翟振起

(深圳市北部水源工程管理處,廣東 深圳 518000)

城市供水管線工程是城市的生命線工程。近年來，城市供水管線周邊區(qū)域的高強度開發(fā)建設，給管線管理和安全運行帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。因地基下沉導致的爆管事故時有發(fā)生，造成周邊積水或淹沒甚至導致生命財產(chǎn)損失[1-2]。不同的管道位置地基沉降不同，具有一定的不確定性。沉降監(jiān)測一般采用人工水準測量、靜力水準測量等方式開展。然而，管道線路長度一般以公里計，采用人工水準測量觀測效率較低；靜力水準測量可以實現(xiàn)自動化觀測，但成本較高。

隨著衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展，雷達干涉測量技術(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)已成為地表變形監(jiān)測的一種有效方法。由于其具有全天候、高精度、大范圍、面覆蓋等監(jiān)測優(yōu)勢，InSAR技術已逐步應用至地裂縫監(jiān)測、城市地面沉降、滑坡監(jiān)測等領域[3-7]。因此，引入InSAR沉降監(jiān)測技術可以為城市供水管線沉降監(jiān)測提供一個高效低成本的手段。

近幾年，已有學者對利用InSAR技術監(jiān)測管道周邊地基沉降及采用基于多種衛(wèi)星影像的InSAR技術監(jiān)測管道變形等開展了研究[8]。

1 系統(tǒng)總體設計

城市供水管線安全監(jiān)測系統(tǒng)主要采用InSAR監(jiān)測技術，對管線地基沉降情況進行大范圍監(jiān)測，結合移動GIS技術和WebGIS技術對InSAR監(jiān)測成果進行可視化渲染展示，分析管網(wǎng)地基沉降的空間分布特征和時間變化趨勢，結合管網(wǎng)基礎地理信息向用戶提供移動端和Web端的信息查詢和決策輔助。

系統(tǒng)移動端和Web端主要功能包括：InSAR沉降監(jiān)測值數(shù)據(jù)管理、沉降值查詢、沉降值統(tǒng)計分析、監(jiān)測報表制作、管線空間信息和屬性信息查詢等。用戶可以通過移動端APP查看InSAR管網(wǎng)地基沉降的分布情況，并根據(jù)手機定位，進行野外實地核查和現(xiàn)場照片的采集與記錄。

城市供水管線安全監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1所示。系統(tǒng)包括基礎設施層、數(shù)據(jù)層、應用支撐層、應用層、用戶層等不同層級?；A設施層由存儲設施、服務器設施、客戶端、計算機設施、交換機、防火墻等軟硬件設施組成。數(shù)據(jù)層是整個信息系統(tǒng)建設的基礎，包括地下管線數(shù)據(jù)庫、地下管線檔案數(shù)據(jù)庫、管網(wǎng)巡查數(shù)據(jù)庫、管線安全隱患數(shù)據(jù)庫、InSAR監(jiān)測成果數(shù)據(jù)庫、基礎地理數(shù)據(jù)庫。應用支撐層是指為系統(tǒng)各項功能的實現(xiàn)提供支持的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)共享交換接口、二維WebGIS平臺、移動GIS平臺等。應用層為用戶提供全面的信息服務，包括管線數(shù)據(jù)管理InSAR成果數(shù)據(jù)管理、管線、安全隱患管理、管線巡查管理、管線工程檔案管理與系統(tǒng)運維管理等。

圖1 系統(tǒng)架構

2 城市供水管線地基沉降InSAR監(jiān)測流程

根據(jù)監(jiān)測區(qū)域，綜合分析已有的InSAR數(shù)據(jù)資源，確定數(shù)據(jù)類型、覆蓋范圍和數(shù)據(jù)周期等。在獲取了InSAR原始數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理流程具體包括數(shù)據(jù)導入、InSAR影像預處理、InSAR時序分析三個部分。

2.1 數(shù)據(jù)導入

數(shù)據(jù)處理過程中，需要導入的數(shù)據(jù)包括InSAR原始影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、試驗區(qū)氣象參數(shù)等。

2.2 InSAR影像預處理

雷達影像數(shù)據(jù)預處理主要包括主影像選取、影像配準、干涉圖生成、系統(tǒng)相位去除等四個部分。

2.3 InSAR時序分析

(1)從配準后的K+1幅SAR影像中探測出永久散射體點和同分布目標點。

(2)根據(jù)探測出的DS(Distributed Scatterers,同分布散射體)點和K幅差分干涉圖，對DS點相位值進行時空同質(zhì)濾波和時序相位反演處理。

(3)根據(jù)相位函數(shù)模型和差分干涉相位，得到PS(Persistent Scatterers,永久散射體)和DS點的形變速率、DEM誤差和解參相位值。

(4)對PS點和DS點的時序相位進行時空濾波處理，去除干涉圖中的大氣相位值。

(5)經(jīng)過質(zhì)量分析，得到最終PS和DS點的形變速率和時間序列，形成shp格式的沉降監(jiān)測點數(shù)據(jù)成果。

3 InSAR沉降監(jiān)測模塊開發(fā)

目前基于GIS技術的管線運行管理軟件開發(fā)技術已較為成熟，因此本文僅針對InSAR沉降監(jiān)測模塊開發(fā)進行簡要論述。InSAR沉降監(jiān)測模塊包括數(shù)據(jù)管理與加載、沉降值查詢、沉降值統(tǒng)計分析、監(jiān)測報告制作等子模塊，具體功能如圖2所示。

圖2 地面沉降信息發(fā)布與管理平臺功能架構影響

4 系統(tǒng)關鍵技術

4.1 海量InSAR監(jiān)測點顯示

系統(tǒng)實現(xiàn)了對海量InSAR監(jiān)測點的自動切片發(fā)布，該技術的主要優(yōu)勢在于可對海量InSAR監(jiān)測點進行無損、快速的金字塔瓦片制圖，對數(shù)據(jù)進行了多尺度處理，在數(shù)據(jù)時空管理和可視化上進行了優(yōu)化，便于InSAR監(jiān)測結果的在線成果展示。

4.2 剖面線查詢

地基的不均勻沉降容易導致管道受損以及管道接頭部位錯位，所以不均勻沉降對管線監(jiān)測尤為重要，系統(tǒng)可以沿管線埋設方向繪制折線，可以查詢折線附近InSAR監(jiān)測點，并繪制剖面線的沉降曲線，從而更直觀的展示管道沿線的不均勻沉降情況。

4.3 條件查詢

為了直觀展示InSAR沉降成果，系統(tǒng)采用了分層設色法對監(jiān)測點的沉降嚴重程度進行分級展示。但是，由于供水管網(wǎng)路線長、空間范圍廣，覆蓋全部區(qū)域的InSAR監(jiān)測成果點數(shù)量可達百萬級，這會影響用戶從地圖可視化界面的大量數(shù)據(jù)中快速發(fā)現(xiàn)存在安全隱患的管線部位。系統(tǒng)實現(xiàn)了條件查詢功能，查找變形速率超過某一變形閾值的InSAR監(jiān)測點，或者查找某一地面沉降嚴重程度等級的InSAR監(jiān)測點，進而在界面中進行可視化展示。

4.4 自動報告生成

為便于查看城市供水管線的整體情況和各分段管網(wǎng)的變形情況，系統(tǒng)開發(fā)了自動報告生成功能，自動生成包含文本、圖片和表格的監(jiān)測報告。每處理一期新的InSAR監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將自動統(tǒng)計整體管網(wǎng)和各個分段管線段的特征指標，如包括各沉降嚴重程度等級的監(jiān)測點數(shù)量、監(jiān)測點數(shù)量百分比、典型剖面線的差異沉降值等。通過自動繪制典型剖面的變形曲線圖、最大變形監(jiān)測點的歷史沉降曲線圖以及各沉降等級分區(qū)圖等，插入到文字報告中形成內(nèi)容豐富的成果報告。

4.5 管網(wǎng)移動應用安全架構

城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)所涉及的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，屬于國家保密數(shù)據(jù)，需要做好數(shù)據(jù)安全保密工作。管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫作為保密數(shù)據(jù)庫，需部署在與公共網(wǎng)絡存在物理隔離的內(nèi)部網(wǎng)絡中；而管道巡檢一般在野外進行，只能連接公共互聯(lián)網(wǎng)，這會導致巡檢人員無法直接訪問管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)開發(fā)時，通過采用VPN加密保護技術來解決這一問題，經(jīng)過授權的用戶可以在公共互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)VPN隧道連接訪問管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。同時，管網(wǎng)地理坐標需進行脫密處理，即將管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行空間坐標轉換，從城市獨立坐標系轉換到可用于互聯(lián)網(wǎng)的國測局坐標系(脫密坐標系),見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)脫密技術流程

4.6 系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)后臺基于IntelliJ Idea 2017開發(fā)平臺，采用Java語言進行開發(fā)，以Spring Boot作為應用架構，并以Mybatis作為持久層，對SQL Server 2008 R2數(shù)據(jù)庫表進行關系映射。系統(tǒng)前端界面基于Visual Studio Code開發(fā)平臺，采用JavaScript、Html等語言，利用Element界面組件和Vue漸進式框架，開發(fā)系統(tǒng)交互界面，并采用Webpack技術減少系統(tǒng)所需資源以加快運行速度。

系統(tǒng)主界面由圖層控制組件、地圖可視化窗口、數(shù)據(jù)管理組件、沉降值查詢組件、沉降值統(tǒng)計分析組件、監(jiān)測報表制作組件等組成。

5 應用效果評述

選擇深圳地區(qū)某城市供水管線作為試驗區(qū)，利用覆蓋該區(qū)域的COSMO、TerraSAR雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)時序InSAR數(shù)據(jù)分析處理，成功提取了供水管線周邊的2013—2018年地表沉降結果，并將結果導入到了城市供水管線安全監(jiān)測系統(tǒng)。在Web可視化界面中，基于城市供水管線的走向、埋深、管材、周邊地物等基礎數(shù)據(jù)，疊加地表沉降監(jiān)測結果進行瀏覽、分析，輔助以沉降點過程曲線查詢、剖面線查詢等工具，分析城市供水管線周邊地表沉降的空間分布特征和時間發(fā)展趨勢。

利用監(jiān)測系統(tǒng)可提前發(fā)現(xiàn)城市供水管線的潛在隱患區(qū)域。例如，通過查詢洪田路管線附近地表InSAR監(jiān)測點的過程曲線如圖4，可知在2013年12月—2018年9月監(jiān)測期間內(nèi)存在明顯的變形，累計變形值達到-30.6 mm，且距離管線較近，其變形現(xiàn)象可能與輸水管線相關?；诜治鼋Y果，后續(xù)用于指導加強周邊施工擾動的巡視檢查，嚴重時及時采取防治措施。

圖4 洪田路附近地表的InSAR監(jiān)測結果

6 結 語

本系統(tǒng)通過集成InSAR和GIS技術，實現(xiàn)了供水管道沿線地基沉降的大范圍InSAR監(jiān)測，并在移動端和Web端進行成果可視化展示與查詢統(tǒng)計分析。為供水管道安全風險管理提供了基礎技術支撐，對保障供水管線安全運行具有重要意義。本系統(tǒng)的開發(fā)進一步拓寬了InSAR監(jiān)測應用領域并取得了有益的效果。