基于北斗/GNSS与InSAR的水库群坝体表面变形监测体系

熊寻安，龚春龙，王明洲

（深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518001）

0 引言

根据2016年全国水利发展统计公报，我国已建成各类水库约 9.8 万座，中小型水库占绝大多数[1]。为数众多的中小型水库主要在20世纪 50—70 年代建成，受各种因素影响，安全问题十分突出[2]，据统计，我国病险水库约占水库总数的 40.8%。点多，面广，量大，且工程设施老化、运行管理薄弱的状况长期存在，是水利管理工作的短板[3]。尤其是位于高度发达城市里的水库群，需要更高的安全防护等级，且有必要做到万无一失。

针对城市中小型水库群管理，深圳市人民政府于2017 年7月出台了《深圳市小型水库管理办法》[4]，其中对小型水库的安全运行提出了明确要求：“小（1）型和坝高超过15m 的小（2）型水库应当设置大坝变形和渗压监测设施。”但是如此众多的水库，安全监测采用何种方式方法开展？如何做到既经济合理，又能满足管理要求？如何采用更多高科技、信息化手段来支持？这一系列的问题考验当今的水利工作者。

在表面变形监测方面，综合运用北斗/全球导航卫星系统（以下简称北斗/GNSS）监测和合成孔径雷达干涉测量（InSAR）等技术，具有实现水库群高效精准监测的潜力。北斗/GNSS 表面变形监测技术具有全天候、实时、连续、自动化监测的能力，可在夜间、台风暴雨期间正常观测，能够24h 连续不间断地获取大坝变形监测资料。北斗/GNSS 表面变形监测技术在大坝安全监测中已有较多的应用案例[5-8]，但是，现有的水库大坝北斗/GNSS 表面变形自动化监测系统多采用单水库建设基准站的模式，尚未采用建立北斗/GNSS 基准站网实现区域内测点变形监测的策略。InSAR 技术，作为一种新的空间对地观测技术，具有全天时、全天候、大观测范围、观测时间可回溯、高性价比等特点，已逐渐在国土、水利、电力、地质灾害监测等行业进行应用。时间序列 InSAR 分析技术在近10a 同样得到了持续的发展，比较有代表性的算法主要包括PSInSAR，SBAS，CT，STUN，StaMPS，PSP，SqueeSAR，QPS 等[9-12]。

为此，利用北斗/GNSS 监测技术实现城市水库群坝体表面变形的自动化监测，同时结合 InSAR 技术大范围、高精度的优势，建立水库坝体表面变形监测作业新模式，以提升水库工程安全管理和应对恶劣天气的能力。

1 北斗/GNSS 和 InSAR 技术应用现状

1.1 北斗/GNSS 技术应用情况

国内最早利用 GPS 导航技术进行监测的大坝变形监测系统是原武汉测绘科技大学开发研制的清江隔河岩大坝变形监测系统[4]，其在1998年长江流域特大洪水期间让水库超量拦洪蓄水，减轻了长江中下游的防汛抗洪压力，避免了荆江分洪，产生了巨大的经济和社会效益。但是受制于导航系统的限制和高昂的硬件成本，该技术的推广难度较大。

深圳市从2015年开始，在茜坑、西丽、松子坑、炳坑等水库建设了北斗/GNSS 监测系统，形成了很好的应用示范。北斗/GNSS 监测系统水平监测精度优于2mm，高程监测精度优于3mm，能满足《土石坝安全监测技术规范》中 ±3 mm 监测精度的要求[13]。随着中国北斗卫星系统的不断完善，实现了高精度 GNSS 定位终端核心技术完全自主化和产业化。图1为茜坑水库北斗/GNSS 自动化变形监测系统测点平面布置图，图中基准站位于坝体西侧山体顶部，坝体表面共布置12个变形监测点，分4 个纵断面布设，其中迎水面1个纵断面，背水面3 个纵断面。

图1 茜坑水库基准站与监测站分布图

图2为茜坑水库主坝体表面监测点 XK01 变形过程和库水位曲线，由图2分析可知，监测点的变形序列与库水位变化曲线有较强的相关性。对监测点变形序列与库水位变化曲线进行线性拟合，发现茜坑水库在 XK01 测点位置，当库水位高度变化1m，会导致该点在上下游方向出现大约1mm 的形变，在其余测点也有类似的监测点变形序列与库水位变化曲线明显相关的情况，说明北斗/GNSS 技术能够获取水库坝体表面的微小形变，具有较高的监测精度和可靠性。

图2 茜坑水库 XK01 测点变形过程和库水位曲线

1.2 InSAR 技术应用情况

雷达卫星遥感已经进入大数据时代，免费和高分的数据源不断增加。Sentinel-1 卫星、TerraSAR-X双星、COSMO-SkyMed 星座、ALOS-2 卫星、Radarsat-2、国产高分3号卫星为 InSAR 技术的发展及应用提供了可靠的数据源。常用 SAR 卫星数据基本参数如表1所示。

表1 常用 SAR 卫星数据基本参数

在水利设施监测方面，若干研究学者利用InSAR 技术在三峡大坝、Pertusillo 土石坝等获取了较好的研究成果[14-15]，为 InSAR 技术的推广应用提供了成功案例。2011 年，王腾等[14]首次采用3m分辨率 TerraSAR 影像对三峡大坝表面变形进行研究，取得了较好的研究成果。

深圳市从2012年开始利用 InSAR 技术对水务基础设施进行表面变形监测研究，目前 InSAR 技术已在深圳长岭陂、公明水库坝体，以及深圳水库渡槽、海堤等设施形变监测方面进行了成功应用。图3为利用3m 分辨率 SAR 影像获取的公明水库5# 坝体在建成初期的表面变形场，监测时间段为2015 年1月至2016年10月。坝体主要沉降区域发生在坝顶及上坡面位置，从坝体结构可知，这方面的沉降量主要来自于回填粘土的收缩。由图3分析可知，InSAR 技术可在水库坝体表面获取高分辨率的沉降监测结果。

图3 公明水库 5# 坝体 InSAR 变形监测结果

在土石坝表面变形监测的应用中，北斗/GNSS与 InSAR 技术各有优缺点，具体比较如表2所示。实际应用中，2 种技术的优缺点可相互补充，如北斗/GNSS 技术可以全天候24h 进行单点实时监测，而 InSAR 技术则在面域监测上有优势，但在全天候方面明显不足。

表2 北斗/GNSS 与 InSAR 技术性能指标

2 城市水库群表面变形监测体系

在2000 km2的狭小空间内，深圳市目前共有各类型水库160余座，其中小型水库145座，此外，深汕合作区还有各类型水库28座。水库群与城市建筑区交织在一起，且部分水库地势较高，下游人口达百万，一旦失事后果不堪设想。大中型水库主要采用人工观测方式进行坝体表面变形监测，监测频率为每季度1次至每月1次；大部分小型水库目前尚无表面变形监测设施。

为满足城市水库群安全保障的需要，摸清水库大坝、库岸边坡等设施的安全状况，需要开展相应的安全监测工作，形成高效、经济、实用的综合安全监测模式，为水库管理部门定期提供全面、丰富、可靠的安全监测信息，在出现异常情况时能及时预警。监测总目标如下：

1）建立以卫星技术为核心的全局性高效监测能力，通过定期获取监测数据，形成水库群综合安全监管新模式。以 InSAR 技术为基础，对区域内水库大坝、库岸边坡等进行全覆盖监测；以北斗/GNSS技术为支撑，对重要水库设施开展实时连续监测；在紧急情况下（如台风、特大暴雨、灾后等），对特殊部位开展应急监测；辅以人工监测及渗流量、渗流压力等的监测，综合各种技术手段，做到“点面结合无盲区，主次有序高效率”。

2）建设覆盖区域的北斗/GNSS 表面变形监测基准网，提升应急监测能力。北斗/GNSS 表面变形监测基准网为水源工程设施开展北斗/GNSS 监测提供基准，用于日常和应急监测。在应急状态下，借助基准网快速部署北斗/GNSS 设备即可开展实时自动化监测，缩短响应时间，提升应急能力。

2.1 覆盖区域水库的 InSAR 表面变形监测

利用 InSAR 技术对区域内水库群大坝及库岸边坡等重要设施及其周边地表进行普查性的全覆盖监测，检查水源工程设施是否存在潜在的隐患部位，指导北斗/GNSS、人工监测等手段开展有针对性的表面变形监测，实现高效低成本的 InSAR 全覆盖监测。高分辨率 SAR 影像在深圳市覆盖情况如图 4所示，可知两景高分辨率 SAR 影像即可基本实现深圳市的全覆盖。

InSAR 监测工作包含历史和更新2个方面的数据分析。利用存档的雷达卫星影像数据，可实现监测区域历史变形序列的追溯，通过与其他数据联合，分析各水库及边坡等在过去几年内的变化规律，识别历史隐患部位并在隐患数据库中进行标记。每个季度可根据数据源及实际需求进行多次更新数据分析，提取该季度内基础设施的表面变形监测结果，现有的数据源如 TerraSAR-X，可每隔11d提供1次数据更新。根据监测结果，对历史隐患部位进行跟踪监测，对新增隐患部位进行识别和标记。

图4 高分辨率 SAR 影像在深圳市覆盖情况

2.2 覆盖区域水库的北斗/GNSS 表面变形监测基准站网

对单座水库实施北斗/GNSS 监测，通常需要在距离监测点一定范围内建立基准站。但是对水库分布比较密集的区域存在以下2个问题：

1）需布设的站点太多，以深圳市为例，在近2000 km2的土地上有160 多座中小型水库；

2）大多数小型水库平时不需要进行24h监测，但是应急时又没有相应的基准站。为解决这些问题，提出建立覆盖区域内水库的北斗/GNSS 表面变形监测基准站网，平时作为区域内大中型及部分小型水库的基准网站，应急时可为区域内其它水库或工程提供参考基准。

以深圳市为例，在区域内布设由若干座基准站组成的水源工程设施北斗/GNSS 表面变形监测基准站网，基准站网布设如图5所示。基准站建成后，可保证任何一座中型或小（1）型水库在5km 范围内有基准站可用，为北斗/GNSS 表面变形监测的快速部署提供基础设施保障。

图5 北斗/GNSS 变形监测基准站网

北斗/GNSS 监测基准站网可以由水利部门单独兴建，也可以同国土或其它部门共建共管，纳入市一级层面的基础设施规划。

2.3 日常和应急监测技术的应用

对于区域内的水库大坝及相关设施，利用InSAR 可以进行全覆盖普查性监测，利用监测结果，平时可以检查相关工程设施是否存在潜在的隐患部位及确定风险级别，形成水库风险隐患库，以便在应急时了解监测的部位及等级，使水库管理人员清楚现场情况。

部分有条件的地方，对坝高超过15m 的小（2）型水库的大坝设立北斗/GNSS 表面变形监测永久设施，实行常态化不间断监测即日常监测，以确保该类型水库的安全。

在水库大坝或其它部位出现险情预警（如水库边坡滑坡），或超强台风过境，或大暴雨、高水位期间，可增设应急设施进行应急监测。为保证应急监测的可靠性，应做好基准站网的建设和应急保障演练，保障在4h 内（甚至更少时间）设施能布置到位，精度可靠，以保证水库本身及人民群众生命财产的安全。

3 结语

针对城市水库群安全监测的需求，结合水库群的空间分布特点及相关技术的应用优势，探讨了基于北斗/GNSS 与 InSAR 技术的水库群坝体表面变形监测体系。以深圳市水库群为研究对象，发现利用两景 SAR 影像可基本实现区域内所有水库的全覆盖监测，可用于水源工程基础设施的普查性监测，通过建立区域性质的北斗/GNSS 表面变形监测基准站网，可支撑实现重要设施的实时北斗/GNSS 连续监测，同时可为特殊时段及部位施加应急监测提供基础条件。本研究提出的水库群坝体表面变形监测体系，适用于中小型水库土石坝，对大型或混凝土坝型水库仅供参考，可推广至地质灾害、道路交通、电网基础设施等监测领域。

近年来，虽然北斗/GNSS 和 InSAR 技术在水利工程表面变形监测领域取得了一定的发展和应用，但北斗/GNSS 技术仍然受限于较为高昂的建设成本，同时 InSAR 技术的应用场景易受复杂地形、植被等因素的影响。未来需要围绕限制进一步规模化应用的关键技术，集中技术力量开展技术攻关，以促进北斗/GNSS 和 InSAR 技术在水利及相关领域的应用。同时在坝体内部变形监测上还依赖于其它监测方式，需要开展坝体内观和外观一体化监测体系的应用研究。