利用InSAR技術(shù)監(jiān)測采礦區(qū)地表輸電鐵塔時序形變

康 鑫，朱珺，耿留勇

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007)

利用InSAR技術(shù)監(jiān)測采礦區(qū)地表輸電鐵塔時序形變

康 鑫，朱珺，耿留勇

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007)

針對傳統(tǒng)輸電鐵塔形變監(jiān)測和風(fēng)險評估存在的局限，本文提出利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技術(shù)監(jiān)測采礦區(qū)地表輸電鐵塔的時序形變。首先，將覆蓋輸電鐵塔時間相鄰的SAR影像生成差分干涉圖，然后，剔除InSAR監(jiān)測形變中大氣相位、軌道誤差、高程殘差等因素的影響，最后，通過累加各時間段內(nèi)的形變獲取輸電鐵塔的時序形變。以山西某礦區(qū)地表兩座輸電鐵塔為例，利用本文方法監(jiān)測了其時序變形，結(jié)果表明，兩座鐵塔在2007年7月至2009年2月期間一直處于下沉狀態(tài)，其最大累計形變分別達(dá)到了0.23 m和0.11 m。為了保證輸電線路的安全運(yùn)行，需對其進(jìn)行防護(hù)和控制處理。

InSAR；采礦區(qū)；時序形變；誤差相位剔除；輸電鐵塔。

1 概述

維護(hù)輸電線路的安全運(yùn)行是國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。輸電鐵塔作為輸電線路的重要組成部分，監(jiān)測其變形并以此提前評估和控制潛在的風(fēng)險對確保輸電線路正常運(yùn)行起至關(guān)重要的作用。由于受到各種條件限制，部分輸電線路不可避免地經(jīng)過地下采礦區(qū)，如我國的晉東南—南陽—荊門1 000 kV特高壓輸電線路僅在山西境內(nèi)就有90 km長的線路經(jīng)過采煤區(qū)。然而，地下開采如果不回填就形成了采空區(qū)，采空區(qū)容易導(dǎo)致地表發(fā)生劇烈且迅速的塌陷和變形，嚴(yán)重威脅位于采空區(qū)地表的輸電鐵塔的安全。因此，做好采礦區(qū)地表輸電鐵塔的變形監(jiān)測是維護(hù)輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障措施。

對于采礦區(qū)地表輸電鐵塔的變形監(jiān)測，傳統(tǒng)的方法主要利用數(shù)值模擬方法，如FLAC3D、ANSYS等，預(yù)計輸電鐵塔的潛在變形并以此評估可能的破壞風(fēng)險。然而，數(shù)值模擬法是基于一定假設(shè)建立起的理論模型，其與實(shí)際情況存在差異，因此可能導(dǎo)致輸電鐵塔風(fēng)險的低估或高估，從而威脅輸電線路安全或造成不必要的資源浪費(fèi)。另外，其評估精度遠(yuǎn)低于利用實(shí)地測量。然而，若利用傳統(tǒng)測量手段(如GPS、全站儀、水準(zhǔn)儀等)監(jiān)測坐落于礦區(qū)地表的鐵塔則會費(fèi)時費(fèi)力，且效率較低。

合成孔徑雷達(dá)干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)技術(shù)作為一種全新的遙感技術(shù)，在采礦區(qū)形變監(jiān)測中成功應(yīng)用. 相對于傳統(tǒng)方法，InSAR技術(shù)具有如下優(yōu)勢：(1)該技術(shù)為全天候、全天時觀測、無接觸式測量，克服了傳統(tǒng)測量受天氣影響較大等局限；(2)覆蓋范圍較大(如標(biāo)準(zhǔn)ALOS PALSAR影像大約覆蓋70 km×70 km)，該技術(shù)能一次監(jiān)測幾十甚至上百座輸電鐵塔的變形，監(jiān)測效率高；(3)InSAR能夠提供變形區(qū)域的“面狀”形變數(shù)據(jù)，而不是傳統(tǒng)測量手段監(jiān)測的少量離散點(diǎn)。鑒于以上傳統(tǒng)測量手段無法比擬的優(yōu)勢，本文提出利用InSAR技術(shù)監(jiān)測采礦區(qū)輸電鐵塔的時序變形。

2 采礦區(qū)輸電鐵塔InSAR時序形變監(jiān)測方法

2.1 D-InSAR技術(shù)的基本原理

差分合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)(Differential InSAR，D-InSAR)是目前較為成熟的InSAR技術(shù)之一。該技術(shù)通過處理兩景SAR影像的相位獲取該時間段內(nèi)地表變形信息。根據(jù)文獻(xiàn)，差分干涉圖中的相位δφ可由以下公式描述：

式中：λ為雷達(dá)波長；Δd為影像獲取時間內(nèi)地表形變；δφΔH為數(shù)字高程模型的高程殘差相位；δφatm為大氣延遲相位；δφorbit為軌道殘差相位；δφnoise為噪聲相位。

從式(1)中可以看出，差分干涉圖中不僅含有地表變形，還有如大氣延遲、軌道殘差、高程殘差等相位影響。因此，若想獲取采礦區(qū)地表輸電鐵塔的變形，需削弱非形變相位對差分干涉相位貢獻(xiàn)的影響。

2.2 采礦區(qū)輸電鐵塔InSAR時序形變監(jiān)測

由于D-InSAR技術(shù)僅能獲取兩景影像獲取時間內(nèi)的差分形變，而不是時序形變。因此，本文通過累加時間相鄰的兩景SAR影像獲取的差分形變監(jiān)測采礦區(qū)輸電鐵塔的時序形變，其具體步驟如下：

(1)利用時間相鄰的兩景SAR影像獲取該時間段內(nèi)的輸電鐵塔的差分干涉相位；

(2)對于每對差分干涉相位利用多項式擬合削弱軌道誤差和大氣相位延遲相位、基于高程殘差只與垂直基線有關(guān)的特點(diǎn)剔除高程殘差相位并利用InSAR濾波技術(shù)去除噪聲相位，從而得到該時間段內(nèi)輸電鐵塔的變形；

(3)累加輸電鐵塔處的各時間段的形變，從而獲得了整個SAR影像時間段內(nèi)的采礦區(qū)輸電鐵塔時序形變。

3 實(shí)驗與結(jié)果

3.1 實(shí)驗區(qū)域與SAR數(shù)據(jù)

本文選取山西省某煤礦(圖1紅色矩形)開采區(qū)地表兩座輸電鐵塔(見圖3 T-#1和T-#2)為研究對象。從圖1中可以看出，該地區(qū)主要以山地和丘陵為主，地形復(fù)雜，其高程從980 m到2106 m。

圖1 研究區(qū)域數(shù)字高程模型

為了監(jiān)測該區(qū)域地下開采對地表輸電鐵塔造成的變形，本文選取了覆蓋該研究范圍的12景ALOS PALSAR影像按照時間相鄰原則組成11對InSAR干涉對，其結(jié)果見表1。

表1 PALSAR影像數(shù)據(jù)參數(shù)

3.2 采煤區(qū)InSAR時序形變獲取

首先，基于“二軌法”和SRTM DEM(圖1)將表1中的干涉對生成差分干涉圖，并使用最小費(fèi)用流法解纏相位。之后，采用2.2中描述的大氣相位延遲、軌道誤差、高程殘差及噪聲相位的削弱方法校正解纏相位并將校正后的相位轉(zhuǎn)換為雷達(dá)視線向(Line of Sight, LOS)形變，其結(jié)果見圖2。

由于直接利用InSAR監(jiān)測的采煤區(qū)形變?yōu)長OS方向，其為地表真實(shí)三維形變的合成。鑒于采煤區(qū)主要以下沉為主，因此，本文將忽略LOS方向水平移動貢獻(xiàn)而將LOS向形變直接轉(zhuǎn)換為下沉，即：

式中：W為下沉值；LOS為雷達(dá)視線向形變；θ為雷達(dá)入射角(本文取θ=38°)。

圖2 研究采煤區(qū)LOS向形變圖

3.3 輸電鐵塔的InSAR時序形變

為了清晰地呈現(xiàn)兩座輸電鐵塔的變形情況，繪制了鐵塔處的時序形變，其結(jié)果見圖3。

圖3 輸電鐵塔時序形變

從圖3中看以看出，在2007年7月1日至2009年2月18日期間，輸電鐵塔#1和#2一直處于下沉過程，在該時間段內(nèi)，兩座鐵塔的最大累計形變分別為0.23和0.11 m。該結(jié)果表明為了保證輸電線路的安全運(yùn)行，需對兩座鐵塔進(jìn)行一定的防護(hù)和控制處理。

4 結(jié)論

本文提出利用InSAR技術(shù)監(jiān)測采礦區(qū)地表輸電鐵塔的時序變形，大大克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在的局限，提高了監(jiān)測效率。最后，選用山西某礦區(qū)采空區(qū)上2座輸電鐵塔為研究對象，利用12景PALSAR數(shù)據(jù)監(jiān)測了其在該時間段內(nèi)的時序形變。通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，在2007年7月1日至2009年2月18日，兩座鐵塔一直處于下沉狀態(tài)，其最大累計沉降值分別達(dá)到了0.23 m和0.11 m。為了保證輸電線路的安全運(yùn)行，需對其進(jìn)行防護(hù)和控制處理。

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Application of InSAR Technique to Monitor Time-series Displacements of Transmission Towers Located in Mining Area

KANG Xin, ZHU Jun, GENG Liu-yong
(China Energy Engineering Group Hunan Electric Power Design Institue Co., Ltd, Changsha 410007, China)

This paper proposed a method for measuring time-series deformation of transmission towers located in mining area on the basis of Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR)technique, in order to reduce the limitations of traditional approaches for monitoring and assessing transmission tower. More specifically, we firstly generated differential interferograms with time-adjacent SAR images and then removed the error phases besides ground deformation with some strategies. Then, the time-series deformation of transmission towers was obtained by summing the corrected phases. Taking two transmission towers located on a mining area of Shanxi province, China as an example, and monitoring their time-series deformation utilizing the proposed method. The results indicate that the two towers have subsiding during July 2007 to February 2009 and the maximum subsidence is 0.231 m and 0.11 m, respectively. A few protection and control measures should be imposed to ensure the safety of transmission lines.

InSAR; mining area; time-series deformation; error phase elimination; transmission tower.

P2

B

1671-9913(2017)02-0011-04

2015-05-13

康鑫(1970- )，男，湖南平江人，教授級高級工程師，長期從事勘測工作。