基于PS-InSAR的輸電塔結構及沿線地質(zhì)監(jiān)測技術

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）有限責任公司烏海超高壓供電局，內(nèi)蒙古 烏海 016000

0 引 言

輸電線路建設是國家基礎建設中重要的一環(huán)，輸電線路建設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)災害并導致輸電中斷，因此對于輸電設備的監(jiān)測維護十分重要[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備及沿線安全巡檢成為目前的研究熱點[2]。

通過無人機進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干涉技術對輸電線路進行監(jiān)測，星載合成孔徑雷達衛(wèi)星能夠通過發(fā)射電磁波對地表目標進行探測，由于雷達波段的波長較長，易穿越云層且不受天氣影響，能夠實現(xiàn)全天候觀測[4]。

目前，時間序列合成孔徑雷達干涉測量算法廣泛應用于地表沉降監(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，從而獲得沉降結果[5]。

永久散射體差分干涉測量（PS-InSAR）技術是在傳統(tǒng)合成孔徑雷達干涉技術上發(fā)展起來的一種時間序列合成孔徑雷達干涉測量算法，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。該技術能夠有效地對目標區(qū)域進行監(jiān)測，相比傳統(tǒng)基于水準監(jiān)測的方法，PS-InSAR技術能更有效地提取PS點，極大降低監(jiān)測成本，提高監(jiān)測效率[6]。隨著雷達衛(wèi)星分辨率的提升，PS-InSAR技術能夠得到研究區(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)及輸電塔結構開展監(jiān)測成為可能[7]。

WU等人提出了一種改進的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技術進行干涉相位統(tǒng)計分析，提取人工建筑高度信息并進行驗證，計算值與實測值結果吻合度較高[9]。王明洲等人對輸電走廊區(qū)域進行差分干涉測量處理，對走廊沉降區(qū)域進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在監(jiān)測大型人工線狀地物形變上的能力。實驗結果表明，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，對雷達衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行處理，通過提取研究區(qū)域內(nèi)形變相位和高程相位，獲得目標輸電結構高程信息和對應的形變信息，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，對干涉相位進行相關性分析，提取目標區(qū)域內(nèi)相關性高的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。考慮大氣延遲的影響，可根據(jù)相鄰PS點上空間自相關特性，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)構建網(wǎng)絡，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、傳感器到目標距、雷達入射角；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路線如圖1所示：

圖1 PS-InSAR技術路線圖Fig.1 PS-InSAR analysis flowchart

1）對目標區(qū)域根據(jù)時空基線連接情況進行主輔影像選擇，將主影像與輔影像之間配準，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）；結合區(qū)域DEM數(shù)據(jù)對干涉圖進行差分干涉處理，生成差分干涉圖，建立目標區(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)進行去平地和去地形效應，消除誤差影響。結合式（3）（4）進行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、水土流失嚴重的情況下易發(fā)生地質(zhì)災害，高壓電塔基礎結構易發(fā)生沉降，因此采用PS-InSAR技術對其結構及沿線地質(zhì)變化進行監(jiān)測。

本次研究采用的是TerraSAR-X雷達衛(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)域進行拍攝，共計20景影像，跨度達到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)閾值法進行區(qū)域內(nèi)PS點的選擇，選取影像當中振幅強度較高，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系數(shù)與設置好的相干性閾值進行比較，當像元間的相干系數(shù)大于設置的閾值條件時，將該像元提取至PS點。本次共計探測目標區(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技術獲取有效永久散射體點，該地區(qū)PS點的密度能夠達到500個/km2。相較于傳統(tǒng)水準監(jiān)測布點測量，PS-InSAR技術能夠對一些難以布設測量點位的位置進行監(jiān)測。相較于同等密度點位的布設，基于PS-InSAR技術更具有經(jīng)濟效應，可為觀測區(qū)域內(nèi)不同目標的形變分析提供客觀數(shù)據(jù)支持，進而實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)連續(xù)形變特征分析。

3 結果分析

3.1 線路整體結果分析

將選取的PS點進行差分干涉測量，得到研究區(qū)域時序形變速率圖，結果如圖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，在輸電線路兩側出現(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)的沉降速率結果進行分析，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。山脊兩側的3、4、5、6區(qū)域，分布在輸電線路兩側，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)滑坡災害的可能性大。

3.2 輸電塔結構形變監(jiān)測結果

輸電鐵塔結構形變監(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，進而獲得該點在空間位置的沉降信息。輸電塔結構PS點分布如圖7所示。

圖7 輸電塔結構PS點分布Fig.7 PS points distribution of a tower

提取輸電塔結構上的塔底、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)輸電塔結構各點沉降情況基本一致，最大值達到41 mm，說明輸電塔發(fā)生整體線性沉降，沒有側偏，輸電塔結構安全無沉降變形隱患。

圖8 輸電塔結構形變值Fig.8 Structure deformation of a tower

4 結 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，應用PS-InSAR技術獲得了時序沉降速率結果；通過對輸電沿線地域進行篩選，得到6處沉降顯著的區(qū)域；對輸電塔結構進行形變和高程信息處理，確認鐵塔沉降量在安全穩(wěn)定范圍內(nèi)。

2）目前，PS-InSAR技術多應用于山體滑坡泥石流等地質(zhì)災害監(jiān)中，本次研究驗證了PS-InSAR技術應用于輸電沿線區(qū)域和輸電塔自身結構監(jiān)測的可行性和有效性，對于保護輸電塔結構，減少因地質(zhì)災害造成損失提供了技術支撐，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途徑。