王明洲，李 陶，劉 艷

(1.武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北武漢 430079；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074)

L波段雷達(dá)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)采空塌陷區(qū)及輸電鐵塔基礎(chǔ)變形研究

王明洲1，李 陶1，劉 艷2

(1.武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北武漢 430079；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074)

我國(guó)西電東輸過(guò)程中，山西等地的煤礦采空區(qū)地面塌陷易導(dǎo)致鐵塔基礎(chǔ)變形，嚴(yán)重威脅特高壓輸電線路的運(yùn)行安全。本文利用ALOS PALSAR雷達(dá)影像，應(yīng)用差分干涉測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)1000 kV特高壓輸電線路山西段附近采空區(qū)地表沉降。通過(guò)形變圖時(shí)間序列結(jié)果，分析輸電走廊地區(qū)的地面塌陷區(qū)變化。對(duì)差分干涉圖中的多種誤差源進(jìn)行量化分析，相對(duì)于采空區(qū)的快速地面塌陷而言，大氣相位和基線誤差表現(xiàn)為較低頻率的噪聲。針對(duì)以上特點(diǎn)，本文提出掩模和低通濾波的方法，有效地消除了差分干涉圖中的大氣相位與基線誤差。研究結(jié)果表明，塌陷區(qū)137＃鐵塔基礎(chǔ)，最大累計(jì)沉降量達(dá)到14 cm，沿輸電線路的最大傾斜為1.27‰，垂直輸電線路的最大傾斜為0.46‰。本文的結(jié)果可為輸電鐵塔安全監(jiān)測(cè)提供新的監(jiān)測(cè)手段。

D-InSAR；特高壓；采空區(qū)；鐵塔；基礎(chǔ)；塌陷；ALOS PALSAR

一、引 言

我國(guó)第一條1000 kV特高壓輸電線路北起山西境內(nèi)的晉城，途徑河南省南陽(yáng)，南至湖北省的荊門(mén)市，路徑長(zhǎng)約360km[1]。該輸電線路等級(jí)高，容量相當(dāng)于4～6條500 kV輸電線路的輸送容量，一旦發(fā)生事故，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和電網(wǎng)將造成災(zāi)難性的沖擊。該線路在山西、河南兩省穿越較長(zhǎng)的煤礦采空區(qū)，其中山西段穿越70 km的大面積采空區(qū)。受煤礦采空區(qū)地表沉陷的影響，采空區(qū)特高壓鐵塔基礎(chǔ)易發(fā)生形變，嚴(yán)重威脅特高壓輸電線路的安全運(yùn)行。

隨著SAR分辨率的不斷提高及其自身的優(yōu)越性，其越來(lái)越多地應(yīng)用于不同的行業(yè)領(lǐng)域。與光學(xué)影像比較而言，SAR成像不受云霧、雨雪、太陽(yáng)光照條件等的限制，可進(jìn)行全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)[2]。2006年1月，ALOS衛(wèi)星發(fā)射升空，其搭載了相控陣型L波段合成孔徑雷達(dá)(PALSAR)，能夠進(jìn)行全極化、多視角的對(duì)地觀測(cè)。另外，L波段在植被覆蓋區(qū)域仍然保持較高的相干性，適合于采空區(qū)地表的形變監(jiān)測(cè)。

2006年，張建強(qiáng)等對(duì)煤礦采空區(qū)鐵塔基礎(chǔ)的處理方案進(jìn)行了探討，并開(kāi)發(fā)了兩套采空區(qū)輸電鐵塔改造加固技術(shù)[3]。2009年，張勇等對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程中地表沉降對(duì)特高壓鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析[1]。2009年，楊風(fēng)利等對(duì)采空區(qū)特高壓鐵塔在基礎(chǔ)發(fā)生形變后所受的承載力及變化趨勢(shì)進(jìn)行了計(jì)算分析，并確定了不同工況下的基礎(chǔ)變形限值[4]。2005年，劉國(guó)林等對(duì)SAR與GPS融合監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表沉降的可行性進(jìn)行了分析[5]。2012年，陶秋香等從保相能力、對(duì)微小沉降的敏感程度等方面對(duì)L和C波段雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)的礦區(qū)地面監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行分析，結(jié)果表明L波段雷達(dá)數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的保相能力，適合于礦區(qū)地表沉降的監(jiān)測(cè)[6]。

二、D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)采空區(qū)鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性原理

1.D-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)形變?cè)?/p>

D-InSAR是以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)圖像的相位信息獲取地表變化信息的技術(shù)。文獻(xiàn)[2]已詳細(xì)介紹了該技術(shù)獲取地表形變信息的基本原理，這里主要分析地表形變引起的相位變化。干涉圖的相位可以表示為[7]

式中，Φgeo為平地效應(yīng)，可通過(guò)雷達(dá)衛(wèi)星軌道參數(shù)消除；Φtop為地形相位，可借助外部DEM消除；Φdef為形變相位；Φatm為大氣相位，其在一定距離范圍內(nèi)存在較強(qiáng)的空間自相關(guān)性[8-9]，相對(duì)于采空區(qū)短時(shí)段的快速地面塌陷而言，大氣誤差表現(xiàn)為較低頻率的噪聲，可利用掩膜和低通濾波的方法進(jìn)行去除；Φnoise是由SAR系統(tǒng)噪聲引起的相位值。

2.采空區(qū)沉降與鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性關(guān)系

地下煤礦開(kāi)采之前，巖層的內(nèi)部應(yīng)力保持平衡；煤礦開(kāi)采后，造成巖層下面產(chǎn)生大面積的采空區(qū)，采空區(qū)上面的巖體失去支撐，改變了其內(nèi)部應(yīng)力的平衡狀態(tài)。頂部巖層開(kāi)始在應(yīng)力作用下斷裂、破碎成散落的巖塊。散落的巖塊陷落到采空區(qū)，造成頂部巖層下沉，引起地表面發(fā)生沉降，采空區(qū)地面沉降過(guò)程如圖1所示。采空區(qū)的地面沉降可以大致分為兩個(gè)階段：第一階段為采空區(qū)形成后的前幾個(gè)月內(nèi)，該階段采空區(qū)地表沉降速度較大，一天可達(dá)到幾厘米；第二階段采空區(qū)的地表沉降較為緩慢，可持續(xù)一年左右[10]。

圖1 采空區(qū)地面沉降示意圖

采空區(qū)地表沉降，易對(duì)特高壓輸電鐵塔基礎(chǔ)造成沉降、傾斜、不均勻沉降、水平滑移等破壞[4]。鐵塔基礎(chǔ)形變會(huì)造成鐵塔局部破壞或整體發(fā)生倒塌，直接威脅輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行，鐵塔基礎(chǔ)橫線路形變情況如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)橫線路變形模式

三、數(shù)據(jù)概況

1.塌陷區(qū)情況簡(jiǎn)介

選擇特高壓輸電線路山西段126—149＃塔段作為試驗(yàn)區(qū)。該地區(qū)山地、丘陵比例大，地形復(fù)雜；水土流失嚴(yán)重，在雨季易產(chǎn)生山體滑坡，對(duì)特高壓鐵塔造成威脅。且該塔段經(jīng)過(guò)煤礦采空區(qū)，雖然在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)采取了大板基礎(chǔ)、灌漿處理、分離塔等處理措施，但潛在的崩塌威脅并沒(méi)有完全排除，需要采用有效的監(jiān)測(cè)手段對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)來(lái)保證輸電線路的安全運(yùn)行。試驗(yàn)區(qū)地理位置和地貌概況如圖3所示，右邊大框?qū)嵕€區(qū)域代表影像覆蓋范圍，左邊矩形框?qū)嵕€區(qū)域代表試驗(yàn)區(qū)范圍(如圖4、圖7所示)，折線區(qū)域代表圖8覆蓋范圍。

圖3 試驗(yàn)區(qū)位置和地貌概況

2.ALOS數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

ALOS衛(wèi)星重復(fù)周期為46 d，入射角為38.7°。降軌時(shí)，PALSAR傳感器可應(yīng)用高分辨率單極化模式(FBS，HH)和高分辨率雙極化模式(FBD，HH＋VV)觀測(cè)，其中FBS影像的分辨率為6.25 m，F(xiàn)BD影像的分辨率為12.5 m。

根據(jù)研究區(qū)域的位置，共獲取了特高壓輸電線路建成后的9景雷達(dá)影像。為了保證影像之間具有較高的相干性，選取具有較短時(shí)間間隔的影像對(duì)進(jìn)行干涉處理。干涉對(duì)的選取情況見(jiàn)表1。

表1 ALOS PALSAR影像干涉對(duì)

四、數(shù)據(jù)處理

1.外部DEM數(shù)據(jù)比較

本文中，外部DEM數(shù)據(jù)分別采用了美國(guó)航天飛機(jī)獲取的SRTM3數(shù)據(jù)和日本獲取的GDEM數(shù)據(jù)。SRTM3數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間為2000年2月，空間分辨率為90 m，高程精度優(yōu)于10 m。GDEM數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間跨度為2007—2009年，空間分辨率為30 m，高程精度優(yōu)于10 m。在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)，將兩者的地形數(shù)據(jù)相減獲取其殘差值，如圖4和圖5所示(虛線區(qū)域?yàn)閳D8的覆蓋范圍)。

圖4 DEM殘差分布圖

圖5 DEM殘差直方圖

通過(guò)圖4和圖5比較可知，在研究區(qū)范圍內(nèi)兩者的高程數(shù)據(jù)差異較小，可認(rèn)為兩種DEM數(shù)據(jù)能夠滿足差分處理的精度要求。

2.數(shù)據(jù)處理

采空區(qū)沉降是一個(gè)非線性、快速變化的過(guò)程。鑒于研究區(qū)地貌和數(shù)據(jù)情況，本文采用差分干涉技術(shù)獲取采空區(qū)地面塌陷信息，并對(duì)干涉對(duì)的選取、配準(zhǔn)、研究區(qū)的DEM選取等步驟進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲取礦區(qū)精確的地面沉降信息。

差分干涉圖的相位包括形變相位、大氣相位、基線誤差、DEM誤差等。如上所述，差分干涉圖中DEM誤差的影響可以忽略，但是大氣相位和基線誤差需要考慮，處理流程如圖6所示。為了提高獲取的大氣相位的精度，對(duì)差分干涉圖中的沉降區(qū)進(jìn)行掩膜處理，使得剩余像元不受沉降區(qū)形變的影響[11]。在相位解纏過(guò)程中，利用相干圖時(shí)間序列選擇相干性較好的點(diǎn)作為候選點(diǎn)，并以相位穩(wěn)定性為限制條件對(duì)不可信的候選點(diǎn)進(jìn)行剔除。相對(duì)于采空區(qū)短時(shí)段的快速地面塌陷而言，大氣誤差和基線誤差表現(xiàn)為較低頻率的噪聲。本文采用構(gòu)建不規(guī)則三角形網(wǎng)絡(luò)(triangular irregular network，TIN)的方法進(jìn)行相位解纏[12]，并應(yīng)用Kriging方法對(duì)失相干和掩膜區(qū)域進(jìn)行插值[13]。將獲取的相位進(jìn)行低通濾波，得到表現(xiàn)為較低頻率的大氣相位和基線誤差。

圖6 大氣相位和基線誤差去除流程

五、結(jié)果分析

在進(jìn)行雙軌差分干涉處理之前，首先將雙極化數(shù)據(jù)(FBD)在距離向進(jìn)行2倍的過(guò)采樣，以便于其與單極化數(shù)據(jù)(FBS)的分辨率保持一致。另外，在干涉圖生成過(guò)程中進(jìn)行多視處理，距離向與方位向的多視系數(shù)為1∶2，保證兩者分辨率盡量一致。本文中采用高程精度為10 m的GDEM數(shù)據(jù)來(lái)去除地形相位。使用前文中所述方法對(duì)差分干涉相位圖進(jìn)行大氣相位和基線誤差去除。圖7即為未去除大氣相位和基線誤差與去除大氣相位和基線誤差之后的差分干涉圖的結(jié)果比較。

圖7 干涉圖20091109—20091225

從圖7中可以看出，大氣相位和基線誤差去除后，干涉圖的大氣相位和基線誤差已基本去除。分析形變圖時(shí)間序列可知特高壓輸電線路周邊沉降區(qū)的發(fā)育情況。在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，136—139＃鐵塔附近出現(xiàn)了地面沉降，其對(duì)特高壓輸電線路鐵塔基礎(chǔ)造成了一定的破壞，該區(qū)域沉降情況如圖8所示。

圖8

分析圖8可知，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，136?！?39＃鐵塔附近塌陷區(qū)并沒(méi)有停止沉降，仍處于發(fā)育過(guò)程。136＃、138＃鐵塔處于塌陷區(qū)的邊緣，沉降量較??；137＃鐵塔靠近塌陷區(qū)的中心，沉降量較大；而139＃鐵塔已基本遠(yuǎn)離塌陷區(qū)的影響范圍，鐵塔基礎(chǔ)沉降隨時(shí)間的變化情況如圖10所示。為了分析鐵塔基礎(chǔ)的傾斜情況及其沉降量隨時(shí)間的變化情況，本文分別在鐵塔順線路方向和137＃鐵塔橫線路方向做剖面線P-P′和V-V′，剖面線位置如圖9所示。

圖9 剖面線位置圖(形變圖：20090809—20101228)

D-InSAR獲取的沿剖面線P-P′方向的沉降量時(shí)間序列如圖10所示。

圖10 剖面線P-P′方向沉降量時(shí)間序列(參考時(shí)間：2009-09-08)

由圖10可知，137＃鐵塔基礎(chǔ)的最大累計(jì)沉降量達(dá)到14 cm，138＃鐵塔基礎(chǔ)的最大累計(jì)沉降量達(dá)到2 cm。剖面線P-P′是136＃—139＃鐵塔的順線路方向。在P-P′方向上137＃鐵塔基礎(chǔ)沿線最大傾斜達(dá)到1.27‰；138＃鐵塔基礎(chǔ)沿線方向最大傾斜為0.99‰。

D-InSAR獲取的沿剖面線V-V′方向的沉降量時(shí)間序列如圖11所示。

剖面線V-V′是137＃鐵塔基礎(chǔ)的橫線路方向。137＃鐵塔在V-V′方向的最大傾斜達(dá)到0.46‰。采空區(qū)的地面塌陷會(huì)對(duì)鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性造成很大的破壞，需要對(duì)137＃鐵塔采取一定的抗變形措施，以保障特高壓輸電線路的安全運(yùn)行。

圖11 剖面線V-V′方向沉降量時(shí)間序列(參考時(shí)間：2009-09-08)

六、結(jié)論與展望

利用ALOS衛(wèi)星雷達(dá)影像對(duì)特高壓輸電線路周?chē)煽諈^(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，L波段雷達(dá)影像數(shù)據(jù)在礦山地區(qū)可保持較高的相干性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)地表沉降的亞厘米級(jí)監(jiān)測(cè)。本文利用掩膜和低通濾波的方法將差分干涉圖中的大氣相位和基線誤差去除，獲取形變圖時(shí)間序列。根據(jù)形變相位圖時(shí)間序列分析了塌陷區(qū)的發(fā)育情況，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)塌陷區(qū)一直處于發(fā)育過(guò)程。研究結(jié)果表明：137＃鐵塔基礎(chǔ)最大累計(jì)沉降量已達(dá)到14 cm，沿輸電線路和垂直輸電線路的最大傾斜分別達(dá)到 1.27‰和0.46‰；138＃鐵塔基礎(chǔ)最大累計(jì)沉降量達(dá)到2 cm。采空區(qū)的地面塌陷會(huì)對(duì)鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性造成很大的破壞，需要對(duì)137＃鐵塔采取一定的抗變形措施，同時(shí)需要進(jìn)一步利用高分辨率SAR衛(wèi)星密集監(jiān)視該區(qū)域的進(jìn)一步塌陷狀況，以保障特高壓輸電線路的安全運(yùn)行。本文可為輸電鐵塔安全監(jiān)測(cè)提供新的監(jiān)測(cè)手段。

本文采用的是波長(zhǎng)為23.5 cm的L波段雷達(dá)影像。由于其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，導(dǎo)致其對(duì)微小形變不敏感，監(jiān)測(cè)精度較低。而星載 X波段雷達(dá)影像的波長(zhǎng)為3.2 cm，能夠提高采空區(qū)沉降的監(jiān)測(cè)精度，且其具有較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，可以獲得更多塌陷區(qū)的變化信息。

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Study on Monitoring the Subsidence Area above Goaf and the Transmission Tower Foundation Deformation with L-band Radar Satellite

WANG Mingzhou，LI Tao，LIU Yan

P237

B

0494-0911(2014)07-0058-05

2013-05-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(41274048)；國(guó)家電網(wǎng)公司(09-WGCX06273)；國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心(2011NDS014)作者簡(jiǎn)介:王明洲(1989—)，男，山東德州人，碩士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)遙感應(yīng)用研究。

王明洲，李陶，劉艷.L波段雷達(dá)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)采空塌陷區(qū)及輸電鐵塔基礎(chǔ)變形研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(7)：58-62.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0226