基于SBAS技术的水库大坝变形监测及精度验证分析.pdf
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1、中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 9 基于 SBAS 技术的水库大坝变形监测及精度验证分析 胡均格 汇杰设计集团股份有限公司,湖南 长沙 410000 摘要:摘要:本研究基于 SBAS 技术,对水库坝区及其周边的变形状况进行监测,并结合水准数据对其精度进行验证。中坝出现了 5.7km 的沉降带,沉降速率在-20 至-30 mm/a 之间,最大达-52 mm/a。利用沉降速率与水准点的相关系数,对大坝及其周边区域进行了危险性分级,相关系数大于 0.9 的点占 91%,中误差小于 20mm 的点占 78%。这些具体的变形信息为大坝安全监测提供了重要的参考数据。结果表明,SBAS 技术在大坝变形
2、监测及其精度验证中表现出了高效性和准确性,为防止和减轻大坝变形提供了新的技术手段。关键词:关键词:SBAS;水库大坝;变形监测;精度验证 中图分类号:中图分类号:TV698 0 引言 在大坝安全运行管理中,持续而精确地监测大坝的变形状况是至关重要的。然而,传统的地面测量方法如水准测量、GPS 监测等,往往受到设备投资大、维护成本高、监测效率低等问题的困扰。近年来,随着空间技术的迅速发展,合成孔径雷达干涉测量(SAR Interferometry,InSAR)以其无需地面基础设施、全天候全覆盖等优点,正在越来越多地应用于地表形变的监测。其中,以多时相干涉测量(Small Baseline Sub
3、set,SBAS)为代表的先进 InSAR 技术,由于其能够克服常规 InSAR 受大气影响和地表稳定性差等问题,已在世界各地得到广泛应用。诸如 Fusco A 等提出的短基线集雷达干涉测量技术(SBAS)已经在全球范围内,包括堤坝、城市沉降和滑坡等领域得到了广泛应用1。而在国内,比如何秀凤等在三峡大坝的变形监测工作中,运用相关的技术对大坝变形与上游水位变化的相关性进行了深入分析2。同时,刘文锴等在杭州湾北侧和长江口南岸堤坝的沉降信息研究中发现,时间序列 InSAR 技术可有效应用于堤坝的变形监测,其累积变形量的均方差约为 4.5 mm3。这些工作表明,InSAR技术,尤其是 SBAS,已经在
4、大坝变形监测中发挥了显著作用。然而,尽管已经取得了一些进展,但对 SBAS技术在大坝变形监测中的应用及其精度的系统研究还较为缺乏,特别是如何更准确地获取变形信息,如何更有效地进行监测精度分析,以及如何利用相关系数和中误差等统计学工具进行精度验证等问题仍待深入探讨本文正是以解决上述问题为目标,试图探讨 SBAS技术在水库大坝变形监测及精度验证中的应用可能性和效果,对于推动我国大坝安全监测技术的现代化建设,具有重要的理论和实践价值。1 案例介绍 案例所述的水库,位于气候干旱的冲洪积扇下部细土平原区,是一座以防洪、灌溉和城市供水为主的大型水库,其年降水量为251.6mm。库区面积约23.8km2,总
5、库容 2.8108m3,碾压式均质土坝全长约 18km,最大坝高 28m。在这种干旱和冻土条件下,连冻日达 120至 130d,最大冻土深度可达 1.5m,大坝变形监测对于水库安全运行具有至关重要的意义。传统的监测手段虽具有较高的精度,但由于其分辨率低、成本高,无法全面掌握大坝变形信息,因此对更先进的监测技术有着急需。在水库运营阶段,大坝会发生一定程度的变形,而环境因素,如降水量、蒸发强度和冻土深度等,都可能影响大坝的变形程度。本文选取的监测对象就是这样一座处于特殊地理环境下的大坝,采用星载合成孔径雷达干涉测量技术和SBAS对其进行全面的变形监测,以提升监测的准确性和全面性,为保证水库的安全运
6、行提供科学依据。2 相关数据分析 2.1 数据支持 本研究选取的数据支持包括 Sentinel-1A 微波遥感数据和 AW3D30 DSM 数字表面模型数据。Sentinel-1A微波遥感数据,其中轨数据 35 景,降轨数据 33 景,共 68 景,数据类型为 Single Look Complex(SLC),中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 10 其 C 波段成像的几何分辨率为 5 m20 m,极化方向为VV;同时,该数据集还包含精密轨道数据(POD)。而AW3D30 DSM 数字表面模型数据具有 30 m 的空间分辨率和 5m 的高程精度,能够为地形分析提供重要的数据支持。为了精确处理
7、这些地形数据,本研究首先剔除了受积雪影响较大的数据。在 SARscape 和 ARCGIS 平台上,采用了深度学习和自动化算法进行数据处理和分析,保证了数据的质量和完整性。2.2 主要研究方法 主要的研究方法采用了短基线集雷达干涉测量技术(SBAS),它的工作原理是利用时间和空间基线自由组合成小基线集,从而克服时空失相关的影响,提升监测精度。基于 SBAS 技术,将辅影像配准到主影像空间上,通过差分干涉生成干涉图,进一步对 t0 时刻的影像进行像素干涉相位的计算,像素干涉相位为:BAdeftopatmnoise(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)jx rx rx rx rx rx rx
8、r(1)式中:j(x,r)指的像素干涉相位,表示的是像素点在方位坐标 x 和距离坐标 r 上的干涉相位差;B(x,r)和 A(x,r)分别代表主影像和辅影像在方位坐标 x 和距离坐标 r 上的相位;def(x,r)表示形变引起的相位变化;top(x,r)表示地形引起的相位变化;atm(x,r)表示大气延迟引起的相位变化;noise(x,r)表示噪声引起的相位变化。在这个过程中,辅影像 tA 和主影像 tB 的时间序列为 t0,t1,tN,考虑方位向坐标 x 和距离向坐标 r的影响。在 N+1 景覆盖同一地区的影像中,选取了 M(N+1)/2M(N+1)N/2)幅干涉图进行研究。实践证明,SBA
9、S 技术能有效克服时空失相关的影响,从而在更高的精度下监测水库大坝的变形情况,是一种十分有效的方法。在忽略大气相位与残余相位影响的情况下,根据 M幅干涉图,可列出含 N 个未知数的方程,构建了干涉图的数学模型,公式简化为:A (2)式中:表示从各个干涉图得出的相位差值(或者叫做观测值);A 表示各个干涉图与每个未知数之间的关系,也可以理解为系统矩阵或者设计矩阵;表示地壳形变引起的相位差,也就是我们要求解的未知数。奇异值分解技术在多主影像差分干涉中显现其价值,对矩阵 A 的秩亏问题施展其神力,为破解相位迷题铺平道路。在地形相位的去除环节,DSM 起到关键作用,进一步增强差分干涉图的信息提取效果。
10、噪声相位通过 Goldstein 滤波方法进行抑制,优化干涉图质量4。接着,Delaunay MCF 方法在模糊相位的解算上发挥作用,与地面控制点、轨道参数共同贡献于残余相位和相位跃变的去除,铸就了相位信息的精确性。3 研究分析 3.1 变形速率分析 对于水库坝段的沉降情况,雷达视线向沉降带长度约 5.7km,变形速率介于-20 至-30 mm/a 之间,显露出显著的沉降漏斗现象。中心区域的沉降速率约为-12 mm/a,显示出较大的变形速率,而其他坝段年均变形速率绝对值在 10 mm/a 以内,进一步揭示出水库坝段的不同区域在变形速率上存在显著差异。对于大坝的两个纵断面的变形状况,具有显著的差
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