InSAR与GNSS融合的土石坝表面变形监测理论与方法研究

Recently, China have 97,000 dams and 90% of them are earth-rock filled dams. The remote sensing and GNSS technique could provide high temporal resolution and high special resolution results for the dam surface deformation monitoring which is essential for dam safety analysis. This project studies error analyzing and modeling, data processing methods on InSAR and GNSS technology for monitoring the earth-rock filled dams. It includes InSAR time series data processing method and error analysis, GNSS data processing method and error analysis, Finite Element Method for dam surface deformation and inner-part change inversion. This project choose some earth-rock filled dams in Shenzhen area as test targets, collecting deformation monitoring results from the InSAR, real time GNSS, leveling, total-station, Ground base SAR, Radar Transponders and so on. The data fusing methods and analysis methods for all those deformation results will be verified and testified. On the other side, the seepage curves, water level of the reservoirs, dams design map, pressure line monitoring results, soil moisture will all be collected for the surface deformation analysis. It is also very important for the relationship analysis between inner part change and surface deformation by all these data. This project will improve the data processing techniques, dam surface deformation monitoring methods and dam safety analysis methods. With this project, more young scientists and researches will grow up by this plan.

我国目前拥有约9.7万座大坝，其中土石坝约占90%，遥感对地观测与导航技术能为坝体表面变形提供高时空分辨率监测结果，为大坝安全运行管理提供数据支持。本课题研究雷达干涉测量和卫星定位技术在高精度变形监测工程领域所涉及的数据处理方法、误差分析与建模等内容，包括InSAR时序分析技术的理论与方法，GNSS短基线数据处理方法与误差建模，土石坝表面变形与内部结构变化的有限元分析等。以深圳土石坝群为研究对象，利用水准、全站仪等手段验证InSAR、实时GNSS、地基SAR、主动角反射器等新技术得到的时序变形结果，并研究融合这些多源监测成果的理论与方法。结合坝体结构设计资料以及渗流曲线、库水位、测压管等内部监测资料，探索高时空分辨率坝体表面变形结果与坝体物理参数变化之间的关系。通过本项目研究为我国雷达遥感数据处理、土石坝变形与安全监测等方面的技术创新积累数据、知识与人才。

我国目前有近9.8万座水库，其中90%以上为土石坝，更有约数十万公里的人工填筑的江堤、人工渠道等需要定期开展表面的变形监测任务。传统的测绘技术如水准测量、全站仪测量存在人工成本高监测频次低等问题，利用GNSS观测能达到实时观测，在重点的变形监测点位开展GNSS监测具有较好的应用前景。利用InSAR技术开展土石坝表面的变形，从雷达成像的几何条件、雷达散射特性等方面都是具有较好的可行性，因其覆盖面广、非接触监测等特性未来有着巨大的应用前景。.在GNSS变形监测方面，本项目通过深圳茜坑水库坝体上的长时序mm级精度的变形观测数据，发现了由于水库放水和蓄水导致的土石坝体表面的缓慢变形与回弹。并基于这些观测结果，开展了坝体变形的弹性规律建模分析，发表相关的学术论文2篇。本项目的成果也获得了2018年度水利部大禹奖三等奖，其中武汉大学作为第二参与单位。项目在GNSS数据处理和分析的成果在深圳水库群坝体实时变形监测方面得到了广泛应用，目前已有40多个土石坝体采用了项目的研究成果。.本项目选取了深圳公明水库开展InSAR监测坝体表面的研究工作，并发表相关的学术论文多篇。项目首次采用升降轨拍摄的1m分辨率SAR卫星开展中小型土石坝建成后工后沉降的监测与分析工作。结果表明高分辨率SAR卫星在监测土石坝表面变形具有独特的优势，并且实际观测结果首次提出基于坝体方位角和卫星本地入射角的雷达成像几何畸变改正模型和变形量改正模型。我们在公明水库开展了人工角反射器的试验，结果表明高质量的人工角反射器可实现mm级精度的变形监测，基于这个研究成果，我们试制了多款新型人工角反射器，在角反射器的形状、尺寸、材料、工艺等方面都做了较多的创新。目前，深圳龙岗区已经利用本项目设计的小型角反射器每年开展定期的变形监测业务。与此同时，项目团队还把新型角反射器的应用推广到了滑坡监测领域，在巴东黄土坡滑坡、四川甘孜州丹巴县阿娘寨滑坡、武汉市地面沉降监测基准网等开展了应用示范。