基于SBAS-InSAR的南水北调淅川县段沉降监测与分析.pdf

:/.:/第 卷 增 人民珠江 年 月 收稿日期:作者简介:凌峻()男本科工程师主要从事安全监测工作 :.通信作者:张伟()男硕士工程师主要从事安全监测工作 :.基于 的南水北调淅川县段沉降监测与分析凌 峻张 伟(中水珠江规划勘测设计有限公司广东 广州)摘要:为了实现对南水北调中线干线淅川县段及周边地区大范围的沉降监测试验利用 高精度数据处理技术基于 年 月至 年 月获取的 景 数据探究南水北调中线干线淅川县段沉降变形特征验证了 技术用于探测渠道及周边地区沉降特征的有效性 试验结果表明:淅川县段及周边地区地面比较稳定年沉降速率几乎为零在丹江口水库陶岔出水口和张沟、李沟区域出现地面沉降变形信号结合其累积沉降时间序列发现这两处区域内具有微小的沉降变形年累积沉降量约为 关键词:沉降监测南水北调淅川县段中图分类号:.文献标志码:文章编号:()南水北调工程是中国改善南涝北旱、缓解北方水资源严重短缺问题的特大型水利工程由东线、中线和西线 条调水线路组成 其中南水北调中线工程于 年 月正式通水运行年调水平均数约 亿 淅川县段作为南水北调中线工程核心水源区、中线工程的起始段上接陶岔渠首枢纽工程沿原引丹总干渠向东至邓州市因此对南水北调淅川县段及周边地区进行及时有效的沉降监测是南水北调中线工程安全运营的重要保障 传统的水准测量、测量等技术手段能够实现高精度沉降监测在实施过程中采用“点模式”测量获取的变形信息具有一定的偶然性难以获取广域范围内的沉降信息 合成孔径雷达干涉测量()作为近年迅速发展的空间对地观测技术具备全天时、全天候获取连续空间覆盖的高精度地形或形变信息的能力能够与传统的沉降监测技术实现优势互补为南水北调中线干线淅川段沉降监测提供新的解决方案 应用于沉降 监 测 主 要 包 括 差 分 干 涉 测 量()技 术 和 时 间 序 列 ()技术其中时间序列 技术包括永久散射体()技术、小基线集()技术和同分布散射体()技术等而且众多专家学者为了提高 数据处理精度丰富 技术的应用场景不断完善数据处理相关理论和算法研究 而且随着 卫星数据源的不断增加 数据处理方法的不断发展 技术在大坝、桥梁等基础设施监测及周边地区沉降监测中的应用不断拓宽 等 结合水文数据、监测体结构等信息将 数据处理技术应用于三峡大坝、水布垭大坝等大坝、渠道的变形监测中证明了 形变监测方法在安全状况普查及形变历史回溯等工作中具有巨大的应用潜力 同时众多专家学者 利用同时期水准、等其他高精度测量手段实现时空基准统一后对比验人民珠江 年增刊 证 技术的精度与可靠性结果表明 技术与其他测量手段所得线性形变速率和时序位移序列的偏差约为 测量具有较高的测量精度本文利用 高精度数据处理技术处理分析覆盖南水北调中线干线淅川县段及周边地区的 年 月 年 月 获 取 的 景 数据得到该地区 年 月 年 月的差分干涉图子集进一步获取南水北调中线干线淅川县段及周边地区地面沉降速率与沉降时间序列并对 沉降结果进行了解释以分析论证 技术用于探测渠道及周边地区沉降特征的有效性 研究区与研究数据.研究区概况南水北调中线干线淅川县段()是南水北调中线工程的起始段位于河南省南阳市境内起点位于南阳市淅川县九重乡陶岔村上接陶岔渠首枢纽工程沿原引丹总干渠向东至肖楼向北东过九重岗在孔沟南过刁河进入邓州市 淅川县属西北突起向东南展开的马蹄状地形西北部为低山区中部为丘陵区东南部为岗地及冲积平原区北部和西北部属于秦岭东段延伸部分的伏牛山南侧南水北调淅川县段渠段沿线地貌形态以低矮的丘陵、垄岗与河谷平原交替分布的特征.研究数据所用干涉测量数据为 升轨数据和 分辨率的 数据其中 数据的时间跨度为 年 月 年 月空间分辨率为()重访周期为 影像列表信息见表 共计 景数据 数据是由美国航空航天局()雷达观测所得空间分辨率为 图 为研究区地理位置与研究数据覆盖情况其中图 大方框为 数据覆盖范围图 小方框为淅川县段周边地区)研究区域卫星影像)覆盖淅川县段周边地区的 数据图 研究区地理位置与研究数据覆盖表 试验所用 影像序号 影像获取时间 序号 影像获取时间 序号 影像获取时间 序号 影像获取时间 序号 影像获取时间 序号 影像获取时间人民珠江 年增刊 基本原理常规的 技术在探究长时序变形中受到时间、空间去相干的影响难以获取准确的变形信息 技术利用时空基线阈值筛选影像对组成基线集可以提高干涉图的相干性提高监测精度获取长时序缓慢变形信息假设共有 景影像 ()分别为满足时空阈值条件的差分干涉图的主影像序列和从影像序列对所有的差分干涉图进行相位解缠则所有差分干涉图相位可以组成式():()式中 获取的差分干涉相位 时刻主影像相对于初始时刻的差分相位 时刻辅影像相对于初始时刻的差分相位不只包括地表形变相位为了精确反演研究区域的地表形变相位须在 中分离地形相位误差、大气延迟相位误差以及噪声相位分量的贡献式()中含有 个方程 个未知数可写为 在本文中 的形式见式():()当 时且 的秩为 时采用最小二乘法即可求取 的最优估值()若方程秩亏 为奇异矩阵则需要对矩阵 进行 奇异值分解求其最小范数的最小二乘解基于上述理论 的具体数据处理流程见图 主要步骤为:数据预处理 根据时间和空间基线阈值选取满足条件的影像对生成其干涉图对长时间保持较高的相干目标点进行筛选 将 与参考影像进行配准后获取地形相位 差分干涉计算 在高相干目标点中取出平地相位和地形相位然后进行差分干涉图滤波相位解缠等步骤 时间/空间域形变估算 对干涉图的差分干涉相位应进行时间和空间域的线性变形相位估计和非线性变形相位估计去除大气、残余高程等相位得到点目标的时间序列变形相位 去除大气相位、残余高程相位得到“干净”的变形相位是高精度 的关键 最后利用地理编码将形变成果从雷达坐标系转至地理坐标系中图 数据处理流程 淅川县段及周边地区沉降监测成果分析基于 年 月至 年 月的 景 升轨数据本次试验所用 影像数量较多为了减少时空去相关对最终结果的影响本文选取获取时间相邻的 景影像组成干涉对共形成 条基线所得空间基线均在 以内同时满足较短时间基线和空间基线的要求干涉基线见图横轴表示影响获取时间纵轴表示干涉对序号颜色表示空间基线长度 根据所筛选的干涉基线序列进而获取相互连续的 幅差分干涉图集逐次进行去除高程相位、去除平地相位和相位解缠、形变相位提取、地理编码处理后获取南水北调中线干线淅川县段及周边区域内永久散射体的沉降速率和累积沉降时间序列具体分析如下.干涉图分析对相位解缠后的差分干涉图子集按照主辅影像时间先后顺序排序图 所示每幅干涉图的左上角标注的为主影像和辅影像的序号颜色代表干涉图相位范围为()由于本次所用 卫星数据为升轨数据所以干涉图在方位向上与实际地物呈现镜像颠倒 因此利用差分干涉图获取相应的人民珠江 年增刊 时间序列形变量后需要利用外部 数据进行地理编码将成果转至真实的地理坐标系下 通过整组的差分干涉图可以得出:在 年 月和 年 月的干涉图受到明显的大气延迟相位影响不同的干涉图呈现不同的大气相位分布特征这与夏季云雾较多、大气水汽含量高有关而位于 年 月至 年 月的干涉图受大气延迟相位的影响较小该时段内的干涉图相位较为一致显示在该时段内研究区没有明显的形变信号南水北调中线干线淅川县段及周边地区较为稳定图 干涉基线图 相位解缠后的差分干涉图子集.沉降速率与时间序列分析为了剔除夏季干涉图受大气误差的影响本文在进行 形变相位提取计算前采用线性模型建立高程与相位的模型以反演大气延迟相位从而减弱大气延迟相位的对沉降成果的影响将剔除大气延迟相位和高程残余相位后的差分干涉子集进行 处理并将雷达视线向的变形信息投影至地表沉降方向最后将所得成果由雷达坐标系转换至地理坐标系并以 的结果标准差 作为条件对研究区域内的永久散射体点进一步筛选最终所得 至 时段淅川县段及周边地区年沉降速率见图背景为地理编码后的 幅度图像 由图可知南水北调中线干线淅川县段渠道周边地区沉降量几乎等于 没有发生地面沉降周边地区基本稳定安全 图中 位置为丹江口水库陶岔出水口山体附近沉降速率约为 /图中 位置为张沟、李沟村庄附近沉降速率约为 /图 淅川县段周边地区年沉降速率为更直观地了解沉降变形较大区域的变形情况分别提取、两个区域内具有代表性的永久散射体累计变形量见图 由图可知丹江口水库陶岔出水口区域内的永久散射体的变形时间序列均呈现沉降的趋势累计沉降量达到 这可能与丹江口水库蓄水泄洪等水位变化有关而且该区域内不同的永久散射体的波动幅度差别明显尤其是 年 月至 年 月期间内累计沉降量波动人民珠江 年增刊 较大这可能由于该区域的高程较大仍有大气延迟残余相位导致而在张沟、李沟村庄附近的永久散射体的变形时间序列也呈现沉降的趋势累计沉降量达到 且永久散射体的波动趋势较为一致该区域的变形可能与建筑物和人类活动有关 整体来说南水北调中线干线淅川县段及周边地区整体变形较小趋于稳定)区)区图 区域、典型永久散射体累计变形量 结论利用 技术对 年 月至 年 月期间内 景 数据进行处理对南水北调中线干线淅川县段及周边地区的地面沉降进行监测分析 结果表明:利用覆盖南水北调中线干线淅川县段及周边地区的 景 升轨数据共生成 幅差分干涉图子集夏季云雾多大气中水汽含量高该时段内获取的干涉图具有明显的大气延迟相位 所得南水北调中线干线淅川县段渠道周边地区年沉降速率图显示淅川县段及周边地区沉降速率基本为 在丹江口水库陶岔出水口、张沟、李沟村庄附近出现地面沉降信号变形速率约为 /丹江口水库陶岔出水口地势较高该区域内的永久散射体的变形时间序列波动较大可能与大气残余相位有关累计沉降量达到 张沟、李沟村庄附近的永久散射体的变形时间序列波动较为一致累计沉降量达到 总体上利用 对南水北调中线干线淅川县段及周边地区进行沉降监测南水北调中线干线淅川县段及周边地区整体变形较小趋于稳定 然而 技术受限于 数据获取周期性和可靠性的影响无法实时获取地表形变对于具有变形信号的区域应结合、贴近摄影测量以及水准测量等多源技术手段进行监测和机理分析参考文献:.葛大庆王艳郭小方等.基于相干点目标的多基线 技术与地表形变监测.遥感学报():.王艳廖明生李德仁等.利用长时间序列相干目标获取地面沉降场.地球物理学报():.单新建屈春燕宋小刚等.汶川.级地震 同震形变场观测与研究.地球物理学报():.李永生张景发罗毅等.利用高分辨率聚束模式 影人民珠江 年增刊 像的 监测地表变形.武汉大学学报(信息科学版)():.温扬茂许才军李振洪等.约束下的 年汶川地震同震和震后形变分析.地球物理学报():.何秀凤史国强肖儒雅.基于蚁群优化的/三维形变监测方法.同济大学学报(自然科学版)():.刘洋许才军温扬茂等.杂多 .级地震断层滑动的 反演及边界元分析.武汉大学学报(信息科学版)():././.杨潇潇.时序 技术用于大坝形变监测与变形模式研究.西安:长安大学.李伟学.基于时序 技术的三峡大坝及周边地区形变监测.水力发电():.何秀凤高壮肖儒雅等.多时相 的连盐高铁沉降监测分析.测绘学报():.马涛赵彦军张伟.技术在矿山开采区沉降监测中的应用.测绘与空间地理信息():.王勇田硕刘严萍等.融合 与 的区域地表三维形变获取研究.灾害学():.赵超英刘晓杰张勤等.甘肃黑方台黄土滑坡 识别、监测与失稳模式研究.武汉大学学报(信息科学版)():.(责任编辑:向 飞)