遥感技术在大坝安全监测中的应用与思考

4.15首个全民国家安全教育日遥感技术在大坝安全监测中的应用与思考赵英俊核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室一、前言二、快速评估水域的遥感技术三、遥感技术与GIS结合进行大坝地质、地震环境分析四、遥感技术大坝安全监测数据模型五、激光雷达技术六、合成孔径雷达干涉监测技术七、热红外的大坝水域水温调查八、实验室技术能力九、思考与讨论汇报提纲影响大坝安全的因素很多，据国际大坝委员会对1100座大坝事故的总结发现：30%设计洪水位偏低和泄洪设备失灵而失事27%由于地质条件复杂，基础失稳和意外结构20%由于地下渗漏引起扬压力过高11%大坝老化，建筑材料开裂、侵蚀和风化12%其它特有原因遥感技术对于大坝安全监测的重要目标如水域变化、大坝表面的破坏情况、地面沉降、动态等具有有效的监测能力；遥感技术结合地理信息系统可以对大坝的地质环境、地震点分布及影响进行综合分析，同时利用高空间分辨率影像和高精度DEM，可以制作“真三维”的大坝景观。一、前言Worldview-3最新高分辨率遥感卫星数据1可获取大范围资料2获取信息速度快周期短3获取信息受条件限制少4获取信息量大，可以获取高空间分辨率、高光谱分辨率数据遥感技术的特点1基于NOAA/AVHRR气象卫星影像的水域变化监测两颗NOAA卫星每天在不同的时间过境4次，周期短，利用其不同通道的比值图像可以有效监测水体，利用其热红外通道可以昼夜进行流域水体检测。气象卫星的高时间分辨率，成像范围大的特征使其成为大范围流域水体变化的动态监测有效手段。二、遥感提供了一种快速评估水域变化先进技术2基于LandsatTM影像的水域变化监测TM1波段对于清洁水信息的提取效果较好；TM5波段，可用于作物生长期内叶绿素浓度、水分含量的推定等；红外波段对于伤情探测有重大帮主；在不同的季节时段，应当选择不同波段的遥感影像，并从中提取所需要的数据。例如，在夏季洪水易发的阶段，应当定期获取实时的遥感影像数据，根据获取信息中水中所含泥沙浓度的变换，以及江河中各上游流域河岸、水中洲岛的变化情况，可以判断出夏季水流的变化。从而可以提前开启大坝的预警系统，制定防洪蓄水的方案。应用遥感技术和地理信息系统结合，可以快速、准确地监测和管理大量的基本数据，如流域三维地形，土壤侵蚀，人文信息，坝区真实地貌、基岩、覆盖层及不良地质现象等三、遥感技术与地理信息系统可以进行大坝地质、地震等数据综合分析遥感解析：512地震断裂构造关系宜昌地震与三峡大坝位置关系采用克里格插值法，利用地震点震级数据的统计规律，将所收集的震级样本点之间的空间自相关性定量化，建立了地震频发区周围的地震影响模型。多尺度的进行大坝环境分析模拟水流情况的改变与大坝内在承受力的关系分析大坝所处区域内，水流走向的变化等，来判断大坝是否处于安全的状态。可以应用实时拍摄的遥感影像，处理后得到真实的水流变化情况，再根据之前建立的各种模型等分析应该采取的大坝应急措施。四、遥感技术可以建立大坝安全监测得相应数学模型利用激光雷达技术快速获取地形信息数据，通过地面控制测量精确拼接各扫描数据，数据采集经初分类处理后可以生产高精度DEM，在激光点云上可以做DLG成图。点云的误差数据在毫秒级。结合高分辨率遥感影像可以建立大坝的真三维地表景观模型。激光雷达技术可以进行边坡地质稳定性评价研究五、激光雷达技术激光雷达数据在边坡地质稳定性评价的作用①快速而精确地获取滑坡等地质灾害体的微地形地貌等细节特征信息；②可以定量提取精细的地表粗糙度、坡度、坡向等地形地貌参数；③多期数据下，可以精确地提取特征地形地貌的细微变化量。InSAR(合成孔径雷达干涉测量技术),该技术已经发展为可操作的成熟技术。InSAR技术通过对比在不同时间获取的两个雷达图像来观察表面变形,精度可达毫米到厘米量级。目前,高分辨率卫星的空间分辨率可达1m。在交通不便的偏远地区或者当变形区域面积较大时,基准测量较复杂,此时采用卫星监测方法就大有优势。研究结果表明,InSAR技术的精度和分辨率足够满足大坝垂直位移监测要求,且该方法比传统监测方法在成本上更具竞争力。六、合成孔径雷达干涉测量技术可以探测大坝及附近的地表形变(1)泥石流滑坡灾害(2)地震形变场测量(3)震区地面位移测量合成孔径雷达遥感数据在地质稳定性评价还可以利用遥感影像中的不同波段的影像对于大坝进行探伤检测，如热红外波段，可以探测出肉眼不易发觉的内在损伤，此方法可对坝体内部的伤情定期排查，从而防止险情出现。七、热红外遥感技术七、热红外遥感技术遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室实验室研究方向为高分辨率定量化遥感技术研究及应用，已形成了航天、航空、地面的“天空地深”一体化的遥感技术处理及应用能力，构建了数据采集—数据处理—分析应用的技术体系。实验室为中国遥感应用协会专家委员会、科技部国家遥感中心高光谱遥感技术应用研究部的依托单位。实验室学术委员会以徐冠华院士为主任和其他国内知名专家组成，为实验室的发展方向掌舵把关，八、实验室能力介绍1技术能力（1）航空成像光谱测量系统（2）航空激光雷达测量系统（3）实验室光学定标系统（4）地面光谱测量系统（5）热红外地面光谱仪（6）地面成像光谱测量系统（7）地面红外热像仪（8）高精度制图系统（9）遥感数据综合数据处理中心实验室条件：（1）航空成像光谱测量系统参数CASI-1500SASI-600TASI-600光谱范围380-1050nm950-2450nm8000-11500nm每行像元数1470640600连续光谱通道数28810032光谱带宽2.3nm15nm125nm帧频（全波段）14100200总视场角404040瞬时视场角0.0280.070.068信噪比（峰值）110011004600量化水平14位14位14位绝对辐射精度2%10%热灵敏度9.5微米时0.3K（1）航空成像光谱测量系统该系统可应用于矿产资源勘查、环境监测、水利、农林业调查、地热资源调查、火灾监测、城市规划等领域。（1）航空成像光谱测量系统（2）航空激光雷达测量系统（2）航空激光雷达测量系统参数ALTMGEMINI操作高度4000m以上水平精度1/5500x高度（m）垂直精度5–30cm最大扫描速率70Hz扫描角50°激光接受频率167kHz，可编程侧滚补偿±5°姿态控制系统POSAV510经论证和实验，解决了高海拔航空高光谱数据采集问题，并实现了多传感器同步采集数据。（2）航空激光雷达测量系统（3）实验室光学定标系统积分球黑体定标软件（4）地面光谱测量系统ASD（5）热红外地面光谱仪102F主要技术指标：波长2-16μm；光谱分辨率2、4、8、16cm-1；视场角：0.8、1.2、2.4、4.8。主要应用领域：航空遥感解译成果地面查证、野外及室内岩矿标本的光谱测量、污染水体检测、农林业调查、热环境检测、典型目标识别等。（6）地面成像光谱测量系统野外植被测量室外岩心测量（6）地面成像光谱测量系统技术指标HySpexVNIR-1600HySpexSWIR-320光谱范围0.4-1.0µm1.0–2.5µm光谱分辨率3.7nm6nm通道数160个256个最大帧频135fps100fps探测器面阵1600x1200320x256瞬时视场0.18mrad0.75mrad横向视场角17°13.5（7）地面红外热像仪FLIR（7）地面红外热像仪技术指标SC7300MSC660光谱范围3.7-4.8μm7.5-13μm像元数320×256640×480视场角11°×8.8°24°×18°温度灵敏度±1ºC或±1％30mk@30℃探测范围-40℃-+2500℃-40℃-+2000℃（8）遥感数据综合数据处理中心海量数据处理中心（9）高精度制图系统Colenta利用遥感技术进行大坝安全监测的应用目前较为有限。前人的研究主要集中在GPS系统的应用，而忽略遥感技术在这方面的应用。我认为，对于大坝安全监测系统应当全方位的引进遥感技术，从而使其更具有精确性，适时性，可靠性。九思考与讨论在大坝安全监测的领域，遥感可以占据更大要重要的成分，也将为安全监测系统的改进做出更多贡献。对遥感图像的分析价值，主要体现在获取水流量的变化情况，从而判断大坝应该启动的应急方案；采用多角度的摄影方式获取数据信息，并可建立宏观的坝体三维模型如果可以很好的将遥感技术全面应用，将对安全监测的工作产生重大意义。遥感近景测量技术与图像分析根据需要监测地区的实际地理情况，获取不同的遥感影像数据。例如从遥感影像中提取有用的信息，主要意义在于，将信息数据整合或建立数学模型。通过建立遥感大坝安全监测的理论和数据模型，使得遥感数据和信息可以定量化的反演大坝的安全状况是未来重要的研究方向。遥感与安全监测理论与数学模型的结合谢谢！！