雷达卫星遥感大数据在水利行业中的应用

高分雷达卫星遥感与水利水文大数据反射与辐射太阳热辐射被动遥感系统主动遥感系统主动发射微波接收反射微波不受气象条件影像星载SAR数据获取原理示意图星载SAR成像结果地基SAR数据获取原理示意图SAR成像结果地距向[m]方位向[m]-300-200-1000100200300550600650700750800850900地基SAR成像结果SAR技术的基本原理➢把雷达放在运动平台上➢获得目标距离-方位二维高分辨微波图像SAR系统的分类➢星载SAR➢地基SAR➢机载SAR星载SAR和地基SAR适用于形变测量和变化检测星载SAR—主动遥感系统水库坝体雨量水位积水排水风险评估洪水分析内涝分析和水利水文大数据的融合应用雷达卫星遥感大数据技术在水利工程方面早就有了应用，主要集中在1，利用SAR卫星全天时全天候的特点，进行水利方面应急和变化监测服务；2，利用SAR卫星积累的长期InSAR数据，对水利设施进行形变监测服务水利大数据内容水利大数据应用雷达卫星遥感+InSAR水利基础设施监测+地下水位变化监测形变风险评估+应急服务目录CONTENTS应急响应服务资源优势水利设施监测水利设施形变与地面沉降监测（缓变监测--InSAR）一、问题的提出1.风险总量增多水库等水利设施持续增多，总体数量大，病险隐患多2.自然灾害频发地震、滑坡、泥石流等灾害威胁水利设施的安全运行3.极端天气、气候的影响加大极端天气频繁发生，极端气候条件下的实时监测需求迫切4.风险管理尚需进一步完善传统监测手段受到一些条件制约，亟需新的技术方法对水库坝体边坡等水利设施进行全面健康诊断[水库]据2011年的水利普查数据，我国总共有98002座水库，其中大型水库达到800多座，而80%以上的水库管理几乎都处于离线状态。如果出现地震等重大灾害，根本无法及时准确的判断出哪些水库会受影响，严重制约着水库防洪与兴利综合效益的发挥。[河堤]河堤是重要的防洪措施，仅长江中下游平原区域沿江就有3600公里的干堤，近3万公里的支民堤。这些堤防的修建不但提高了抗洪能力与河道的泄洪能力，也保障了人民生命财产的安全。同时，由于河堤常年受到洪水、蚁患及人为因素等影响，河堤的稳定性降低，防汛的能力下降。二、解决方法•利用雷达卫星对目标区域进行持续拍摄（如按1次/月的频率进行拍摄）•对累积拍摄的一定数量的雷达卫星影像进行特殊处理，得到目标区域在数据拍摄时段内的形变信息（形变速率精度可达到±2mm/年）•对得到的形变信息进行分析，识别出风险区以及潜在风险区，采取相应的安全措施，防患于未然雷达干涉测量（InSAR)技术简介反射对象植被不反射数据水面不反射数据基本原理：通过分析地面目标的反射信号，准确地测量卫星和地面目标之间的距离地面散射体：房屋建筑、桥梁、人工建筑物/构筑物等为强散射单元；水体、植被等为弱散射单元T1......T2......TnRnΔR…nR1PSnodataR2ΔR12•两次观测期间的移动变形量来测测量地面形变•雷达重复观测期间目标发生移动•单次观测记录雷达与观测对象的距离•卫星通过同一片区域，重复进行观测...雷达干涉测量（InSAR)技术简介201520162017时间序列雷达干涉测量（InSAR)技术简介time稳定的地面测量点最少25幅图像变形时间序列雷达干涉测量（InSAR)技术简介考虑各种因素影响，两幅SAR影像进行干涉，生成的干涉相位可以表示为：noiseatmorbdefflattopo//4BflathRBtoposin4rdef4noiseatmorbdefedifftopo_式中，为所采用的DEM数据不精准造成的残余地形相位，为高程误差；，为干涉图的时间基线；为地形在该时间段内的平均形变速率；sin4RBtoponondefT4T雷达干涉测量（InSAR)技术简介PS算法的核心是参数估计问题传统PS算法的基本处理流程N幅SAR图像N-1幅辅图像外部DEM利用幅度法或相关系法选取PS点差分干涉图利用PS点建立模型求大气参数形变速率和高程误差去除大气影响，重新识别PS点重新估计形变速率和高程误差否大气影响是否消除形变速率场是主图像干涉相位图积累形变量雷达干涉测量（InSAR)技术简介基于新型测量技术，构建地表形变风险数据库雷达干涉测量技术能够实现毫米级的地表形变测量精度。每个刚性地物特征点（在时间维度上具有稳定雷达后向散射特性的地面目标点）的观测信息包括：①形变点位置（地理坐标、高程）②形变点平均形变速率③形变点形变速率曲线（时间演化分析）形变速率曲线既是沉降情况反演的历史曲线，也是未来进行机器学习识别风险的知识曲线。每平方公里可获得几万至十几万个形变点每景数据有近亿个形变点低风险区域高风险区域-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5051015202007/4/282007/8/62007/11/142008/2/222008/6/12008/9/92008/12/182009/3/282009/7/62009/10/142010/1/22Time(day)Displacement(mm)精度：±2mm/y密度：2万个/平方公里形变测量精度一般在0.5-3mm的精度范围内城市区域1铁路草地农村裸地城市区域2不同地表覆盖类型条件下形变测量噪声水平估计雷达干涉测量与光学水准测量数据精度比较（与北京市测绘设计研究院共同验证）毫米级精度地面沉降监测-PS形变测量精度平均误差(mm)标准差（mm)1.21.9雷达干涉测量（InSAR)技术简介•1999年，Ferretti等提出了永久散射体（PS）技术•1999年~2000年，Adam(DLR)、Kampes(Delft)、Hooper(Stanford)等对PS算法提出了改进•2002年，Berardino等提出了小基线集（SBAS）技术•2009年，Constatini等提出了PSP算法•2010年，Ferretti等人又提出了SqueeSAR方法•2010年~，中科院电子所的吕孝雷、香港中文大学的马培峰和西班牙的Devanthéry等人也提出了各自的算法SARInSAR高程测量InSAR形变测量长时间序列PSInSARPSPSqueeSAR1950199020002010PSP形变测量结果NEHeight沉降隆起山区SqueeSAR形变监测结果雷达干涉测量（InSAR)技术简介雷达干涉测量技术在水利行业基础设施全生命周期中的应用1、规划设计阶段:−对设计施工区域进行工前探测，鉴定因施工引起的形变破坏责任−风险规划管理：对敏感区的识别和鉴定2、建设阶段:−对建设施工全过程以及周边区域进行监测，防范风险−作为一种补充或独立的测量手段3、运维阶段:−实现现场测量仪器撤离后的长时间监测−辅助规划现场测量活动运维建设规划设计三、方法实践➢从左图中方向监测出㈲㠲�㈲㌶�更多的风险区域➢两个方向上数据的结合能够给出更全面的形变信息和风险区域㈶㔷�㈲㠲�㈲㌶�(监测时段：2011.2~2011.7)大坝形变监测左、右岸风险区域某大坝稳定性分析主坝体较为稳定光学影像中的大坝大坝及周边区域形变情况风险区域某水库区域形变监测特征点沉降变形趋势分析对坝体风险区域中的特征点进行分析，能够得到特征点的沉降情况历史曲线。某水库坝体监测某水库坝体监测多点沉降变形趋势分析，能够具体了解坝体不同位置的沉降变形情况，采取针对措施。6个点的沉降速率均超过3cm/年，较为严重。某尾矿坝溃坝分析AscendingenhancedPSPprocessing➢COSMO数据监测出坝体在一年前已存在沉降现象➢在坝体垮塌责任的官司中，证实坝体的垮塌是由沉降引起，而非突发事件导致防汛墙预期监测效果项目描述监测目标防汛墙本身；防汛墙周边监测指标点云坐标/高程；点云沉降速率；点云沉降时间曲线发现问题防汛墙较大高程损失；墙体不均匀沉降；周边施工沉降隐患沿岸填海区岸堤监测2003年1月2015年4月围湖、围河、围海造地在我国一些城市非常普遍，这些新填的陆地往往会出现地面沉降的问题。下图为某填海区的情况。沿岸填海区岸堤监测填海区均存在不同程度的沉降问题最大沉降量达11mm/年并且存在不均匀沉降问题填海已经10年以上的区域仍然存在沉降，说明沉降并不止是填海初期的那几年才会发生。目录CONTENTS应急响应服务资源优势水利设施监测[洪涝灾害淹没评估]不同时相影像对比分析洪水淹没情况洪水淹没区域监测6月20日19时20分，受昌江洪峰影响，圩出现约100米宽的溃口，导致当地1万多人被紧急转移，1万多亩农田被淹。6月23日早自主获取了一景灾区COSMO3米数据，可清晰分辨溃口位置及受灾面积，开展数据解译工作。目录CONTENTS应急响应服务资源优势水利设施监测1.主动式监测：无需在观测区域设置测站2.覆盖范围大：每景数据可覆盖监测范围达数千平方公里3.测点密度高：刚性地物特征点的空间连续性好，能更好发现风险隐患4.监测精度高：刚性地物特征点的形变测量精度能够达到mm量级5.全天时全天候：不受光照和天气条件的影响6.自主地面站支持：南方数据接收基地--香港卫星地面接收站技术优势雷达干涉测量与传统手段（常规变形监测技术包括采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值）相比，具有以下优势：谢谢聆听！