基于微波遥感的水库大坝外部形变立体监测方法

阳述辉，韩春峰，麻泽龙，卢 鑫，李洪斌

(1.四川省都江堰水利发展中心人民渠第一管理处，四川 彭州，611900；2.中电科蓉威电子技术有限公司，成都，610000；3.四川省水利科学研究院，成都，610072；4.四川省都江堰水利发展中心人民渠第二管理处，四川 德阳，618000)

0 引言

水库大坝外部形变安全监测是水库安全监测的主要组成部分，也是保障水库正常运行的基础前提，在新时代的治水矛盾下，如何贯彻落实“水利工程补短板，水利行业强监管”的水利改革发展总基调，优先加强水库工程的安全运行监管能力，构建天地协同、点面全时空覆盖的水库大坝外部形变监测体系尤为重要。

当前国内外学者围绕水库大坝形变监测技术开展了一系列的研究工作[1-2]，也取得了一些重要成果。如姜新元等[3]针对当前大坝安全监测技术及其应用进行了研究分析；崔鹏飞等[4]利用GNSS及测量机器人两者间的优点，构建了枕头坝一级水电站自动化变形监测通信系统；熊寻安等[5]提出基于北斗/GNSS与INSAR技术构建城市书库群坝体表面变形监测体系概念。然而由于我国多数水库修建年代较为久远，没有及时配套水库大坝安全监测体系；另一方面水利工程建设资金相对匮乏，在规划、建设阶段针对工程安全监测的投入相对较少，导致绝大多数水库大坝变形历史监测信息缺失严重。此外，水库大坝安全监测采用的技术手段也较为落后，在新技术应用研究和试验方面相对滞后。迫切需要在相关技术标准的要求下，借鉴其他行业工程安全监测技术方法，突破传统技术方法和壁垒，构建适应新时代水利工程运行监管的立体监测体系[4-6]。

本文结合国内外工程安全监测技术研究及其应用现状，结合水库大坝安全监测要求及其需求，基于微波技术构建了水库大坝外部形变立体监测方法，可初步填补水库大坝历史监测资料空缺和天地协同监测困难的问题，为下一步水库大坝安全监测提供技术参考。

1 总体设计

结合已建水库大坝安全监测需求，为有效获取水库大坝时空变形信息，基于微波遥感技术的水库大坝安全监测总体方案设计由“天基”和“地基”共同构成，天基监测采用干涉雷达测量技术进行，可以通过遥感数据的收集与处理分析，获取水库大坝工程面域时空变形的监测分析，动态监测周期和范围具体参照应用数据而定；地基监测方法当前主要有全站仪、GNSS、TDR、超宽带微波等，需要结合大坝结构类型、监测精度要求、资金投入、施工条件等综合因素进行考量，实现毫米级坝体微形变实时监测能力。为保证监测方法及其分析模型的可靠性，在构建基于微波遥感的水库大坝安全立体监测体系时需要通过实测数据进行模型率定和调优处理，立体监测方案总体思路如图1所示。

图1 水库大坝坝体安全立体监测方法

2 分项设计

2.1 遥感监测技术方案

InSAR(Interferometry Synthetic Aperture Radar)，中文翻译是“合成孔径干涉雷达”，它是利用微波合成孔径雷达图像(SAR)数据对地表重复观测形成的微波相位差计算地表形变，精度可以达到毫米级。InSAR技术是公认的进行地表变形调查和监测的高效手段，它可以大范围、可回溯、非接触地观测地表变形，并且具有“距以千里、感知毫厘”“无论黑白、风雨无阻”的优势[7]。InSAR技术可以克服云雾遮蔽、GPS点位稀疏、地面调查通达不易等困难，现今它已经成为地表运动过程研究强有力的工具[8-12]。

基于水库大坝结构及其地理部分特征，结合水库大坝全监测技术要求，设计采用干涉雷达测量技术中的干涉叠加技术对水库坝体进行长时间序列的安全监测。从多时相的雷达图像上获取地表形变的信息，将InSAR技术扩展到多时相的数据，可将测量精度从厘米级提高到毫米级。同时采用永久散射体(PermanentScatterers，PS)技术，在无法获得干涉条纹的情况下，利用基于多时相SAR图像和相位稳定像元点集的PS技术，也能取得毫米级的地表形变运动测量精度，大大增强了干涉测量的环境适应能力及其精度。其监测技术流程如图2所示。

图2 水库大坝安全遥感监测技术流程

2.2 自动观测技术方案

目前自动监测方案主要有全自动全站仪、GNSS和TDR光纤内装传感器等设备进行定点监测，但多数监测方式受气候、地形、卫星过境状态等的影响不能进行实时、高效、稳定的监测，且部分监测方式成本投入较大、不易维护，对比常用大坝安全监测技术[13-17]，其优劣性对比结果如表1。

表1 不同监测技术方法对比

综合对比现行监测精度相对较高的几种监测方式，作为新兴的技术，窄脉冲微波测量技术通过点对点测距实现高精度形变监测，进而获得监测位置的毫米级的形变信息，并可通过多种通信手段将监测数据上传至数据中心，实现对监测点形变的远程实时监测与险情预警。微波监测技术是一种无载波微波技术，利用时间间隔极短(小于1ns)的非正弦波窄脉冲测量点与点之间的距离，具有以下技术特点[18]：

(1)抗干扰能力强，脉冲极窄、抗多径效应；

(2)对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低，对其他设备的影响微乎其微，具有很强的穿透障碍物的能力，通过高精度晶振测量微波从一个设备到另一个设备的飞行时间来精确计算两设备之间的距离；

(3)高速数据传输，速率可达10Gbit/s；

(4)功耗低，是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右；

(5)系统结构简单，微波发射器直接使用脉冲小型微带天线；

(6)定位精确，窄脉冲微波技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。

基于窄脉冲微波测量技术的工程安全监测系统总体架构如图3所示。

图3 基于窄脉冲微波测量技术的监测系统架构

该系统由设备端(传感器)和服务端(后台处理软件及硬件)组成。系统设备端(传感器)，分为中控点(CS)、基准点(BS)和监测点(MS)。中控点是传感器设备的控制中心，负责工作状态控制和数据传输；基准点作为监测系统的参考点，部署位置相对稳定不动；而监测点部署在隐患点的监测参考点上。设备端由传感器和太阳能供电系统组成[18]。

服务端(后台处理软件及硬件)是高精度形变监测系统信息处理中心，承担着数据接收处理和数据管理的功能，同时还承担着监测数据可视化显示、危机告警等功能，为用户对隐患点的安全健康状况提供分析支持数据，可以部署在管理方机房内或云端[18]。系统总体按照B/S架构设计，可以实现工程形变的全天候监测、分析与预警，通过可视化方式进行监测数据的综合分析与展现，直观展现监控点形变历史曲线、实时变化数据等，对于超出安全阈值的形变数据进行主动告警，并提供Web端跨平台数据查询服务[18]。

2.3 人工观测技术方案

人工观测变形点采用水平位移和垂直位移标点二合一的埋设方式，观测墩基础与坝体紧密连接，保证变形量能够正确反映坝体真实变形；在其基础部分埋设垂直位移的沉陷标志，将沉陷点直接与坝体相连，保证沉陷点的位移量能够正确反映坝坡点的垂直位移[19]。借助高精度仪器定期观测其水平及垂直位移量，并进行整理分析形成大坝变形位移监测成果。

人工变形观测作业前，应收集相关水文地质、岩土工程资料和设计图纸，并根据岩土工程地质条件、工程类型、工程规模、基础埋深、建筑结构和施工方法等因素，进行变形监测方案设计[20]。对观测资料应进行整理分析，绘制变化过程曲线，编写分析报告。

水库大坝外部形变人工观测的主要流程包括观测仪器检验、外业观测作业、观测资料检查、平差计算、编制成果表和观测资料整理分析等。外业观测具体参照《工程测量规范》(GB 50026-2007)、《水利工程安全监测导则》(SL 725-2016)、《混凝土坝安全监测技术规范》(SL 601-2013)等执行。

3 总结与展望

随着水利工程精细化运行管理需求的发展，针对水库工程主体大坝安全的监测也越来越被重视，基于现有先进技术方法，构建经济合理的水库大坝外部形变监测体系，以适应现代水管理的发展要求越来越重要。针对我国绝大多数水库修建年代较为久远的特征，基于遥感技术的水库大坝形变监测可填补历史监测资料缺失的问题，加上基于地面微波技术的水库大坝安全实时动态监测技术具备精度高、易于实施和经济实用的特征，可解决水库大坝外部形变地面实时监测的难题。

基于微波遥感技术的水库大坝外部形变立体监测技术方法，可以将微波遥感技术应用于水库大坝安全监测过程，推进遥感技术在水利行业工程管理方面的应用。基于微波遥感的立体监测方法充分发挥了天基和地基的监测优势，形成互补的监测格局，形成点与面、详查与普查、天基与地基相结合的监测方法，可更好地为坝体的微形变监测预警提供及时有效的辅助决策数据，为不同类型的水库大坝安全监测提供技术参考。