PSInSAR技術(shù)在換流站沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

陶 李，曹鵬財(cái)，易 祎，楊長(zhǎng)江

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，換流站設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，是持續(xù)提供優(yōu)質(zhì)的電能服務(wù)的先決條件，直接影響到地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民的正常生活。換流站的健康狀態(tài)不僅影響了供電秩序，而且直接影響公共安全，當(dāng)?shù)刭|(zhì)沉降引起換流站設(shè)施損壞時(shí)，將會(huì)給國(guó)家、集體和人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)安全威脅，甚至?xí)斐芍卮蟀踩鹿?，后果不堪設(shè)想。

傳統(tǒng)換流站運(yùn)維管理模式下，運(yùn)維人員依賴(lài)高精度的傳統(tǒng)測(cè)量方法(如水準(zhǔn)測(cè)量、GPS 等)，但這些傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、受外界環(huán)境影響大、安全隱患大、成本高等劣勢(shì)。InSAR 技術(shù)綜合了合成孔徑雷達(dá)成像原理和干涉測(cè)量技術(shù)，利用傳感器的系統(tǒng)參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和軌道之間的幾何關(guān)系等精確測(cè)量地表的三維空間位置，具有覆蓋范圍廣、高空間分辨率、全天時(shí)、全天候、高精度、自動(dòng)化程度高、無(wú)需地面控制點(diǎn)以及無(wú)需測(cè)量人員進(jìn)入實(shí)地等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于地表形變監(jiān)測(cè)各個(gè)領(lǐng)域。因而，InSAR 技術(shù)也為換流站及其周邊環(huán)境的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)提供了新的途徑。

在InSAR 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的PSInSAR技術(shù)，利用多幅時(shí)序SAR 影像中選取保持穩(wěn)定反射特性的目標(biāo)作為永久散射體(PS)，其回波信號(hào)具有較高的信噪比，利用這些可靠的PS 點(diǎn)就可以精確反演地表形變。基于此，以下提出利用Sentinel-1 數(shù)據(jù)和PSInSAR 技術(shù)對(duì)云南某±800 kV 換流站進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)所選換流站坐落于云南省某地，于2013年7 月投運(yùn)。近年來(lái)，由于站址所處區(qū)域雨量充沛及惡劣的地質(zhì)環(huán)境和頻繁地震災(zāi)害的影響，換流站本體及重要構(gòu)筑物的健康狀態(tài)勢(shì)必受到災(zāi)害影響。因此，利用InSAR 技術(shù)對(duì)換流站地表及其附屬設(shè)施的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)、準(zhǔn)確的沉降監(jiān)測(cè)，確保換流站安全穩(wěn)定的運(yùn)營(yíng)，具有重要的意義。

1.2 SAR 數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)為2017 年8 月—2018 年7月的IW (寬幅)模式的28 景升軌Sentinel-1SAR影像數(shù)據(jù)，分辨率約為5 m (距離向)×20m (方位向)。Sentinel-1 衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼計(jì)劃(GMES)中的地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星，載有C 波段合成孔徑雷達(dá)，可全天時(shí)、全天候提供衛(wèi)星影像圖像。衛(wèi)星軌道高度約700 km，重訪(fǎng)周期為12 天，主要應(yīng)用于突發(fā)緊急事件，及時(shí)跟蹤自然災(zāi)害和人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的災(zāi)難，具有短重訪(fǎng)周期、快速產(chǎn)品生產(chǎn)的能力。寬幅模式作為Sentinel-1衛(wèi)星的主要運(yùn)行模式，對(duì)地球進(jìn)行全面系統(tǒng)性成像，同一區(qū)域已積累了大量的免費(fèi)SAR 影像數(shù)據(jù)，為開(kāi)展換流站沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究提供了數(shù)據(jù)保障。綜合考慮時(shí)間基線(xiàn)、空間基線(xiàn)和多普勒中心因素，選取2018-02-05 影像作為公共主影像，構(gòu)成27 幅干涉對(duì)的時(shí)空基線(xiàn)分布圖。試驗(yàn)采用SARPROZ 軟件的PSInSAR 技術(shù)方法開(kāi)展數(shù)據(jù)處理。

2 PSInSAR 數(shù)據(jù)處理方法

PSInSAR 是基于永久散射體提出來(lái)的，所謂永久性散射體是指某些地面物體對(duì)雷達(dá)波在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的反射特性，不因時(shí)間和氣候的變化而變化。通過(guò)利用多景覆蓋同一地區(qū)的N+1景影像，對(duì)影像的相位與幅度等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，篩選出在長(zhǎng)時(shí)間序列下能夠保持穩(wěn)定散射特性的目標(biāo)，作為PS 點(diǎn)。由于這些點(diǎn)表現(xiàn)出良好的相干性，因而對(duì)影像差分干涉處理之后可以根據(jù)這些點(diǎn)計(jì)算出高程改正誤差及雷達(dá)視線(xiàn)方向上的偏移量，并通過(guò)估算線(xiàn)性大氣效應(yīng)的貢獻(xiàn)值模擬大氣相位并將之去除，達(dá)到對(duì)形變值精確優(yōu)化的目的。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖1。

圖1 PSInSAR 技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述的PSInSAR 數(shù)據(jù)處理步驟，獲得換流站2017 年8 月—2018 年7 月的年平均形變速率場(chǎng)，明顯發(fā)現(xiàn)站內(nèi)三處區(qū)域存在沉降現(xiàn)象，沉降速率約為5 ～12 mm/year，分別對(duì)應(yīng)換流站配電裝置區(qū)、繼配電室和開(kāi)關(guān)柜10 kV 室，其最大沉降速率超過(guò)-12 mm/year。

分析三處沉降趨勢(shì)較明顯區(qū)域的沉降速率和區(qū)域內(nèi)典型點(diǎn)沉降曲線(xiàn)。結(jié)果表明，典型點(diǎn)在2018年2 月發(fā)生沉降，并隨時(shí)間累積不斷下沉。

由于研究中缺少同步觀(guān)測(cè)的傳統(tǒng)測(cè)量手段的高精度監(jiān)測(cè)成果，因此無(wú)法定量地評(píng)價(jià)方法的監(jiān)測(cè)精度。但將InSAR 監(jiān)測(cè)的發(fā)生沉降的范圍與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)地表開(kāi)裂或設(shè)施變形的區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)反映的結(jié)果空間分布上基本一致，這在很大程度上佐證了方法的有效性。

加工速凍蔬菜的設(shè)備包括進(jìn)料運(yùn)送機(jī)、果蔬清洗器、湯漂機(jī)、水冷卻機(jī)、檢測(cè)帶、瀝水和均勻入料提高機(jī)、凍結(jié)機(jī)、打包機(jī)等[1]。凍結(jié)機(jī)是生產(chǎn)速凍蔬菜的重要設(shè)備，通常采取空氣強(qiáng)制循環(huán)，像隧道式持續(xù)速凍機(jī)、螺旋式持續(xù)速凍器與流化床式速凍機(jī)。近幾年也逐漸采用液化氣體噴射器，像液氮速凍機(jī)。而流化床速凍機(jī)是當(dāng)前IQF方式下的主流設(shè)施。

4 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)運(yùn)用Sentinel-1 數(shù)據(jù)和PSInSAR 技術(shù)成功監(jiān)測(cè)了2017 年8 月—2018 年7 月期間的換流站的歷史沉降曲線(xiàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果中顯示，區(qū)域內(nèi)有三處沉降明顯的區(qū)域，最大的年沉降速率達(dá)到了-12 mm/year，需要注意防范進(jìn)一步可能發(fā)生的災(zāi)害。監(jiān)測(cè)結(jié)果可為換流站工程設(shè)施沉降災(zāi)害演變規(guī)律提供參考資料，為換流站設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)支撐。本試驗(yàn)研究結(jié)果也表明，利用InSAR技術(shù)可以有效地開(kāi)展換流站(變電站)等站址工程的沉降監(jiān)測(cè)，且具有高采樣點(diǎn)密度監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)。最后，本試驗(yàn)所采用的數(shù)據(jù)源為分辨率稍差的歐空局免費(fèi)Sentinel-1 數(shù)據(jù)，后期可考慮采購(gòu)高分辨率的雷達(dá)數(shù)據(jù)(TerraSAR-X 或COSMO-SkyMed)，觀(guān)測(cè)精度及誤差控制會(huì)更精確。