楊佳睿，吳建寧，嚴(yán)南征，楊知，趙斌濱

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192)

電力能源的持續(xù)供給是經(jīng)濟(jì)健康、快速發(fā)展的重要前提，輸電通道的安全是電力持續(xù)供給的重要保障[1-2]。近年來，極端氣候條件加劇，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因子增多；同時，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人類工程活動加劇了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，以采礦施工等為代表的采空塌陷日趨增多，影響輸電線路的穩(wěn)定安全運(yùn)行。目前，采空塌陷作為常見地質(zhì)災(zāi)害，其監(jiān)測方法主要是地質(zhì)體監(jiān)測和設(shè)備本體監(jiān)測。地質(zhì)體監(jiān)測的地表形變監(jiān)測法觀測的基本內(nèi)容是定期、重復(fù)的測定各觀測點(diǎn)在地表采動過程中的點(diǎn)位，主要分為連接測量、全面觀測、巡視測量、加密水準(zhǔn)測量、地表破壞的測定和編錄等。其監(jiān)測效率較低，對專業(yè)技術(shù)門檻高，及對測量設(shè)備數(shù)量、質(zhì)量要求較高，很難滿足大范圍的輸電通道地表形變監(jiān)測。此外，由于缺少高效監(jiān)測手段，難以及時掌握輸電線路地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險狀態(tài)，運(yùn)維工作的風(fēng)險和壓力較大，當(dāng)風(fēng)險發(fā)展積累到一定程度時，對分散的風(fēng)險點(diǎn)進(jìn)行大規(guī)模徹底治理的難度增加，成本投入巨大。

采空活動對地表的影響過程往往是從量變到質(zhì)變，其許多地學(xué)現(xiàn)象都是長期和動態(tài)變化的。衛(wèi)星遙感作為一種前沿技術(shù)，具有覆蓋范圍面廣、數(shù)據(jù)更新周期穩(wěn)定、受環(huán)境條件限制少以及能夠?qū)崿F(xiàn)長時間序列觀測等優(yōu)勢，特別適用于大范圍輸電線路采空塌陷等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警，為輸電通道地質(zhì)災(zāi)害排查提供了新的解決途徑[3-5]。其中，合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)作為一種在微波波段工作的相干成像系統(tǒng)，不僅能夠提供與地物特性相關(guān)的幅度、相位、頻率和極化等豐富的信息，而且具備全天時、全天候數(shù)據(jù)獲取能力，尤其是星載SAR系統(tǒng)能夠長時間、大范圍的以固定重訪周期對地表進(jìn)行長時空穩(wěn)定、連續(xù)的觀測。近年來，隨著星載InSAR監(jiān)測技術(shù)的迅猛發(fā)展，為地表形變地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作提供了新的解決方案。本文以哨兵(Sentinel-1A)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用星載InSAR監(jiān)測技術(shù)，發(fā)現(xiàn)750 kV川湖Ⅰ線區(qū)段存在較大地表形變，及時開展核查與防治處理，分析了輸電通道地表微小形變的提取方法在地質(zhì)災(zāi)害排查中的可行性。

1 檢測對象及方法

1.1 監(jiān)測對象現(xiàn)狀

750 kV川湖Ⅰ線起于750 kV銀川東變電站，止于750 kV沙湖變電站，途經(jīng)寧夏回族自治區(qū)銀川市、石嘴山市平羅縣。2019年8月線路運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)距750 kV川湖I線99號塔邊緣出現(xiàn)地裂縫，寬度32 cm，目前該處主裂縫發(fā)育寬至48 cm，較2019年8月份增加16 cm；另外，750 kV川湖I線99號塔AB腿西側(cè)20 m處裂縫長約16 m，寬1 cm；750 kV川湖Ⅰ線100號塔CD腿東側(cè)4 m處裂縫長約20 m，寬0.6 cm，AB腿西側(cè)5 m處裂縫長7 m，寬5 mm，現(xiàn)場有肉眼可見的地裂縫。

圖1 塔基處地裂縫

該段線路地層區(qū)劃屬于華北地層大區(qū)晉、冀、魯、豫地層區(qū)，鄂爾多斯地層分區(qū)，賀蘭山—桌子山地層小區(qū)，中、新生代地層區(qū)劃屬于陜、甘、寧地層區(qū)鄂爾多斯地層小區(qū)，有含煤地層。該段地質(zhì)裂紋發(fā)生地對應(yīng)上海廟西礦區(qū)煤礦產(chǎn)，初步判斷為地下開采施工導(dǎo)致地表沉降，但該處地表形變無歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，常用全面觀測及巡視測量方法監(jiān)測效率較低，受人員技術(shù)水平干擾大，對測量設(shè)備數(shù)量、質(zhì)量要求較高，很難滿足大范圍的輸電通道地表形變監(jiān)測。InSAR技術(shù)可利用微波相位差計(jì)算地表形變，微波的精度在1 mm～1 m之間，同時可實(shí)現(xiàn)大范圍、可回溯、非接觸地觀測地表形變。

1.2 高分影像數(shù)據(jù)與處理

為提升地表沉降監(jiān)測精度，通過調(diào)取哨兵hech衛(wèi)星歷史SAR影像數(shù)據(jù)，開展采空區(qū)塌陷普查。數(shù)據(jù)模式為IW(干涉寬幅模式)，空間分辨率5 m×20 m，極化方式為VV，入射角39.58°，數(shù)據(jù)量27景，數(shù)據(jù)成像時間為2019年1月—12月。

2 數(shù)據(jù)處理

星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)高精度配準(zhǔn)、高相干點(diǎn)識別、干涉對組合、時序分析、形變區(qū)快速識別等數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。

2.1 數(shù)據(jù)高精度配準(zhǔn)

InSAR數(shù)據(jù)配準(zhǔn)一般采用強(qiáng)度互相關(guān)算法和相位梯度最小算法，這兩種方法對于SAR數(shù)據(jù)紋理豐富且相位值高的效果好，但是對于植被覆蓋高的區(qū)域精度較差，難于滿足0.1個像元的精度，本案例采用項(xiàng)目提出的輔助DEM的SAR影像配準(zhǔn)方法進(jìn)行時序SAR配準(zhǔn)，保證SAR影像在各類地形地貌情況下配準(zhǔn)精度都能滿足0.1個像元。

單視復(fù)數(shù)影像配準(zhǔn)分為確定同名點(diǎn)偏移量和影像重采樣兩個步驟。偏移量算法主要集中在基于SAR影像強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)信息算法和基于SAR影像相位統(tǒng)計(jì)信息算法兩個方面。強(qiáng)度互相關(guān)算法采用大的搜索窗口時通常分為兩步：粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)。粗配準(zhǔn)可依據(jù)衛(wèi)星軌道狀態(tài)向量確定象元級精度的同名點(diǎn)偏移量，接著再采用強(qiáng)度互相關(guān)算法獲得亞象元的配準(zhǔn)精度。

以采用的Sentinel-1A數(shù)據(jù)為例，衛(wèi)星速度為7.1 km/s，計(jì)數(shù)1次為3.4 ms，對應(yīng)方位向約25 m，采用精密軌道信息可確定在距離/方位向1～2個象元，即約25～50 m的象元精度。

圖2 影像匹配一般原理

強(qiáng)度互相關(guān)算法是目前應(yīng)用最廣泛的算法，配準(zhǔn)精度達(dá)到1/20個象元時，就可以獲得一個完全相干的干涉圖，對于ERS衛(wèi)星(遙感衛(wèi)星)來講，對應(yīng)方位向20 cm和地距向1 m的精度。需要注意的是，和2個單數(shù)復(fù)數(shù)影像相比，相關(guān)系數(shù)有兩個帶寬，這樣會引起混淆現(xiàn)象，因此為了避免這樣的情況，計(jì)算相關(guān)系數(shù)之前，需要對單數(shù)復(fù)數(shù)影像過采樣，采樣因子至少為2[3-4]。

2.2 干涉對組合

在進(jìn)行干涉之前，先要選定干涉的準(zhǔn)則。本項(xiàng)采用的是多主影像的方法，要依據(jù)時間和空間基線確定用于分析的干涉像對，此方法有別于小基線方法[5-6]。由于Sentinel-1A的干涉基線控制的精度較高，約為200 m，選擇永久散射點(diǎn)不受幾何失相關(guān)的影響，基線長度不做約束，只對時間基線進(jìn)行約束。為了保證干涉相位的可靠性，本案例選擇相鄰2個影像進(jìn)行干涉對組合，組成的干涉對如圖3所示，最大時間間隔為36天。

圖3 雷達(dá)干涉基線分布

2.3 差分干涉

干涉組合確定進(jìn)行干涉得到整幅圖的干涉相位，接著依據(jù)軌道和地形數(shù)據(jù)模擬并從干涉相位中去除平地效應(yīng)和地形相位，從而得到每個點(diǎn)包含軌道殘余、地形殘余、形變、大氣延遲和噪聲的差分干涉相位。除了地形殘余相位和噪聲相位外，其他部分都具有空間相關(guān)性[7-8]。

2.4 相位解纏

差分干涉相位包含軌道殘余、地形殘余、形變、大氣延遲和噪聲相位。由于受到定軌精度的影響，基線中存在基線誤差，在差分干涉圖中反映為系統(tǒng)誤差相位，且隨著距離向的增加相位化，然后利用糾正后的基線再次進(jìn)行差分干涉。

基線糾正后得到的差分干涉相位是纏繞相位，通過獲取每個干涉對中的整周數(shù)，就可對干涉相位解纏；依據(jù)解纏后的差分相位建立高程和形變模型，實(shí)現(xiàn)時序形變求解，因此下一步工作就是對每幅圖進(jìn)行解纏。

2.5 時序分析

將差分相位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成點(diǎn)文件進(jìn)行時序分析，本項(xiàng)目對每個點(diǎn)建立基線和高程改正量、時間間隔和形變的二維線性模型，采用解空間搜索方法[9]，依據(jù)整體相位相關(guān)系數(shù)法解纏每個點(diǎn)的時空域，高程改正量在解纏的過程中同時進(jìn)行求解。采用SRTM產(chǎn)品對于平坦地表高程精度較高，高程精度為15 m左右，地勢起伏大的區(qū)域精度較差，為30 m左右。對每一個解纏后的干涉圖，去除高程殘差相位后再次進(jìn)行回歸計(jì)算分析，獲取形變相位，得到的殘差圖中包含了大氣延遲相位和非線性形變。采用空間域和時間域?yàn)V波方法[10]分離了大氣延遲相位和非線性形變相位，空間域?yàn)V波窗口設(shè)為80個象元，時間域?yàn)V波采用時間窗口100天，最后得到包含線性形變和非線性形變的最終形變量。

對只包含形變相位和噪聲的差分干涉相位建立時間間隔與形變的函數(shù)模型，采用SVD分解獲取形變速率[11]。圖4為2019年1月到12月整個形變監(jiān)測周期內(nèi)的形變速率。由圖4可知該地區(qū)存在幾處明顯的形變區(qū)域，最大形變速率為-50 mm/a，其中，川湖線部分桿塔處于其中一個形變區(qū)內(nèi)。根據(jù)形變速率的大小圈出10處明顯的形變較大的區(qū)域，如紅線標(biāo)識所示，此次研究的桿塔主要位于1號形變區(qū)周邊。

圖4 2019年1月—2019年12月地表形變速率

3 結(jié)果與分析

3.1 形變區(qū)域情況

通過用時序InSAR方法處理哨兵數(shù)據(jù)得到的InSAR地表時序形變結(jié)果可知，桿塔主要集中在1號形變區(qū)周邊，此形變區(qū)位置特殊，形變量比較大，持續(xù)形變很可能威脅線路和桿塔穩(wěn)定。通過選取1號形變區(qū)周邊的13基桿塔作為特征點(diǎn)，分析各基桿塔的時序形變特征，探討桿塔穩(wěn)定性。線路桿塔所處區(qū)域光學(xué)影像分布如圖5所示，區(qū)域形變速率如圖6所示。

圖5 桿塔所處區(qū)域光學(xué)影像分布

圖6 桿塔所處區(qū)域形變速率+等值線

從圖中可以看出，形變區(qū)域整體分布在線路桿塔的東側(cè)，該區(qū)域在2019年1月至12月期間，形變量較大，接近5 cm。從形變序列可以看出，從7月份開始形變有一個明顯的加速過程，可能與地下開采施工有關(guān)。

3.2 桿塔基礎(chǔ)地表形變

3.2.1 750 kV川湖 Ⅰ 線100號桿塔基礎(chǔ)地表形變

圖7為750 kV川湖Ⅰ線100號桿塔光學(xué)影像+形變速率，圖8為750 kV川湖Ⅰ線100號桿塔時間形變序列。從形變速率和形變序列上可以看出，該基桿塔在形變區(qū)核心區(qū)外圍，形變速率較大，監(jiān)測周期內(nèi)形變量為2.2 cm左右，在7月份有形變加速的過程。

圖7 750 kV川湖Ⅰ線100號桿塔光學(xué)影像+形變速率

圖8 750 kV川湖Ⅰ線100號桿塔時間形變序列

3.2.2 750 kV川湖Ⅰ線99號桿塔基礎(chǔ)地表形變

圖9為750 kV川湖Ⅰ線99號桿塔光學(xué)影像+形變速率，圖10為750 kV川湖Ⅰ線99號桿塔時間形變序列。從形變速率和形變序列上可以看出，該基桿塔在形變區(qū)邊緣，形變量較小，總形變量為1.5 cm左右，在7月份也有形變加速的過程。

圖9 750 kV川湖Ⅰ線99號桿塔光學(xué)影像+形變速率

圖10 750 kV川湖Ⅰ線99號桿塔時間形變序列

從時序分析得到的形變序列結(jié)果可以看出：

(1)川湖 Ⅰ 線100號桿塔雖然在形變區(qū)，但是處于形變區(qū)相對邊緣的位置，地表形變量在2～3 cm。

(2)川湖Ⅰ線99號桿塔位于小型形變區(qū)，地表形變量在1～2 cm。

(3)川湖Ⅰ線101號、川湖Ⅱ線100號桿塔位于形變區(qū)的外圍穩(wěn)定區(qū)域，所以這2個桿塔所在區(qū)域幾乎沒有地表形變。

(4)所有有明顯形變的桿塔地表的形變時序有一個共同的特點(diǎn)，就是在2019年7月形變有明顯的加速過程，分析說明該地面沉降區(qū)的形變與地面或地下的施工過程有關(guān)。

(5)將InSAR技術(shù)提取的地表形變結(jié)果與實(shí)地野外核查數(shù)據(jù)、人工解譯樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，地表微小形變量與現(xiàn)場實(shí)際情況完全吻合。

3.3 普 查

為驗(yàn)證本文技術(shù)方案的精度與可行性，以哨兵衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用InSAR技術(shù)，研究分析輸電通道地表微小形變的提取方法，并將其與實(shí)地野外核查數(shù)據(jù)、人工解譯樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：InSAR技術(shù)提取的地表形變精度可達(dá)毫米級，可替代人工地面測量工作；星載合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)適用于地表微小形變的提取，監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況完全吻合，能夠滿足輸電通道地表形變的監(jiān)測，可替代人工測量工作。這表明以哨兵衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用InSAR技術(shù)開展輸電通道地表形變是可行的。

4 結(jié) 論

針對寧夏川湖區(qū)段輸電通道巡視任務(wù)，以哨兵衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用InSAR監(jiān)測技術(shù)，研究分析輸電通道地表微小形變的提取方法，得出如下結(jié)論：

(1)InSAR技術(shù)適用于地表微小形變的提取，提取精度較高，能夠滿足輸電通道地表形變的監(jiān)測；

(2)基于InSAR技術(shù)提取的地表形變精度監(jiān)測結(jié)果可達(dá)毫米級，可替代人工地面測量工作；

(3)針對地表形變，與傳統(tǒng)野外核查、人工測量解譯相比， InSAR技術(shù)監(jiān)測技術(shù)具有精度高、效率高、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢。