河堤安全监测及隐患遥感监测分析

河堤安全监测及隐患遥感监测分析

杨洁1  冯东利2

（1.天津水务集团有限公司引滦潮白河分公司，天津，301800；

2.天津市北三河管理中心，天津，301800）

作者简介：杨洁（1979-），女，工程师，主要从事渠道工程管理管理、维修管护等方面工作。

摘要：河道堤防是保证行洪河道安全，抵御洪涝灾害的重要工程措施，随着经济社会高速发展以及城市建设进程加快，地面沉降易造成河堤高程降低、河堤裂缝、堤防渗漏等险情，因此开展河堤安全监测，及时发现问题、消除隐患尤为重要。随着遥感技术成熟应用，运用InSAR与LiDAR技术开展河堤高程测量及隐患分析有助于提高工作效率。

1河堤高程常规测量

    常规高程测量及动态监测主要是人工地面测量，流程一般是选取河堤重点堤段或险工险段作为测量对象；测量技术人员在周边全国一二等水准网基础上，通过长距离水准点引测后在河堤上设立观测点；按照测量规范要求，进行二等、三等或等外工程测量，填写观测记录簿，计算闭合差随测随校成果，若有误差需重新测量；测量完成后进行内业整理，编写观测分析报告并提出安全运行建议，最后成果归档、刊印成册。

2河堤高程测量的不足

常规大地测量、特殊大地测量、GPS测量及摄影测量等方法均可应用于河堤的沉降监测，但实现全河道、长距离、大范围的监测存在着经费高、耗时长等缺陷。

2.1现势性不足。管理单位掌握的河堤高程数据一般为河道筑堤改造或综合治理的竣工数据，天津市位于华北平原沉降带，由于历年累计沉降，且高程数据多年未更新，现有数据已难满足防洪及社会经济发展的需要。

2.2观测设施不足。天津市河道开挖年代久远，且后续在河道治理时也未考虑埋设观测设施，虽近年来逐步埋设观测基准设施，但仍存在河堤沉降观测设施严重不足现象。

2.3观测手段传统。常规观测为人工实地观测，主要以水准、全站仪以及GNSS测量为主，沿特定线路进行横、纵断面测量，存在观测周期长、数据整理量大、工作效率低、受环境影响大等问题，对测量人员技术要求高。天津市行洪河道堤防长约2000km，进行一次全河堤沉降测量费用巨大，实现有序、高效测量以及数据连续和动态更新较为困难。

2.4数据管理方式相对落后。目前，河堤观测数据及管理方式还是以人工手写观测记录簿，录入电脑整理整编，原始记录查询、数据分析及检索比较平面化，直观、可视化程度低，管理及应用不便捷。

3基于InSAR与LiDAR技术在河堤沉降监测的应用

随着遥感技术成熟应用，运用合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术可以获取大范围、高空间及高时间分辨率、高精度的监测数据。LiDAR技术通过将激光测距、GNSS差分和惯性测量单元等技术进行集成，获取地表各类地物精细的高程信息。本章以基于LiDAR、InSAR技术在天津市河道堤防高程测量的应用搭建具体阐述。

3.1河堤LiDAR平台选用。考虑河堤高程测量精度、扫描距离以及数据分析效率等因素，选用无人机搭载AS-300H型号的LiDAR系统采集激光点云数据，平均激光点云密度20米/点。航飞前按飞行路线每5公里架设人工静态GNSS基准站1个，与GNSS参考站形成基站网。

3.2河堤LiDAR控制点布设。控制点应容易在激光云图中识别，便于量测在激光扫描坐标系下的坐标，并获得对应时刻的POS数据。在测量方案中，利用GNSS静态观测获取精确的WGS84坐标，然后利用全站仪联测得到区域内所有标志点的大地坐标。

3.3河堤LiDAR数据获取与预处理。因河堤所在地理位置及地形地貌不同，外业勘察时需做好现场记录，绘制草图并现场注记。在进行合理的规划设计、GNSS基站点及控制点布设后进行堤防沿线LiDAR数据采集。对获取的原始数据进行整合计算，初步形成点云数据。综合利用GPS数据、北斗数据等GNSS数据、移动站原始数据进行差分处理，获取高精度、高稳定性的飞行轨迹和拍摄状态参数，得到精确空间的点云数据。

3.4沉降测量InSAR数据选型。InSAR技术能够采用同一地区的多种SAR影像，通过统计分析反射回的相位和幅度等信息查找点目标。针对河道的实际情况及成本考虑，选择Sentinel-1数据进行监测，模式为干涉宽幅模式，C波段，VV极化，空间分辨率5m×20m。

3.5时序InSAR数据处理。因河道堤防沿线长、数据量大等因素，综合PSInSAR技术与SBAS方法的技术特点，针对堤防监测相干性低的特点，采用多级配准策略实现SAR数据集精确配准。Sentinel-1影像采用最新的TOPS测量模式，通过波束由后向前摆动获取大范围覆盖数据。采用多级迭代配准策略进行Sentinel-1数据精确配准，最终配准精度优于0.001个像素。

干涉图是InSAR数据处理的基础，干涉数据集选择短时间、空间基线干涉相对，来生成有效的干涉图序列。主要优点是较短的时间、空间基线，提高相位的相干性；短时间基线，对于变形较大的区域可降低形变场的梯度，有利于准确获取形变信息；短空间基线降低干涉图中残余相位的影响。

3.6河堤高程监测。运用InSAR与LiDAR技术已在天津市270公里河堤高程沉降测量中应用，运用插值方法对离散的InSAR点进行空间插值，可以得到面状的沉降成果，从而得知河堤某一区域或某一堤段总体沉降情况、沉降中心点位置，结合实际位置可以分析判断出现沉降的大体原因。

以海河干流河堤InSAR监测的沉降数据为例，右堤1155个监测点，平均沉降速率为-11.8mm/a；左堤896个监测点，平均沉降速率为-13.9mm/a；整体分析天津市环内段海河干流河堤沉降变形整体较为稳定，左堤沉降速率稍大于右堤，局部堤段由于在建工程等产生沉降漏斗，需加强巡检和重点监测。

4河道行洪风险点识别方法

河道行洪风险点判别需考虑多种因素，对重点保护区影响和各种洪水组合情况，还有河道地形、行洪能力、堤坝现状及历史出险等多种因素。

假设在没有大的变化情况下认为河道地形、行洪能力、历史出险等因素具有一致性，堤坝状况也暂不考虑渗水、破坏等情形，而将高程视为其重要指标进行识别分析。通过LiDAR高程成果与InSAR沉降速率成果，考虑不同洪水重现期下预测河堤高程数据，并与原始高程数据进行InSAR数据融合，分析行洪风险点区域。

预测堤坝20年后的高程，进行纵断面分析（如图所示），该堤段最小高程为7.38m，最大高程为9.25m，两者相差1.87m。采用计算公式（洪水溢出风险，是河堤实际高程，为计算高程即设计洪水位对应高程加堤顶超高）进行风险点识别分析。河堤20km实验段内约有10km河堤高程低于计算高程8.2m，分布范围集中在0-1.5km、3-7km、13-20km处。故上述河堤需作为防洪的薄弱点位，也是防洪能力建设重点区域。

图 预测20年后堤坝高程数据纵断面图

综上所述，实施河堤安全监测提前预判安全隐患是确保堤防安全的重要基础工作。常规安全监测方法存在一些不足，随着现代科技高速发展以及遥感数据广泛应用，加快发展新质生产力，运用新技术、新方法解决运管中的难点问题，可以为水务事业高质量发展提供基础支撑。

参考文献：

[1]冯东利，杨魁.基于InSAR技术的河道堤防工程沉降观测[J].北京工业职业技术学院学报，2019，18（2）：122-125

[2]王旭阳.基于LiDAR与InSAR数据融合技术的河道堤防安全监测技术研究[D].天津大学，2020.