郝 飛，雷 鵬，李 想，苗 壯，陳 鵬，閆云峰，李中為，翟宇峰

內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司烏海超高壓供電局，內(nèi)蒙古 烏海 016000

0 引 言

輸電線路建設(shè)是國家基礎(chǔ)建設(shè)中重要的一環(huán)，輸電線路建設(shè)通常會跨越各種惡劣不穩(wěn)定的地質(zhì)條件區(qū)域，容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害并導(dǎo)致輸電中斷，因此對于輸電設(shè)備的監(jiān)測維護(hù)十分重要[1]。傳統(tǒng)輸電線路巡檢大多采取人工巡視方式，耗費大量人力物力，效率低下且容易忽視不易查覺的隱患點。采用高效巡檢方式對輸電設(shè)備及沿線安全巡檢成為目前的研究熱點[2]。

通過無人機進(jìn)行線路巡查是一種高效的方法，可以跨越危險地區(qū)，而且監(jiān)測精度高；但無人機巡檢還有許多弊端，如續(xù)航時間短、植被茂密地區(qū)信號丟失、惡劣天氣下無法飛行等問題，對于這些問題尚沒有完善的解決方法[3]。因此，本文提出通過使用合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)對輸電線路進(jìn)行監(jiān)測，星載合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星能夠通過發(fā)射電磁波對地表目標(biāo)進(jìn)行探測，由于雷達(dá)波段的波長較長，易穿越云層且不受天氣影響，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候觀測[4]。

目前，時間序列合成孔徑雷達(dá)干涉測量算法廣泛應(yīng)用于地表沉降監(jiān)測，其思想是根據(jù)多幅覆蓋同一區(qū)域的SAR影像序列，選擇永久散射體，建立形變相位模型，通過對模型參數(shù)解譯，從而獲得沉降結(jié)果[5]。

永久散射體差分干涉測量（PS-InSAR）技術(shù)是在傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)上發(fā)展起來的一種時間序列合成孔徑雷達(dá)干涉測量算法，可以有效削弱時間空間失相干、大氣延遲等誤差影響的地表變形信息提取技術(shù)。該技術(shù)能夠有效地對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，相比傳統(tǒng)基于水準(zhǔn)監(jiān)測的方法，PS-InSAR技術(shù)能更有效地提取PS點，極大降低監(jiān)測成本，提高監(jiān)測效率[6]。隨著雷達(dá)衛(wèi)星分辨率的提升，PS-InSAR技術(shù)能夠得到研究區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定的、精確的永久散射體位置，使針對輸電沿線地質(zhì)及輸電塔結(jié)構(gòu)開展監(jiān)測成為可能[7]。

WU等人提出了一種改進(jìn)的IM-DINSAR模型算法，利用每個鐵塔本身的信息去除塔的垂直高度干涉相位，利用相位展開后的剩余差分干涉相位得到塔頂位置的傾角位移[8]。劉曉龍等人通過使用PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行干涉相位統(tǒng)計分析，提取人工建筑高度信息并進(jìn)行驗證，計算值與實測值結(jié)果吻合度較高[9]。王明洲等人對輸電走廊區(qū)域進(jìn)行差分干涉測量處理，對走廊沉降區(qū)域進(jìn)行分析得到輸電鐵塔沉降趨勢及傾斜程度[10]。林琿等人分析了永久散射體干涉技術(shù)在監(jiān)測大型人工線狀地物形變上的能力。實驗結(jié)果表明，采用不同的影像干涉組合策略，永久散射體法適合大數(shù)據(jù)量、人工線狀地物SAR影像監(jiān)測處理[11]。

本文基于PS-InSAR技術(shù)，對雷達(dá)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過提取研究區(qū)域內(nèi)形變相位和高程相位，獲得目標(biāo)輸電結(jié)構(gòu)高程信息和對應(yīng)的形變信息，及周邊地質(zhì)變化情況，尋找潛在隱患點。

1 PS-InSAR模型原理及線性參數(shù)求解

本文分析利用相干系數(shù)閾值法來提取PS點，通過主輔影像配對干涉生成干涉圖，對干涉相位進(jìn)行相關(guān)性分析，提取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)相關(guān)性高的PS點，并參與到差分相位模型的形變速率解算過程中，提取高程信息。

1.1 PS-InSAR原理

PS-InSAR技術(shù)是在N+1幅影像內(nèi)選取一幅主影像，主影像與其他輔影像進(jìn)行干涉組合生成N幅干涉圖，任意一干涉對i中的干涉圖像元由多個相位分量組成，公式如下：

為提取地表形變分量，進(jìn)行干涉對差分處理。其中，平地相位通過衛(wèi)星軌道參數(shù)消除，地形相位使用DEM模型處理?？紤]大氣延遲的影響，可根據(jù)相鄰PS點上空間自相關(guān)特性，采用基于相鄰PS點相位差分模型有效削弱大氣影響。在具體操作中，采用相干系數(shù)閾值法提取PS候選點，采用Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，通過建立相鄰PS點相位差分模型求解模型參數(shù)來獲得地表沉降信息。令第i幅差分干涉圖中，相鄰PS點相位差表示為：

式中，Bi⊥、Ti分別為干涉對i的空間垂直基線和時間基線；λ、R、θ分別為波長、傳感器到目標(biāo)距、雷達(dá)入射角；Δ ε(xl,yl;xp,yp)、Δφires(xl,yl;xp,yp;Ti)、ΔV(xl,yl;xp,yp)分別為高程差、殘留相位增量（包含非線性形變相位，大氣擾動相位和噪聲相位）和los方向的形變速率增量。

在|Δφresi|＜π的條件下，只考慮線性形變，通過整體相位相干系數(shù)最大化模型求解形變速率增量和高程誤差增量，計算公式如下：

式中，γ為相鄰PS點間的模型相干系數(shù)；Δ ωi為觀測值與擬合值之差，計算公式如下：

式中，Δv為形變速率增量；Δε為高程誤差增量。在得到所有PS點對之間的相對形變速率和高程差后，進(jìn)行積分處理獲取每個PS點的形變速率和高程信息。

1.2 處理流程

根據(jù)上述原理本次研究技術(shù)路線如圖1所示：

圖1 PS-InSAR技術(shù)路線圖Fig.1 PS-InSAR analysis flowchart

1）對目標(biāo)區(qū)域根據(jù)時空基線連接情況進(jìn)行主輔影像選擇，將主影像與輔影像之間配準(zhǔn)，得到研究區(qū)域干涉圖。

2）使用相干系數(shù)閾值法確定選擇影像區(qū)域內(nèi)的永久散射體點（PS點）；結(jié)合區(qū)域DEM數(shù)據(jù)對干涉圖進(jìn)行差分干涉處理，生成差分干涉圖，建立目標(biāo)區(qū)域差分相位模型。

3）利用衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行去平地和去地形效應(yīng)，消除誤差影響。結(jié)合式（3）（4）進(jìn)行PS點差分模型形變速率大氣延遲校正及高程差信息求解。

4）對求解模型信息進(jìn)行質(zhì)量分析得到形變信息及高程信息。

2 研究區(qū)域PS-InSAR處理

2.1 研究區(qū)域基本情況

本次研究目標(biāo)為貴州省黔東南苗族侗族自治州錦屏縣內(nèi)某條高壓輸電線路。輸電沿線區(qū)域內(nèi)山地、丘陵較多，在降雨量大、水土流失嚴(yán)重的情況下易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，高壓電塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)易發(fā)生沉降，因此采用PS-InSAR技術(shù)對其結(jié)構(gòu)及沿線地質(zhì)變化進(jìn)行監(jiān)測。

本次研究采用的是TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星降軌成像模式下的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為3 m，研究區(qū)域覆蓋面積達(dá)到25 km2，數(shù)據(jù)采集時間從2019年3月20日到2019年11月28日。衛(wèi)星每隔11天對同一區(qū)域進(jìn)行拍攝，共計20景影像，跨度達(dá)到8個月。研究區(qū)位置和區(qū)域內(nèi)輸電鐵塔位置如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域概況Fig.2 Study area

2.2 永久散射體探測

本次研究使用相干系數(shù)閾值法進(jìn)行區(qū)域內(nèi)PS點的選擇，選取影像當(dāng)中振幅強度較高，不隨時間推移發(fā)生變化的永久散射體，如建筑物、橋梁、欄桿、裸露的巖石等。

通過分析TerraSAR-X數(shù)據(jù)集空間基線的連接情況，選擇2019年7月30日的影像作為主影像，與其他影像進(jìn)行干涉配對處理，生成19個干涉對，生成差分干涉圖。選擇相干性閾值系數(shù)為0.78。主輔影像像元之間的相關(guān)系數(shù)與設(shè)置好的相干性閾值進(jìn)行比較，當(dāng)像元間的相干系數(shù)大于設(shè)置的閾值條件時，將該像元提取至PS點。本次共計探測目標(biāo)區(qū)域10 293個監(jiān)測點，PS點分布如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域PS點分布情況Fig.3 PS point distribution in study area

目標(biāo)區(qū)域內(nèi)PS點多分布在建筑密集區(qū)，可以看出輸電塔這類排列有序的建筑物PS點呈線狀分布；PS點也多分布于裸露巖石和植被覆蓋不密集的區(qū)域。如圖3所示，通過PS-InSAR技術(shù)獲取有效永久散射體點，該地區(qū)PS點的密度能夠達(dá)到500個/km2。相較于傳統(tǒng)水準(zhǔn)監(jiān)測布點測量，PS-InSAR技術(shù)能夠?qū)σ恍╇y以布設(shè)測量點位的位置進(jìn)行監(jiān)測。相較于同等密度點位的布設(shè)，基于PS-InSAR技術(shù)更具有經(jīng)濟效應(yīng)，可為觀測區(qū)域內(nèi)不同目標(biāo)的形變分析提供客觀數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)連續(xù)形變特征分析。

3 結(jié)果分析

3.1 線路整體結(jié)果分析

將選取的PS點進(jìn)行差分干涉測量，得到研究區(qū)域時序形變速率圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4 研究區(qū)域形變速率圖Fig.4 Deformation rate in study area

圖5為輸電沿線周邊的時序形變速率結(jié)果圖。根據(jù)形變速率的不同，賦予不同的顏色，紅色點為沉降點、綠色點沉降速率不大，較為平穩(wěn)，藍(lán)色點為抬升點，從圖中可以看出，輸電沿線周邊分布了一定數(shù)量的沉降點。輸電線路沿山脊布設(shè)，在輸電線路兩側(cè)出現(xiàn)6個形變速率較大的區(qū)域，說明形變較大的區(qū)域多分布于輸電沿線山脊斜坡處。

圖5 形變速率較大區(qū)域分布圖Fig.5 Regional distribution with large deformation rate

對6個形變較大的區(qū)域內(nèi)的沉降點按沉降速率進(jìn)行篩查，統(tǒng)計出每個區(qū)域內(nèi)最大的沉降量（表1）。

表1 區(qū)域概況Tab.1 Description of the areas

選取6個區(qū)域內(nèi)形變速率最大的形變點，計算累計形變量并繪制成圖（圖6）。

圖6 最大沉降量點時間序列形變曲線圖Fig.6 Time series deformation curve of points with maximum subsidence

對6個區(qū)域內(nèi)的沉降速率結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1、2號區(qū)域在相同時間內(nèi)形變速率最快，且累計沉降量最大，沉降量在70～80 mm之間。1、2號區(qū)域距離最近的20、21輸電塔在300 m以外，這一區(qū)域距離山下村莊和盤山公路較近，若發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能會對區(qū)域人員安全與外界交通產(chǎn)生不利影響。山脊兩側(cè)的3、4、5、6區(qū)域，分布在輸電線路兩側(cè)，累計沉降量在55～70 mm之間，但距離山脊沿線輸電塔距離較近，都在百米范圍內(nèi)，處于山脊兩側(cè)斜坡上，地勢較高且陡峭，隨著區(qū)域降雨的增加引發(fā)滑坡災(zāi)害的可能性大。

3.2 輸電塔結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測結(jié)果

輸電鐵塔結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測利用選取的PS點，經(jīng)過差分干涉測量獲取形變信息，再通過地理編碼處理，得到點位的經(jīng)緯度坐標(biāo)，進(jìn)而獲得該點在空間位置的沉降信息。輸電塔結(jié)構(gòu)PS點分布如圖7所示。

圖7 輸電塔結(jié)構(gòu)PS點分布Fig.7 PS points distribution of a tower

提取輸電塔結(jié)構(gòu)上的塔底、1/4塔高、1/2塔高、3/4塔高、塔頂5個位置的PS點時序沉降曲線，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)輸電塔結(jié)構(gòu)各點沉降情況基本一致，最大值達(dá)到41 mm，說明輸電塔發(fā)生整體線性沉降，沒有側(cè)偏，輸電塔結(jié)構(gòu)安全無沉降變形隱患。

圖8 輸電塔結(jié)構(gòu)形變值Fig.8 Structure deformation of a tower

4 結(jié) 論

1）本次研究針對貴州省黔東南苗族侗族自治州錦屏縣內(nèi)一條高壓輸電線路，應(yīng)用PS-InSAR技術(shù)獲得了時序沉降速率結(jié)果；通過對輸電沿線地域進(jìn)行篩選，得到6處沉降顯著的區(qū)域；對輸電塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行形變和高程信息處理，確認(rèn)鐵塔沉降量在安全穩(wěn)定范圍內(nèi)。

2）目前，PS-InSAR技術(shù)多應(yīng)用于山體滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)中，本次研究驗證了PS-InSAR技術(shù)應(yīng)用于輸電沿線區(qū)域和輸電塔自身結(jié)構(gòu)監(jiān)測的可行性和有效性，對于保護(hù)輸電塔結(jié)構(gòu)，減少因地質(zhì)災(zāi)害造成損失提供了技術(shù)支撐，也為某些監(jiān)測難度大、傳統(tǒng)監(jiān)測手段不能有效開展的項目提供了新的技術(shù)途徑。