一種基于GBSAR外觀監(jiān)測(cè)的300m級(jí)高堆石壩材料參數(shù)反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于GBSAR外觀監(jiān)測(cè)的300m級(jí)高堆石壩材料參數(shù)反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，我國(guó)大壩建設(shè)繼續(xù)朝向高壩發(fā)展，壩體變形控制成為影響大壩全生命周 期安全性的關(guān)鍵問(wèn)題之一。200m級(jí)大壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)所采用的儀器有水管式沉降儀和引線 式水平位移計(jì)等，由于儀器固有的缺陷以及安裝埋設(shè)工藝限制，不少工程出現(xiàn)了監(jiān)測(cè)設(shè)施 破壞、測(cè)值異常、系統(tǒng)難以維護(hù)等一系列問(wèn)題。對(duì)于300m級(jí)高堆石壩，測(cè)量管線長(zhǎng)度會(huì)達(dá)到 1000 m級(jí)，壩體最大沉降量將達(dá)3. 0~4. Om(僅按壩高的1 %計(jì)算）。采用傳統(tǒng)內(nèi)觀監(jiān)測(cè)技 術(shù)監(jiān)測(cè)300m級(jí)高堆石壩內(nèi)部變形存在諸多困難，甚至無(wú)法實(shí)施，而精確的壩體變形監(jiān)測(cè)資 料是評(píng)價(jià)大壩運(yùn)行性態(tài)的關(guān)鍵。針對(duì)300m級(jí)高堆石壩，本專利提出利用GBSAR進(jìn)行堆石壩 外觀變形觀測(cè)得到精度為亞毫米級(jí)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，創(chuàng)造性解決300m級(jí)高堆石壩形變監(jiān) 測(cè)的技術(shù)難題。此外，在參數(shù)反演中，綜合考慮空間因素（鉛直向、順河向、橫河向變形）和 時(shí)間因素（大壩體表變形過(guò)程），建立反演目標(biāo)函數(shù)，確保反演結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和合 理性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的：
[0004] -種基于GBSAR外觀監(jiān)測(cè)的300m級(jí)高堆石壩材料參數(shù)反演方法，其特征在于，包 括以下步驟：
[0005] 步驟1，在300m級(jí)高堆石壩上游和下游的左右岸分別架設(shè)4臺(tái)便攜式地基雷達(dá) 干涉儀，定期對(duì)壩體進(jìn)行掃描觀測(cè)，從四個(gè)方位分別獲取壩體表面不同時(shí)刻的SAR影像，其 中，每個(gè)方位均有不同時(shí)刻的若干張 SAR影像；
[0006] 步驟，2,對(duì)SAR影像進(jìn)行圖像處理，采用時(shí)間序列INSAR處理方法獲取壩體同一 部位不同時(shí)刻下的兩張 SAR圖像（這里，根據(jù)最終想要獲取的位移值選取該位移發(fā)生的起 止時(shí)刻對(duì)應(yīng)的兩張 SAR圖像）為基本處理數(shù)據(jù)，通過(guò)求兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖 像，然后進(jìn)行相位解纏，從干涉條紋中得到四個(gè)方位向壩體表面形變過(guò)程線，具體方法為： 通過(guò)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(shí)間段的形變值；經(jīng)過(guò) 多次這樣的操作，可以獲得壩體表面各個(gè)特征點(diǎn)整個(gè)過(guò)程的形變值，最終將這些形變值進(jìn) 行匯總整理，繪制壩體表面形變過(guò)程線；
[0007] 步驟，3,對(duì)大壩外部形變（指沿雷達(dá)干涉入射方向壩體表面某點(diǎn)的形變）進(jìn)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(jù)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(gè)方向的變形分量（即三維形變量），同時(shí)根 據(jù)其他雷達(dá)測(cè)點(diǎn)所得形變對(duì)三維形變進(jìn)行校準(zhǔn)和修正。
[0008] 步驟4,根據(jù)不同方向的壩體變形在參數(shù)反演中的考慮權(quán)重，賦予其不同的權(quán)重系 數(shù)（其中鉛直向權(quán)重為0. 5,其余兩方向均為0. 25)，建立目標(biāo)函數(shù)（公式如下），采用遺傳 算法對(duì)300m級(jí)高堆石壩的堆石體強(qiáng)度變形參數(shù)進(jìn)行反演分析，最終反演得到的數(shù)據(jù)是能 夠真實(shí)反應(yīng)壩體力學(xué)特性的壩體材料參數(shù)。
[0009]
[0010] 其中，k為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的類別，分為鉛直向、順河向、橫河向三種；ω ,為三個(gè)方向分別 對(duì)應(yīng)的權(quán)重（k = 1代表鉛直向，取值為0. 5 ;k = 2及k = 3時(shí)分別對(duì)應(yīng)順河向和橫河向， 取值均為〇. 25) ;m為反演分析時(shí)段總數(shù)；η為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；ιζ為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)在第j個(gè)時(shí)段對(duì) 應(yīng)的k向位移實(shí)測(cè)值； 為對(duì)應(yīng)的計(jì)算值。
[0011] 因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.其變形監(jiān)測(cè)能力可達(dá)毫米級(jí)。本發(fā)明很好地滿足 了 300m高壩的大量程、高精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性三方面的要求；2.有效避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè) 量壩體內(nèi)部位移時(shí)難以避免的誤差；同時(shí)在參數(shù)反演中，綜合考慮空間因素（鉛直向、順河 向、橫河向變形）和時(shí)間因素（大壩體表變形過(guò)程），建立反演目標(biāo)函數(shù)，提高了高壩反演分 析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是監(jiān)測(cè)雷達(dá)安裝及監(jiān)測(cè)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?yàn)槔?br>[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(shí)施方式】
[0016] 下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0017] 實(shí)施例：
[0018] 本發(fā)明的基本思路是避開(kāi)難以準(zhǔn)確觀測(cè)的壩體內(nèi)部變形，將壩體內(nèi)部視為一個(gè) "黑匣子"，而將便于觀測(cè)的壩體外部變形作為參數(shù)反演的監(jiān)測(cè)資料，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的堆石 體參數(shù)反演。
[0019] 步驟一在300m級(jí)高堆石壩上游和下游的左右岸分別架設(shè)4臺(tái)便攜式地基雷達(dá)干 涉儀（GBSAR)，定期對(duì)壩體進(jìn)行掃描觀測(cè)，從四個(gè)方位分別獲取壩體表面不同時(shí)刻的SAR影 像；
[0020] 步驟二對(duì)SAR影像進(jìn)行圖像處理，采用時(shí)間序列INSAR處理方法獲取壩體同一部 位不同時(shí)刻下的兩張 SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過(guò)求兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖 像，然后進(jìn)行相位解纏，從干涉條紋中得到四個(gè)方位向壩體表面形變過(guò)程線；
[0021] 步驟三對(duì)大壩外部形變進(jìn)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(jù)不同方向的壩體變形在參數(shù)反演中的考慮權(quán)重，賦予其不同的權(quán)重系 數(shù)（其中鉛直向權(quán)重為〇. 5,其余兩方向均為0. 25)，建立目標(biāo)函數(shù)（公式如下），采用遺傳 算法對(duì)300m級(jí)高堆石壩的堆石體強(qiáng)度變形參數(shù)進(jìn)行反演分析。
[0023]
[0024] 其中，k為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的類別，分為鉛直向、順河向、橫河向三種；ω ,為三個(gè)方向分別 對(duì)應(yīng)的權(quán)重（k = 1代表鉛直向，取值為0. 5 ;k = 2及k = 3時(shí)分別對(duì)應(yīng)順河向和橫河向， 取值均為〇. 25) ;m為反演分析時(shí)段總數(shù)；η為測(cè)點(diǎn)總數(shù)； 為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)在第j個(gè)時(shí)段對(duì) 應(yīng)的k向位移實(shí)測(cè)值； 為對(duì)應(yīng)的計(jì)算值。
[0025] 本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替 代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于GBSAR外觀監(jiān)測(cè)的300m級(jí)高堆石壩材料參數(shù)反演方法，其特征在于，包括 以下步驟： 步驟1，在300m級(jí)高堆石壩上游和下游的左右岸分別架設(shè)4臺(tái)便攜式地基雷達(dá)干涉儀， 定期對(duì)壩體進(jìn)行掃描觀測(cè)，從四個(gè)方位分別獲取壩體表面不同時(shí)刻的SAR影像，其中，每個(gè) 方位均有不同時(shí)刻的若干張SAR影像； 步驟，2,對(duì)SAR影像進(jìn)行圖像處理，采用時(shí)間序列INSAR處理方法獲取壩體同一部位不 同時(shí)刻下的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過(guò)求兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像， 然后進(jìn)行相位解纏，從干涉條紋中得到四個(gè)方位向壩體表面形變過(guò)程線，具體方法為：通過(guò) 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(shí)間段的形變值；經(jīng)過(guò)多次 這樣的操作，可以獲得壩體表面各個(gè)特征點(diǎn)整個(gè)過(guò)程的形變值，最終將這些形變值進(jìn)行匯 總整理，繪制壩體表面形變過(guò)程線； 步驟，3,對(duì)大壩外部形變，具體是是指沿雷達(dá)干涉入射方向壩體表面某點(diǎn)的形變，進(jìn)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(jù)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(gè)方向的變形分量，同時(shí)根據(jù)其他雷達(dá)測(cè) 點(diǎn)所得形變對(duì)三維形變進(jìn)行校準(zhǔn)和修正； 步驟4,根據(jù)不同方向的壩體變形在參數(shù)反演中的考慮權(quán)重，賦予其不同的權(quán)重系數(shù)， 基于以下公式建立目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對(duì)300m級(jí)高堆石壩的堆石體強(qiáng)度變形參數(shù)進(jìn) 行反演分析，最終反演得到的數(shù)據(jù)是能夠真實(shí)反應(yīng)壩體力學(xué)特性的壩體材料參數(shù)；其中，k為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的類別，分為鉛直向、順河向、橫河向三種；三個(gè)方向分別 對(duì)應(yīng)的權(quán)重；m為反演分析時(shí)段總數(shù)；n為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；<!；為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)在第j個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的 k向位移實(shí)測(cè)值為對(duì)應(yīng)的計(jì)算值。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于GBSAR的300m級(jí)高堆石壩材料參數(shù)反演方法：1.在300m級(jí)高堆石壩上游和下游的左右岸分別架設(shè)4臺(tái)便攜式地基雷達(dá)干涉儀，從四個(gè)方位分別獲取壩體表面SAR影像；2.對(duì)SAR影像進(jìn)行圖像處理，得到四個(gè)方位向壩體表面形變。對(duì)壩體表面形變進(jìn)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(gè)方向的壩體實(shí)測(cè)外觀變形，采用不同的權(quán)重建立目標(biāo)函數(shù)，對(duì)300m級(jí)高堆石壩堆石體強(qiáng)度變形參數(shù)進(jìn)行反演分析。本發(fā)明利用GBSAR獲得亞毫米級(jí)精度的壩體表面變形數(shù)據(jù)；在參數(shù)反演中考慮堆石體分區(qū)和參數(shù)隨時(shí)間演化過(guò)程，建立反演目標(biāo)函數(shù)，確保300m級(jí)高堆石壩堆石體參數(shù)反演的準(zhǔn)確性。
【IPC分類】G01S13/90, G01B15/06
【公開(kāi)號(hào)】CN105091803
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510458099
【發(fā)明人】周偉, 李少林, 楊荷, 馬剛, 常曉林, 周志偉
【申請(qǐng)人】武漢大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年7月29日