余紅楚 左小清 字陳波 徐小坤 王利啟 劉海波

1 昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明市文昌巷68號(hào)，650093

2 華能瀾滄江水電有限公司，昆明市世紀(jì)城中路1號(hào)，650214

傳統(tǒng)水電站邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括水準(zhǔn)儀、全站儀及測(cè)量機(jī)器人等。水準(zhǔn)儀精度高，但在陡峭的邊坡受到觀測(cè)高差的限制，難以施測(cè)。采用全站儀和測(cè)量機(jī)器人需要在邊坡上埋設(shè)大量觀測(cè)墩，人力資源成本高，前期準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，后期需要對(duì)每個(gè)觀測(cè)墩的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算整理［1］。IBIS－L系統(tǒng)獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的二維影像，利用合成孔徑技術(shù)和步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)影像方位向和距離向的高分辨率，通過(guò)比較不同時(shí)間影像中目標(biāo)點(diǎn)的電磁波相位信息，采用干涉技術(shù)求取監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于mm 級(jí)的微變形監(jiān)測(cè)［2－3］。本文對(duì)IBIS－L系統(tǒng)為期一個(gè)月的大型水電站邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與TM30全站儀進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)精度對(duì)比。

1 試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在某水電站邊坡進(jìn)行。選取位于不同邊坡上的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，其中包含兩個(gè)自動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)和一個(gè)人工觀測(cè)點(diǎn)。

TM30全站儀監(jiān)測(cè)頻率為4d測(cè)量一次，監(jiān)測(cè)周期30d。利用水電站提供的GPS基準(zhǔn)網(wǎng)中的控制點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集完成后先進(jìn)行儀器常數(shù)改正、氣象改正和傾斜改正等距離改正，再計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

IBIS－L系統(tǒng)安置在邊坡對(duì)岸的簡(jiǎn)易棚內(nèi)。試驗(yàn)中IBIS－L系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)無(wú)法直接與邊坡已有的TM30全站儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)相重合，所以為了方便對(duì)比分析，在TM30全站儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)旁安置角形反射器，以便準(zhǔn)確識(shí)別全站儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。IBIS－L系統(tǒng)24h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一次采樣時(shí)間為6min。

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

1.2.1 TM30全站儀數(shù)據(jù)處理

TM30全站儀測(cè)量采用08－12、08－15、08－21和08－25觀測(cè)值的均值作為初值，計(jì)算之后每期的三維位移向量。由于IBIS－L 系統(tǒng)測(cè)量的是儀器視線方向位移，必須進(jìn)行投影變換。采用TM30全站儀測(cè)出IBIS－L系統(tǒng)中心的三維坐標(biāo)，計(jì)算視線向量。設(shè)向量A＝（X1，Y1，Z1），B＝（X2，Y2，Z2），則A向 量 在B向 量 上 的 投 影 為。據(jù)此，計(jì)算TM30 監(jiān)測(cè)的三維位移向量在IBIS－L系統(tǒng)視向的投影，并計(jì)算累積位移（表1、2）。

1.2.2 IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)定標(biāo)和聚焦處理

IBIS－L系統(tǒng)獲得一維信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)和聚焦處理，得到距離向分辨率0.5m、方位向分辨率4.4mrad的二維扇形圖像［4］。

2）干涉處理

通過(guò)設(shè)定閾值（強(qiáng)度值或相干系數(shù)）去掉質(zhì)量不好的點(diǎn)，保證干涉圖像的可靠性［5］。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理，首先選擇一個(gè)主影像，然后分別和剩余的影像進(jìn)行干涉。干涉后，可以設(shè)定合適的濾波窗口對(duì)干涉圖進(jìn)行濾波處理，除去噪聲的影響，保證相位的連續(xù)性，加快解纏的速度［6］。濾波結(jié)束后可以對(duì)濾波后的影像進(jìn)行相位解纏，獲得真實(shí)的距離相位［7］。

表1 TM30全站儀三維位移在雷達(dá)視向投影計(jì)算表Tab.1 The projection calculation table of three－dimensional total displacement acquired by TM30total station in the radar sight direction

表2 TM30全站儀在雷達(dá)視線方向的累積位移計(jì)算表Tab.2 Calculative displacement of TM30total station monitoring in the radar sight direction

3）差分處理

對(duì)干涉圖進(jìn)行兩兩差分處理，獲得不同時(shí)刻距離向相位變化值。把差分獲得的相位轉(zhuǎn)換為距離值，得到位移量。

4）誤差校正

地面雷達(dá)觀測(cè)的誤差主要為視向形變誤差，包括干涉相位誤差和系統(tǒng)工作頻率偏移，干涉相位誤差包括大氣干擾相位誤差、干涉相位噪聲和散射體去相干。試驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)周期為30d，系統(tǒng)頻率能維持穩(wěn)定，系統(tǒng)的頻率偏移極其微小，其誤差在0.01mm 內(nèi)，可以忽略不計(jì)。散射體具有高相關(guān)性，散射體去相干可以忽略［8］。

大氣水汽含量在時(shí)間空間上的變化引起的雷達(dá)信號(hào)延遲是雷達(dá)干涉測(cè)量中不可忽視的誤差［9］。根據(jù)雷達(dá)圖像的熱信噪比、估計(jì)信噪比、相關(guān)性值和位移曲線，結(jié)合實(shí)地情況，選擇熱信噪比高、估計(jì)信噪比高、相關(guān)性值接近1，且位移量在誤差范圍內(nèi)的點(diǎn)作為GCP 點(diǎn)（地面控制點(diǎn)）。GCP點(diǎn)相位變化只受環(huán)境變化影響。采用單個(gè)GCP點(diǎn)或多個(gè)GCP點(diǎn)加權(quán)平均的方式對(duì)觀測(cè)墩所在的像素點(diǎn)進(jìn)行校正，從而得到像素點(diǎn)的真實(shí)位移。例如，點(diǎn)位1經(jīng)過(guò)GCP點(diǎn)校正后的位移變化如圖1所示，從圖上看，位移變化在1mm 之內(nèi)波動(dòng)。這是因?yàn)镚CP 點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)位在雷達(dá)圖像上處在不同的像元，GCP點(diǎn)受環(huán)境的影響不能完全反映觀測(cè)點(diǎn)位微波路徑上的情況，校正后存在一定的誤差。

IBIS－L系統(tǒng)是連續(xù)觀測(cè)，TM30全站儀是非連續(xù)的，監(jiān)測(cè)周期為4d一次，位移量是觀測(cè)當(dāng)天某一時(shí)段或某一時(shí)刻的觀測(cè)值，故選取IBIS－L系統(tǒng)相應(yīng)觀測(cè)日期的平均位移量與TM30 全站儀監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較。從IBIS－L 系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取出08－15、08－17、08－21等的位移量，計(jì)算它們每天的平均位移量和累積位移量（表3、4）。

圖1 點(diǎn)位1經(jīng)GCP點(diǎn)校正后的位移變化圖Fig.1 The displacement change graph of point one after GCP points correction

2 精度對(duì)比分析

根據(jù)TM30全站儀和IBIS－L 系統(tǒng)在雷達(dá)視線方向監(jiān)測(cè)的累積位移值，繪制圖2、3。

由圖2看出，TM30全站儀測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的累積位移都在±3 mm 內(nèi)波動(dòng)，呈不規(guī)則分布。這是因?yàn)樗娬具吰露急容^穩(wěn)定，30d內(nèi)形變值在1～2 mm 左右，而由于觀測(cè)距離較遠(yuǎn)，約1km，TM30全站儀觀測(cè)時(shí)受環(huán)境和視差等影響較大，誤差在mm 級(jí)，無(wú)法監(jiān)測(cè)出2～3mm 的位移值。

由圖3看出，IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測(cè)誤差在±1mm之內(nèi)波動(dòng)，但能監(jiān)測(cè)出mm 級(jí)的形變趨勢(shì)，所以點(diǎn)2不存在形變，點(diǎn)1在雷達(dá)視線方向呈現(xiàn)遠(yuǎn)離形變趨勢(shì)，點(diǎn)3在雷達(dá)視線方向呈靠近形變趨勢(shì)。點(diǎn)位1和點(diǎn)位3處在不同的邊坡，實(shí)際位移方向與雷達(dá)視線方向的夾角不同，實(shí)際位移在雷達(dá)視線方向的投影有正有負(fù)，呈靠近IBIS－L系統(tǒng)或遠(yuǎn)離IBIS－L系統(tǒng)趨勢(shì)。

采用高次曲線擬合和多項(xiàng)式擬合，對(duì)點(diǎn)位1和點(diǎn)位3的30d雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合曲線如圖4所示。點(diǎn)位1呈倒指數(shù)曲線圖形，點(diǎn)位3呈雙曲線圖形。

表3 IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測(cè)位移計(jì)算表Tab.3 The displacement calculation table of IBIS－L system monitoring

表4 IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測(cè)累積位移計(jì)算表Tab.4 The cumulative displacement calculation table of IBIS－L system monitoring

圖2 TM30全站儀測(cè)量累積位移折線圖Fig.2 The cumulative displacement line graph of TM30total station measuring

圖3 IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測(cè)累積位移折線圖Fig.3 The cumulative displacement line graph of IBIS－L system monitoring

圖4 IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測(cè)高次曲線擬合圖Fig.4 The high－order curve fitting chart of IBIS－L system monitoring

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)IBIS－L 系統(tǒng)和TM30全站儀在水電站邊坡長(zhǎng)時(shí)間微變形監(jiān)測(cè)中的精度進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明，IBIS系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)出雷達(dá)視線方向mm 級(jí)形變，精度優(yōu)于TM30全站儀，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度、大范圍、連續(xù)的水電站邊坡變形監(jiān)測(cè)。然而，由于IBIS－L系統(tǒng)只能獲得雷達(dá)視線向的位移，難以得出具體的實(shí)際形變方向和形變量，如何獲得實(shí)際的三維變形信息需要進(jìn)一步的研究。

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