测量，不能实现自动化，变形传感器需要定期维护，这两种监测方法的运行成本非常之高。GPS也可以通过观测获取高精度流域库岸变形信息，但容易受到天气及地理位置的影响，难以实现全天候观测。三维激光扫描虽可获取边坡整体形变信息，但因测量精度低而难以及时、精确获得流域库岸的真实形变量。
在新兴变形监测技术方面，星载InSAR技术作为一种大范围微小变形监测技术，已在地形测绘、军事侦察、城市地表形变监测、地震、火山、冰川运动、滑坡分析等多个领域得到应用。但是，星载InSAR技术存在着明显的缺点：卫星重访周期限制了观测实时性，难以满足应急监测需求；进行流域库岸变形监测时，星载InSAR的空间分辨率、覆盖范围难以实现最佳匹配；由于卫星飞行方向是固定的，导致流域库岸边坡观测存在叠掩、阴影和顶底倒置等现象，难以满足监测需要。
地基SAR是最近10年兴起的一种有效形变测量技术，该技术基于微波探测主动成像方式获取监测区域二维影像，通过合成孔径和步进频率技术实现雷达影像距离向和方位向的高空间分辨率观测，通过干涉技术可实现毫米级的微变形监测。与全站仪或地面激光扫描仪等常规测量方法，地基SAR可以对滑坡体等进行连续大范围面状观测。与星载InSAR相比，地基SAR可以实现更短时间间隔 (约几分钟)的图像，克服星载InSAR在数据获取方面的局限，且具有更好的空间分辨率。此外，地基SAR还具有观测姿态与设站灵活等优点，可以实现对观测区的全面多方位监测，获取任意视线方向的形变，实现零基线观测，消除基线误差影响，而且能够实现整个监测系统的数据采集与后处理全面自动化，整个过程都十分简便，是对局部区域进行变形监测的一种新技术。
由于具有上述多种优点，地基SAR在变形监测领域得到了广泛的应用。国外方面，2003年，Tarchi等利用地基SAR对意大利的Tessina滑坡进行了监测，比较测量结果与传统光学测量结果，测量控制点位移量的最大互差3mm以内。2004年，Luzi等对CivitadiBagnoregio滑坡进行变形监测，结果分析表明，当不同SAR图像可以保持足够的相干性时，地基SAR的监测结果就具有相当精度。 2005年，Noferini首次在地基SAR系统中采用PS技术来修正大气相位，对意大利Citrin Valley的边坡的监测估计结果基本与GPS测量结果一致。2008年，Lingua 等提出联合TLS和地基SAR进行滑坡监测，利用TLS生成高精度的数字高程模型，利用SAR图像对模型聚焦，实现两种技术的互补，从而获取整个监测区域的相位信息。此外，Ventisette利用地基SAR监测意大利卡拉布里亚地区的紧急滑坡，监测结果表明高速公路受该滑坡的影响较小。Luzi等利用地基SAR监测高山冰川流速，其测量结果基本上与其他遥感技术监测结果一致。
国内方面，杨红磊等采用IBIS-M系统对平朔露天矿边坡进行监测，采用PS 技术进行分析，得到了毫米级的观测结果。柳林等利用地基SAR对新疆和静县铁矿冰川表面流速进行连续观测，认为地基SAR技术可以快速、高精度地获取山地冰川的连续表面流速信息。刘小阳等将地基SAR技术应用于基坑边坡的变形监测，采用加权圆周中值滤波滤除热噪声和环境噪声的影响，得到了高质量的 SAR图像，并将监测结果与高精度全站仪监测结果进行比较，验证了地基SAR 具有亚毫米级别的精度。刘洪一等利用地基SAR对堤防位移进行监测，认为地基SAR可以很好的获取堤防表面位移变化信息，能够很好的完成堤防监测的任务。
目前国内地基SAR在水利水电工程中的应用较少，且主要是用于检测坝体变形。黄其欢等用IBIS-L系统对紫平铺大坝进行监测试验，获得了毫米级的监测精度。黄其欢等利用地基SAR对隔河岩大坝进行监测实验，并考虑到方位向的分辨率与距离相关，采用极坐标来表示原影像，结果显示地基SAR的检测结果与常规检测结果相符。余波利用IBIS-L对某重力拱坝进行数据采集，得到如下结论：地基SAR可以获取区域性大面积的变形信息；地基SAR的监测结果在消除大气影响后与常规监测结果具有较好的一致性。
地基SAR作为一种区域性大面积微变形监测新技术，在多个领域扮演者重要角色，但在水利水电工程尤其是流域库岸边坡监测中并未得到广泛应用。鉴于目前全站仪、变形传感器、GPS、三维激光扫描等常规监测技术对大范围微小变形监测均存在着一定的缺陷，流域库岸变形监测问题并没有得到很好的解决。随着我国水利工程的发展及一系列高坝大库的出现，这对流域库岸变形监测提出了更高的要求，这迫切要求提出一种具有良好适应性的新方法。
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地面稳定平台 SAR的流域库岸变形监测方法，能够在长周期内大范围、高效率、高精度的非接触式观测流域库岸变形情况，推动流域库岸变形监测领域的发展。
本发明为了实现上述目的，本发明提供的基于地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法，其特征在于：在待测库岸边坡上布设角反射器(2)作为控制点，在待测库岸边坡对岸合适位置安装地面稳定平台SAR监测系统(1)，地基SAR 系统传感器发射并接收遥测信号，获得监测区域的二维影像，通过对观测的相位信息进行处理得到流域库岸的变形过程，并利用控制点进行地理编码及评定监测结果的精度；具体步骤如下：
1)安装地面稳定平台SAR监测系统(1)：根据对流域库岸现场考察及地基 SAR 300～1000m的理论最优监测范围，在待测库岸边坡对岸寻找满足信噪比大于 10.0dB、时间相干系数大于0.50、相位稳定系数大于0.5的位置安装地面稳定平台SAR监测系统(1)；所述地面稳定平台SAR监测系统(1)包括线性导轨、地基SAR系统传感器和供电模块；
2)布设角反射器(2)：在待测范围内的库岸边坡上根据地基SAR的扇形成像模式，在方位向上按近少远多的原则布设5个以上角反射器(2)作为控制点；
3)地面稳定平台SAR变形监测：地基SAR系统传感器安装在线性导轨上，地基SAR系统传感器在线性导轨上往返运动，利用合成孔径技术提高方位分辨率，接收向库岸边坡发射并返回的遥测信号，从而获得监测区域的高空间分辨率二维影像；
4)控制点变形监测：利用DGPS获取控制点的三维坐标，进而得到控制点的准确变形；
5)通过对观测的相位信息进行处理获取流域库岸的变形过程：对每次监测获得的高空间分辨率二维影像进行处理，比较同一区域不同时间内观测所获得的相位信息，通过差分干涉测量技术获取两次观测时间内流域库岸的形变量，进而通过累加得到流域库岸的位移变形过程，实现优于毫米级微变形监测；
6)利用控制点进行地理编码及精度评定：将采用GPS所观测到的控制点三维坐标进行地理编码，实现从图像空间到对象空间的转换，为后续的可视化提供数据支撑，并将地面稳定平台SAR监测系统(1)所观测到的控制点形变量与GPS 观测到的准确形变量进行比较，从而评定地面稳定平台SAR监测系统(1)的观测结果的精度。
作为优选方案，所述步骤3)地面稳定平台SAR变形监测中，地基SAR系统传感器监测频率为：常规时段每天在固定时间进行一次观测，在汛期或危险期进行5-10分钟间隔的连续观测。
进一步地，所述步骤4)控制点变形监测中，利用DGPS获取控制点三维坐标的时间点与地基SAR系统传感器监测的时间点保持一致。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法。
(2)本发明所提供的方法可以实时获取大范围、高效率、高精度的非接触式观测流域库岸变形情况，进而得到库岸边坡的变形过程。
(3)本发明所提供的方法可以实现流域库岸边坡的自动监测，大大降低数据采集费用、设备维护费用，具有巨大的经济效益。
(4)本发明所提供的方法可以根据监测结果确定流域库岸边坡处理方案及其他灾害应对措施，具有巨大的社会效益。
(5)本发明所提供的方法可以将地基SAR与流域库岸边坡变形监测相结合，为流域库岸边坡的监测提供一种适应性更好的新方法，既有利于推动流域库岸边坡监测领域的发展，又对地基SAR在水利水电行业推广和应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明地面稳定平台SAR监测示意图
图2为本发明角反射器布置方案示意图。
图中：A—地面稳定平台SAR布置位置；BC—地面稳定平台SAR监测范围； 1—地面稳定平台SAR监测系统；2—角反射器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
以下结合附图对本发明所涉及的一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法作详细阐述。以下实施例中未详细阐述的部分均属于现有技术。
<实施例>
如图1所示，本发明所涉及的一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法包括以下三个实施步骤：首先根据对流域库岸现场考察及地基SAR理论最优监测范围等因素，在待测边坡对岸选择合适位置A安装地面稳定平台SAR 监测系统(1)，同时根据地基SAR扇形模式在待测边坡上合理布设角反射器(2)，布设方案如图1所示；然后地基SAR系统传感器在线性导轨上往返运动，接收向库岸边坡发射并返回的遥测信号，从而获得监测区域的高空间分辨率二维影像，再利用差分干涉测量技术获取监测区域的变形信息，监测区域如图中BC所示；最后将地面稳定平台SAR监测系统(1)对控制点的监测结果与GPS的准确监测结果对比，评定地面稳定平台SAR监测系统(1)的精度。
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地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法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 (3)

1.一种基于地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法，其特征在于：在待测库岸边坡上布设角反射器(2)作为控制点，在待测库岸边坡对岸合适位置安装地面稳定平台SAR监测系统(1)，地基SAR系统传感器发射并接收遥测信号，获得监测区域的二维影像，通过对观测的相位信息进行处理得到流域库岸的变形过程，并利用控制点进行地理编码及评定监测结果的精度；具体步骤如下：
1)安装地面稳定平台SAR监测系统(1)：根据对流域库岸现场考察及地基SAR 300～1000m的理论最优监测范围，在待测库岸边坡对岸寻找满足信噪比大于10.0dB、时间相干系数大于0.50、相位稳定系数大于0.5的位置安装地面稳定平台SAR监测系统(1)；所述地面稳定平台SAR监测系统(1)包括线性导轨、地基SAR系统传感器和供电模块；
2)布设角反射器(2)：在待测范围内的库岸边坡上根据地基SAR的扇形成像模式，在方位向上按近少远多的原则布设5个以上角反射器(2)作为控制点；
3)地面稳定平台SAR变形监测：地基SAR系统传感器安装在线性导轨上，地基SAR系统传感器在线性导轨上往返运动，利用合成孔径技术提高方位分辨率，接收向库岸边坡发射并返回的遥测信号，从而获得监测区域的高空间分辨率二维影像；
4)控制点变形监测：利用DGPS获取控制点的三维坐标，进而得到控制点的准确变形；
5)通过对观测的相位信息进行处理获取流域库岸的变形过程：对每次监测获得的高空间分辨率二维影像进行处理，比较同一区域不同时间内观测所获得的相位信息，通过差分干涉测量技术获取两次观测时间内流域库岸的形变量，进而通过累加得到流域库岸的位移变形过程，实现优于毫米级微变形监测；
6)利用控制点进行地理编码及精度评定：将采用GPS所观测到的控制点三维坐标进行地理编码，实现从图像空间到对象空间的转换，为后续的可视化提供数据支撑，并将地面稳定平台SAR监测系统(1)所观测到的控制点形变量与GPS观测到的准确形变量进行比较，从而评定地面稳定平台SAR监测系统(1)的观测结果的精度。
2.根据权利要求1所述的基于地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法，其特征在于：所述步骤3)地面稳定平台SAR变形监测中，地基SAR系统传感器监测频率为：常规时段每天在固定时间进行一次观测，在汛期或危险期进行5-10分钟间隔的连续观测。
3.根据权利要求1或2所述的基于地面稳定平台SAR的流域库岸变形监测方法，其特征在于：所述步骤4)控制点变形监测中，利用DGPS获取控制点三维坐标的时间点与地基SAR系统传感器监测的时间点保持一致。
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