基于高分InSAR數(shù)據(jù)的特高壓換流站穩(wěn)定性監(jiān)測

程正逢，胡 俊，盧生煒，許尼亞，張 健，周 冰

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071；2. 中南大學(xué)，湖南 長沙 ；3.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077)

1 概述

電力是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，相關(guān)設(shè)施(如換流站)的穩(wěn)定運(yùn)營，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，而且直接影響到公共安全，一旦由于地面沉降引起換流站設(shè)施損壞，將會給國家、集體和人民的生命財產(chǎn)帶來安全威脅，甚至?xí)斐芍卮蟀踩鹿剩蠊豢霸O(shè)想。因此，對換流站及其周邊環(huán)境的穩(wěn)定性進(jìn)行長期、及時、準(zhǔn)確的監(jiān)測，確保換流站安全穩(wěn)定的運(yùn)營，具有重要的意義。

目前，對于換流站及其周邊環(huán)境的穩(wěn)定性監(jiān)測，傳統(tǒng)測量方法(如水準(zhǔn)測量、GPS等)運(yùn)用得較多，但這些傳統(tǒng)監(jiān)測方法監(jiān)測范圍小、監(jiān)測周期長、監(jiān)測精度低、受外界環(huán)境影響大、安全隱患大，難以滿足形變監(jiān)測要求。近年來，不斷發(fā)展并應(yīng)用起來的合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(InSAR)為解決換流站及其周邊環(huán)境的穩(wěn)定性監(jiān)測提供了新的途徑。該技術(shù)通過雷達(dá)衛(wèi)星無接觸對地面成像，利用相位差分技術(shù)解算出地表或建筑物的形變。而在InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的短基線集InSAR技術(shù)(SBASInSAR)，利用多個時期的影像解算形變，可以很好的抑制時空失相關(guān)和大氣延遲對于監(jiān)測結(jié)果的影響。特別是近年來，高分SAR衛(wèi)星不斷發(fā)射升空，SAR數(shù)據(jù)的分辨率從幾十米提高到了幾米，極大地提升了InSAR監(jiān)測換流站及其周邊環(huán)境的性能。

本文采用TerraSAR-X數(shù)據(jù)，對某特高壓換流站的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測。針對高分辨率影像中小量數(shù)據(jù)(僅7景TerraSAR-X數(shù)據(jù))，本文提出采用SBAS-InSAR技術(shù)從小量數(shù)據(jù)集中解算出2015年5月18日到2015年9月16日期間該換流站的形變和高程，并分析了該換流站的穩(wěn)定性。

2 SBAS-InSAR形變測量方法

2.1 InSAR技術(shù)

在重復(fù)軌道InSAR中，單個影像的相位與斜距的嚴(yán)密關(guān)系式為：

式中：λ為雷達(dá)波長；R為傳感器到地面目標(biāo)點的距離。當(dāng)主影像和從影像配準(zhǔn)后(配準(zhǔn)精度優(yōu)于1/8像元)，從而生成干涉相位為

ΔR為斜距差。由于兩次成像時，傳感器存在位置差異(即干涉基線)，以及地形起伏和可能存在的形變信號，同時大氣延遲存在差異等因素均會引起斜距差，同時考慮隨機(jī)相位噪聲，則干涉相位可以由以下五個分量組成。

式中：φflat、φtopo、φdefo、φatm、φnoise分別為平地相位(由基線存在引起)、地形相位(地形存在引起)、形變相位(可能存在的地面形變引起)、大氣相位(兩次大氣延遲差異引起)以及隨機(jī)相位噪聲。

根據(jù)InSAR幾何結(jié)構(gòu)并結(jié)合外部DEM(如SRTM DEM)計算得到并與干涉相位進(jìn)行差分，則可得到差分干涉相位

2.2 SBAS-InSAR技術(shù)

SBAS-InSAR技術(shù)是在InSAR技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種時序InSAR技術(shù)，其通過對相位進(jìn)行時序建模，從而解算出來時序形變和平均形變速率，并估計出DEM誤差。其基本模型如下：

假設(shè)在t0,t1,……tN時間獲取同一區(qū)域N+ 1幅SAR圖像，根據(jù)時空短基線組合干涉條件，得到M個差分干涉圖，其中M滿足：

結(jié)合式(4)，則每個干涉對(主、從影像成像時間分別為ti和tj，i,j∈[0,N]，且i≠j)的差分干涉相位為

式中：φdef(ti)(i∈[0, N])為ti時期的形變對應(yīng)的相位量，Δh為地面高程誤差。根據(jù)前面觀測量及構(gòu)網(wǎng)方式，我們知道，網(wǎng)中的獨立觀測量個數(shù)為N+1，而需要求解的參數(shù)個數(shù)為N+2，因此這是一個秩虧問題，我們采用廣義測量平差方法解決這一秩虧問題。在求解出參數(shù)向量x的估值之后，進(jìn)而將形變相位序列轉(zhuǎn)換成形變序列，并進(jìn)一步計算出平均形變速率。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)覆蓋

該特高壓換流站建成于2014年4年，處于云貴高原中的丘陵地帶，所處位置平均海拔為510 m，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，地面覆蓋主要以森林和農(nóng)田為主，面積僅為0.3 km2。除了換流站所在位置，周圍有濃密的植被覆蓋(見圖1)，區(qū)域SAR數(shù)據(jù)的失相干會相對嚴(yán)重。

圖1 換流站數(shù)據(jù)覆蓋及其周邊植被覆蓋情況

3.2 數(shù)據(jù)處理

本文采用的TerraSAR-X數(shù)據(jù)共7景，影像空間分辨率為3 m，時間范圍為2015年5月18日到2015年9月16日，跨度121天。對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理 SLC影像的配準(zhǔn)和重采樣以及差分干涉處理。具體方法和過程如下：

對于SLC影像的配準(zhǔn)和重采樣，我們選取第一期(2015年5月18日)影像作為配準(zhǔn)參考影像，并在影像中均勻設(shè)置80*80個配準(zhǔn)點，其余6景影像數(shù)據(jù)作為從影像與主影像進(jìn)行配準(zhǔn)，在配準(zhǔn)同名點計算時，我們采用強(qiáng)度互相關(guān)方法，計算窗口設(shè)置為128*128像素，最后采用平面二次多項式擬合同名點的偏移量，所有的影像配準(zhǔn)精度均優(yōu)于0.2像元，滿足InSAR干涉處理要求。在影像重采樣過程中，我們采用二維11*11點sinc插值核對所有從影像進(jìn)行重采樣到主影像成像幾何空間，該方法同時兼顧了數(shù)據(jù)解算的精度和效率。

對于差分干涉處理，我們采用SRTM 30 m DEM對影像進(jìn)行差分干涉處理，獲取干涉對的差分干涉相位。而差分干涉相位中的嚴(yán)重地形殘差，則通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理去除。

在完成影像配準(zhǔn)之后，我們根據(jù)影像的時空基線進(jìn)行組合成短基線干涉對，得到的短基線干涉對列于表1，相應(yīng)于的時空基線圖繪于圖2。

表1 短基線干涉對

圖2 短基線干涉對時空基線分布圖

3.3 實驗結(jié)果

利用前面的方法，我們對所組成的12個短基線干涉對，進(jìn)行形變參數(shù)和高程誤差解算，獲得了研究的平均形變速率圖和高程誤差，將高程誤差加回到原始的SRTM之后，我們得到了精確的DEM，結(jié)果見圖3、圖4、圖5。

圖3 換流站平均形變速率圖

圖4 邊坡形變嚴(yán)重區(qū)域放大顯示

圖5 換流站的精確DEM

3.4 分析與討論

從圖3可以看出，換流站整體較為穩(wěn)定，只有在局部區(qū)域有些較明顯的形變，圖3中深藍(lán)色以及紫色點，形變速率范圍從－15 mm/y到－30 mm/y，尤其是在換流站西面邊緣上有較為明顯的形變，最大年形變速率達(dá)到了30 mm/y，需要注意防止。根據(jù)實地調(diào)查的結(jié)果，該換流站在周邊確實存在邊坡不穩(wěn)定現(xiàn)象。進(jìn)一步展示沉降嚴(yán)重區(qū)域，我們選取換流站左邊的形變嚴(yán)重的邊坡區(qū)域進(jìn)行放大顯示，見圖4。該區(qū)域是一個人工加固的邊坡(圖4b，為邊坡實地拍攝的照片)，坡度較大。從監(jiān)測的結(jié)果(圖4a)看出，該區(qū)域的形變分布較不均勻，部分區(qū)域形變速率較大，部分區(qū)域形變速率相對較小，形變嚴(yán)重的區(qū)域見圖4a中的紅色圓圈范圍，形變速度達(dá)到30 mm/y，在監(jiān)測時間段內(nèi)(20150529-20150916)累積形變達(dá)到了10 mm。根據(jù)本次InSAR結(jié)果，在后續(xù)的工作中，應(yīng)收集更多的SAR數(shù)據(jù)對換流站進(jìn)行長期有效的形變監(jiān)測，與此同時，可以對形變較大的幾處地方利用GPS或水準(zhǔn)進(jìn)行實地的形變測量。

從圖5中可以看，該換流站的平均高程在500 m左右，最大高程差達(dá)到近80 m，出現(xiàn)在換流站的中間位置。通過光學(xué)影像可以看出，在換流站的中站有幾棟高立的電力設(shè)施，而實際解算得到的精確DEM也顯示出這該區(qū)域的高程明顯高于旁邊，這也說明InSAR數(shù)據(jù)解算結(jié)果是相對可靠的。

4 結(jié)論

本文采用SBAS-InSAR技術(shù)對某特高壓換流站的7景TerraSAR-X影像進(jìn)行解算，獲得到了換流站2015年5月18日到2015年9月16日的平均形變速率以及精確的DEM，從監(jiān)測結(jié)果中顯示，區(qū)域最大的年形變速率達(dá)到了30 mm/y，且發(fā)生在換流站的邊緣，需要注意防范進(jìn)一步可能發(fā)生的災(zāi)害。本文研究結(jié)果表明，利用高分辨率SAR影像，可以有效地開展電力設(shè)施的形變監(jiān)測。

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