三峡溃坝?东方至远利用InSAR给三峡大坝做体检
发布时间:2019-07-10???? 来源:北京东方至远科技股份有限公司???? 浏览:745

近日,一条关于“三峡大坝已变形,溃堤在即”的言论在社交媒体引发关注和传播,引起了社会公众不必要的猜测。日前,中国航天科技集团专门拿出一幅高分辨率低轨光学遥感卫星(高分六号)图像进行了澄清。


图1 中国航天科技集团官方微博

图2 网络疯传的三峡大坝扭曲变形卫星影像,拍摄于2018年2月23日

图3中国航天科技集团拍摄的高分六号卫星图像,展现了并无异常的三峡大坝

至远君分析:遥感卫星在成像处理的时候,会因为卫星姿态、地球曲率、地形起伏以及地表人工建筑产生的高差等因素影响,特别是路桥跨越山沟、河流时,路面、桥面表现为图像的扭曲、偏移等。这种现象需要采用高精度的地表高程模型、精准的参考数据和先进的几何纠正算法对影像进行正射纠正。谷歌影像之所以出现这种情况,主要原因在于未使用精度更高的地表高程和控制资料,通过谷歌影像还可以发现更多类似现象,如香港青马大桥两侧扭曲变形。

图4谷歌图像:香港青马大桥扭曲变形

早期,西藏“定结县天坑”同样引起了网友们的关注,部分网友在谷歌地图上搜寻到西藏定结县有两个圆形深坑,经过想象编造了那是外星人在地球建造的基地,呵呵了!

图5 谷歌图像:西藏定结县天坑影像

通过我国地理信息综合服务网站“天地图”,微软Bing地图查询该地区无异常,问题出在谷歌地图对于原始数据处理时引入了不准确的数字高程模型,导致处理后的图像出现拉花扭曲现象。

图6天地图、Bing地图

可见,这种现象在一些互联网卫星影像地图上是司空见惯的事,至远君认为:广大网友不了解专业,不了解隐藏在后面的事实,受一些“半瓶水”如谣传三峡大坝要出问题的那位日本老兄的误导,情有可原。因此至远君认为:我们从事专业研究和实际业务的人士此刻应该有义务站出来,运用先进的科技手段,把伪科学的表皮剥去,去伪存真,还事实一个本来的面目。

是否有其它更细致的科学方法去观测三峡大坝的形变呢?

中国航天科技集团,用的是光学卫星图像来定性地说明三峡大坝一直就是那样,不像日本某些人说的“大坝几年变了几十米,处在崩溃的边缘”;那么,有没有途径让公众可以了解到三峡大坝蓄水后,到底有没有变形?其形变的量级和变化的趋势到底如何呢?

答案是“有!”,也是用的卫星遥感技术,不过这回登场的是雷达卫星遥感技术。

这里有必要交代下各种卫星的种类了。

地球的卫星,除了月亮以外,都是人造卫星。人造卫星,根据使用目的的不同分为通信卫星、导航卫星和对地观测卫星三个大的门类;今天这里讨论的主要是第三类即对地观测卫星,俗称遥感卫星,像前文提到的美国谷歌上使用的大部分卫星图像包括分辨率最高可达30厘米的Digital Global (DG)卫星,还有我国的高分系列的卫星等等,都属于对地观测卫星。

对地观测卫星,一般部署在离地面300-800公里高的轨道上,昼夜不停地围绕地球进行观测,传回地面大量的图像(照片)供人们进行使用。那么根据卫星搭载的传感器不同,又可分为光学(被动)卫星和雷达(主动)卫星两个大的门类。

光学卫星,顾名思义,就是反射太阳光成像的卫星, 天气不好的时候,卫星被云层遮住,就无法得到清晰漂亮的图像,光学卫星获取的图像,我们叫光学图像,上文提到的谷歌、百度、微软以及我国天地图网站上给大家提供的基本都是光学图像,这类图像看起来和人眼看起来没有区别,很舒服,但一些不易觉察的误差如前文提到的由于地形起伏带来的变形扭曲很容易误导我们的眼睛。当然,这类卫星成像容易受天气的影响,在一些灾害来临的时候,不能及时有效地获取图像。

图7光学、雷达卫星系统

雷达卫星,就是搭载有雷达微波传感器的卫星,传感器一直不停地对地面发射微波,这些微波达到地面后,有很多被反射回到卫星记录成像。可以看出,这类卫星是主动成像的卫星,不受天气的干扰,可以快速响应一些紧急的状况。大家看看下面的雷达卫星获取的图像,看起来不如光学卫星图像那么舒服。至远君的专业里有个形象的说法,光学卫星图像好比是人用眼睛来看地球,而雷达卫星图像则好比人用手去摸地球,体现是一种“触觉”。

8 光学、雷达卫星图像

这种触觉,实际测量的是从卫星到地面目标的距离,因此,我们可以通过让卫星以相同的位置和姿态对地面目标实施多次观测,通过比较这多次测量的结果,去掉一些误差,就可以非常精细地测量地面目标的细微形变了(看下图),一般说来,这个测量的精度根据不同的波长,最高可以达到毫米量级;还有这个技术最大的好处是不用有任何的地面工作,特别适合我们对地球上物体的形变、地面的沉降和地质灾害如滑坡等进行早期识别,雷达卫星的这个技术好比是给地球做“体检”。这个技术叫做InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar),翻译过来是“合成孔径雷达干涉”,很拗口,是不是?下面我们就用InSAR(音同“英飒”)这个词吧。


图9 InSAR工作模式

交待了这么多,我们来看看米兰理工大学和香港中文大学的二位高手用这个技术做的三峡大坝稳定性监测结果吧,文章发表在IGRASS 2012 (国际地球科学和遥感大会)上,他们用的数据是从2011年2月份到8月份半年内采集的29幅高分辨率雷达卫星图像,结果是这段时间内大坝按照年度约5个毫米的速率往下游方向形变。 大家可以去搜搜看看,征得作者同意后至远君截幅图放在这里吧。“中国水利”公众号今天发的报告里含有各种三峡大坝的形变指标;大家对照看看,这个量级的形变对三峡大坝有半毛钱的影响吗?

图10 三峡大坝2011年形变速率图

上面这个研究只用了半年的数据,并且还是在遥远的2011年,那么近期大坝情况咋样呢?至远君的技术团队调用了“东方至远时空大数据库”里面预存的大坝这块的高分辨率雷达卫星图像,采集时间从2015年5月份到2018年12月份,三年多的时间足够发现些问题的。他们快马加鞭,结果也新鲜出炉了,不多说,还是上图吧。

图11三峡大坝2015-2018形变速率图

这个图挺专业的,我们咋看呢?大坝上都是绿绿的点,对照右边的图例来看,绿点的平均形变值就是在每年正负2毫米之内呀。三峡大坝,当年我们的地质工作者把它选址在一片花岗岩上,固若金汤,真心点赞!!!

我们再看看大坝上3年多来有什么样的变化趋势,还是上图吧。

图12三峡大坝2015 -2018形变趋势图

至远君的技术团队在大坝上共计算出来15000个点,随机放大选取三个点,一起来看看这三个点这三年来的变化趋势吧,首先是形变都很小,形变速率每年0.3毫米以内;其次可以明显看出每个点每年都有周期性的变化,形变幅度在10毫米之内,峰值位于冬夏两季,这种细微的变化不被人肉眼察觉,形变可能是与坝体热胀冷缩及大坝周期性的蓄放水有一定的关系。

如果谣言来源于无知无畏,我们要用教育的力量将之改变;

如果谣言来源于别有用心,我们要用科学的力量将之击碎。


鸣谢:谷歌地图、微软Bing地图、天地图、Zhiying Wang、D. Perissin

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