一種基于GBSAR外觀監測的300m級高堆石壩材料參數反演方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于GBSAR外觀監測的300m級高堆石壩材料參數反演方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，我國大壩建設繼續朝向高壩發展，壩體變形控制成為影響大壩全生命周 期安全性的關鍵問題之一。200m級大壩內部變形監測所采用的儀器有水管式沉降儀和引線 式水平位移計等，由于儀器固有的缺陷以及安裝埋設工藝限制，不少工程出現了監測設施 破壞、測值異常、系統難以維護等一系列問題。對于300m級高堆石壩，測量管線長度會達到 1000 m級，壩體最大沉降量將達3. 0~4. Om(僅按壩高的1 %計算）。采用傳統內觀監測技 術監測300m級高堆石壩內部變形存在諸多困難，甚至無法實施，而精確的壩體變形監測資 料是評價大壩運行性態的關鍵。針對300m級高堆石壩，本專利提出利用GBSAR進行堆石壩 外觀變形觀測得到精度為亞毫米級的變形監測數據，創造性解決300m級高堆石壩形變監 測的技術難題。此外，在參數反演中，綜合考慮空間因素（鉛直向、順河向、橫河向變形）和 時間因素（大壩體表變形過程），建立反演目標函數，確保反演結果的準確性、可靠性和合 理性。
【發明內容】
[0003] 本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：
[0004] -種基于GBSAR外觀監測的300m級高堆石壩材料參數反演方法，其特征在于，包 括以下步驟：
[0005] 步驟1，在300m級高堆石壩上游和下游的左右岸分別架設4臺便攜式地基雷達 干涉儀，定期對壩體進行掃描觀測，從四個方位分別獲取壩體表面不同時刻的SAR影像，其 中，每個方位均有不同時刻的若干張 SAR影像；
[0006] 步驟，2,對SAR影像進行圖像處理，采用時間序列INSAR處理方法獲取壩體同一 部位不同時刻下的兩張 SAR圖像（這里，根據最終想要獲取的位移值選取該位移發生的起 止時刻對應的兩張 SAR圖像）為基本處理數據，通過求兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖 像，然后進行相位解纏，從干涉條紋中得到四個方位向壩體表面形變過程線，具體方法為： 通過相位解纏，從干涉條紋中可以整理得到壩體表面某一部位某一時間段的形變值；經過 多次這樣的操作，可以獲得壩體表面各個特征點整個過程的形變值，最終將這些形變值進 行匯總整理，繪制壩體表面形變過程線；
[0007] 步驟，3,對大壩外部形變（指沿雷達干涉入射方向壩體表面某點的形變）進行三 維解析，得到壩體表面順河向、橫河向和鉛直向的三維形變量，具體是根據干涉波入射方向 與大壩順河向、水平向、鉛直向的夾角，求得三個方向的變形分量（即三維形變量），同時根 據其他雷達測點所得形變對三維形變進行校準和修正。
[0008] 步驟4,根據不同方向的壩體變形在參數反演中的考慮權重，賦予其不同的權重系 數（其中鉛直向權重為0. 5,其余兩方向均為0. 25)，建立目標函數（公式如下），采用遺傳 算法對300m級高堆石壩的堆石體強度變形參數進行反演分析，最終反演得到的數據是能 夠真實反應壩體力學特性的壩體材料參數。
[0009]
[0010] 其中，k為監測數據的類別，分為鉛直向、順河向、橫河向三種；ω ,為三個方向分別 對應的權重（k = 1代表鉛直向，取值為0. 5 ;k = 2及k = 3時分別對應順河向和橫河向， 取值均為〇. 25) ;m為反演分析時段總數；η為測點總數；ιζ為第i個測點在第j個時段對 應的k向位移實測值； 為對應的計算值。
[0011] 因此，本發明具有如下優點：1.其變形監測能力可達毫米級。本發明很好地滿足 了 300m高壩的大量程、高精度、長期穩定性三方面的要求；2.有效避免了傳統測量方法測 量壩體內部位移時難以避免的誤差；同時在參數反演中，綜合考慮空間因素（鉛直向、順河 向、橫河向變形）和時間因素（大壩體表變形過程），建立反演目標函數，提高了高壩反演分 析結果的準確性和合理性。
【附圖說明】
[0012] 圖1是監測雷達安裝及監測示意圖。
[0013] 圖2是三維解析后所得壩體外部變形示意圖（以豎直向為例）。
[0014] 圖3是SAR影像處理流程不意圖。
[0015] 圖4是高壩反演分析流程示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
[0017] 實施例：
[0018] 本發明的基本思路是避開難以準確觀測的壩體內部變形，將壩體內部視為一個 "黑匣子"，而將便于觀測的壩體外部變形作為參數反演的監測資料，從而進行準確的堆石 體參數反演。
[0019] 步驟一在300m級高堆石壩上游和下游的左右岸分別架設4臺便攜式地基雷達干 涉儀（GBSAR)，定期對壩體進行掃描觀測，從四個方位分別獲取壩體表面不同時刻的SAR影 像；
[0020] 步驟二對SAR影像進行圖像處理，采用時間序列INSAR處理方法獲取壩體同一部 位不同時刻下的兩張 SAR圖像為基本處理數據，通過求兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖 像，然后進行相位解纏，從干涉條紋中得到四個方位向壩體表面形變過程線；
[0021] 步驟三對大壩外部形變進行三維解析，得到壩體表面順河向、橫河向和鉛直向的 三維形變量；
[0022] 步驟四根據不同方向的壩體變形在參數反演中的考慮權重，賦予其不同的權重系 數（其中鉛直向權重為〇. 5,其余兩方向均為0. 25)，建立目標函數（公式如下），采用遺傳 算法對300m級高堆石壩的堆石體強度變形參數進行反演分析。
[0023]
[0024] 其中，k為監測數據的類別，分為鉛直向、順河向、橫河向三種；ω ,為三個方向分別 對應的權重（k = 1代表鉛直向，取值為0. 5 ;k = 2及k = 3時分別對應順河向和橫河向， 取值均為〇. 25) ;m為反演分析時段總數；η為測點總數； 為第i個測點在第j個時段對 應的k向位移實測值； 為對應的計算值。
[0025] 本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領 域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替 代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【主權項】
1. 一種基于GBSAR外觀監測的300m級高堆石壩材料參數反演方法，其特征在于，包括 以下步驟： 步驟1，在300m級高堆石壩上游和下游的左右岸分別架設4臺便攜式地基雷達干涉儀， 定期對壩體進行掃描觀測，從四個方位分別獲取壩體表面不同時刻的SAR影像，其中，每個 方位均有不同時刻的若干張SAR影像； 步驟，2,對SAR影像進行圖像處理，采用時間序列INSAR處理方法獲取壩體同一部位不 同時刻下的兩張SAR圖像為基本處理數據，通過求兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像， 然后進行相位解纏，從干涉條紋中得到四個方位向壩體表面形變過程線，具體方法為：通過 相位解纏，從干涉條紋中可以整理得到壩體表面某一部位某一時間段的形變值；經過多次 這樣的操作，可以獲得壩體表面各個特征點整個過程的形變值，最終將這些形變值進行匯 總整理，繪制壩體表面形變過程線； 步驟，3,對大壩外部形變，具體是是指沿雷達干涉入射方向壩體表面某點的形變，進行 三維解析，得到壩體表面順河向、橫河向和鉛直向的三維形變量，具體是根據干涉波入射方 向與大壩順河向、水平向、鉛直向的夾角，求得三個方向的變形分量，同時根據其他雷達測 點所得形變對三維形變進行校準和修正； 步驟4,根據不同方向的壩體變形在參數反演中的考慮權重，賦予其不同的權重系數， 基于以下公式建立目標函數，采用遺傳算法對300m級高堆石壩的堆石體強度變形參數進 行反演分析，最終反演得到的數據是能夠真實反應壩體力學特性的壩體材料參數；其中，k為監測數據的類別，分為鉛直向、順河向、橫河向三種；三個方向分別 對應的權重；m為反演分析時段總數；n為測點總數；<!；為第i個測點在第j個時段對應的 k向位移實測值為對應的計算值。
【專利摘要】本發明公開了一種基于GBSAR的300m級高堆石壩材料參數反演方法：1.在300m級高堆石壩上游和下游的左右岸分別架設4臺便攜式地基雷達干涉儀，從四個方位分別獲取壩體表面SAR影像；2.對SAR影像進行圖像處理，得到四個方位向壩體表面形變。對壩體表面形變進行三維解析，得到壩體表面順河向、橫河向和鉛直向的變形值；3.利用三個方向的壩體實測外觀變形，采用不同的權重建立目標函數，對300m級高堆石壩堆石體強度變形參數進行反演分析。本發明利用GBSAR獲得亞毫米級精度的壩體表面變形數據；在參數反演中考慮堆石體分區和參數隨時間演化過程，建立反演目標函數，確保300m級高堆石壩堆石體參數反演的準確性。
【IPC分類】G01S13/90, G01B15/06
【公開號】CN105091803
【申請號】CN201510458099
【發明人】周偉, 李少林, 楊荷, 馬剛, 常曉林, 周志偉
【申請人】武漢大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年7月29日