楊佳睿，吳建寧，嚴(yán)南征，楊知，趙斌濱

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011；2.中國(guó)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(shí)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人類工程活動(dòng)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(cè)方法主要是地質(zhì)體監(jiān)測(cè)和設(shè)備本體監(jiān)測(cè)。地質(zhì)體監(jiān)測(cè)的地表形變監(jiān)測(cè)法觀測(cè)的基本內(nèi)容是定期、重復(fù)的測(cè)定各觀測(cè)點(diǎn)在地表采動(dòng)過程中的點(diǎn)位，主要分為連接測(cè)量、全面觀測(cè)、巡視測(cè)量、加密水準(zhǔn)測(cè)量、地表破壞的測(cè)定和編錄等。其監(jiān)測(cè)效率較低，對(duì)專業(yè)技術(shù)門檻高，及對(duì)測(cè)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(cè)。此外，由于缺少高效監(jiān)測(cè)手段，難以及時(shí)掌握輸電線路地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，運(yùn)維工作的風(fēng)險(xiǎn)和壓力較大，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展積累到一定程度時(shí)，對(duì)分散的風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)對(duì)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(zhǎng)期和動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)等優(yōu)勢(shì)，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(cè)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(shí)、全天候數(shù)據(jù)獲取能力，尤其是星載SAR系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的以固定重訪周期對(duì)地表進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)空穩(wěn)定、連續(xù)的觀測(cè)。近年來，隨著星載InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為地表形變地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)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(cè)對(duì)象及方法

1.1 監(jiān)測(cè)對(duì)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(hào)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(hào)塔AB腿西側(cè)20 m處裂縫長(zhǎng)約16 m，寬1 cm；750 kV川湖Ⅰ線100號(hào)塔CD腿東側(cè)4 m處裂縫長(zhǎng)約20 m，寬0.6 cm，AB腿西側(cè)5 m處裂縫長(zhǎng)7 m，寬5 mm，現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(cè)數(shù)據(jù)，常用全面觀測(cè)及巡視測(cè)量方法監(jiān)測(cè)效率較低，受人員技術(shù)水平干擾大，對(duì)測(cè)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(cè)。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(shí)可實(shí)現(xiàn)大范圍、可回溯、非接觸地觀測(cè)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(cè)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(shí)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(cè)量技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)高精度配準(zhǔn)、高相干點(diǎn)識(shí)別、干涉對(duì)組合、時(shí)序分析、形變區(qū)快速識(shí)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(duì)于SAR數(shù)據(jù)紋理豐富且相位值高的效果好，但是對(duì)于植被覆蓋高的區(qū)域精度較差，難于滿足0.1個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)方面。強(qiáng)度互相關(guān)算法采用大的搜索窗口時(shí)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(jí)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(duì)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(gè)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(gè)象元時(shí)，就可以獲得一個(gè)完全相干的干涉圖，對(duì)于ERS衛(wèi)星(遙感衛(wèi)星)來講，對(duì)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(gè)單數(shù)復(fù)數(shù)影像相比，相關(guān)系數(shù)有兩個(gè)帶寬，這樣會(huì)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(duì)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(duì)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(shí)間和空間基線確定用于分析的干涉像對(duì)，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(zhǎng)度不做約束，只對(duì)時(shí)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(gè)影像進(jìn)行干涉對(duì)組合，組成的干涉對(duì)如圖3所示，最大時(shí)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(gè)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(gè)干涉對(duì)中的整周數(shù)，就可對(duì)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(shí)序形變求解，因此下一步工作就是對(duì)每幅圖進(jìn)行解纏。

2.5 時(shí)序分析

將差分相位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成點(diǎn)文件進(jìn)行時(shí)序分析，本項(xiàng)目對(duì)每個(gè)點(diǎn)建立基線和高程改正量、時(shí)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(gè)點(diǎn)的時(shí)空域，高程改正量在解纏的過程中同時(shí)進(jìn)行求解。采用SRTM產(chǎn)品對(duì)于平坦地表高程精度較高，高程精度為15 m左右，地勢(shì)起伏大的區(qū)域精度較差，為30 m左右。對(duì)每一個(gè)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(shí)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(gè)象元，時(shí)間域?yàn)V波采用時(shí)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(duì)只包含形變相位和噪聲的差分干涉相位建立時(shí)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(gè)形變監(jiān)測(cè)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(gè)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(shí)所示，此次研究的桿塔主要位于1號(hào)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(shí)序InSAR方法處理哨兵數(shù)據(jù)得到的InSAR地表時(shí)序形變結(jié)果可知，桿塔主要集中在1號(hào)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(hào)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(shí)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(gè)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(hào)桿塔基礎(chǔ)地表形變

圖7為750 kV川湖Ⅰ線100號(hào)桿塔光學(xué)影像+形變速率，圖8為750 kV川湖Ⅰ線100號(hào)桿塔時(shí)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(cè)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(hào)桿塔光學(xué)影像+形變速率

圖8 750 kV川湖Ⅰ線100號(hào)桿塔時(shí)間形變序列

3.2.2 750 kV川湖Ⅰ線99號(hào)桿塔基礎(chǔ)地表形變

圖9為750 kV川湖Ⅰ線99號(hào)桿塔光學(xué)影像+形變速率，圖10為750 kV川湖Ⅰ線99號(hào)桿塔時(shí)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(hào)桿塔光學(xué)影像+形變速率

圖10 750 kV川湖Ⅰ線99號(hào)桿塔時(shí)間形變序列

從時(shí)序分析得到的形變序列結(jié)果可以看出：

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

(2)川湖Ⅰ線99號(hào)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(hào)、川湖Ⅱ線100號(hào)桿塔位于形變區(qū)的外圍穩(wěn)定區(qū)域，所以這2個(gè)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(shí)序有一個(gè)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(duì)比分析，地表微小形變量與現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(jí)，可替代人工地面測(cè)量工作；星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)適用于地表微小形變的提取，監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)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(cè)，可替代人工測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)；

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

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