基于InSAR 技術(shù)的管道地質(zhì)災(zāi)害隱患排查研究

楊永超，白玉江，王利民，徐連彬

（1.國家管網(wǎng)集團(tuán)有限公司天津天然氣管道有限責(zé)任公司，天津；2.北京中盈安信技術(shù)服務(wù)股份有限公司，北京）

引言

油氣管道是我國重要的能源運(yùn)輸命脈，管道安全對保障國家能源安全戰(zhàn)略有著重要的意義。管道周邊的地質(zhì)災(zāi)害是影響管道安全的重要因素，如填海段沉降、山體滑坡、泥石流、采空區(qū)塌陷、黃土濕陷等，都會對管道運(yùn)行安全帶來極大的風(fēng)險。通過對地表沉降監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，以采取預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的措施，避免地質(zhì)災(zāi)害帶來的危害。

天津市因其開采地下水、開發(fā)建設(shè)等，使得地表沉降成為天津城市安全面臨的最主要的威脅之一。朱子林等，利用30 景Sentinel-1A 數(shù)據(jù)，獲取了天津市2017-2019 年年平均沉降速率，同時分析了沉降的時空特征，發(fā)現(xiàn)地表沉降受地下水開采、城市基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展以及工業(yè)用地量、人為活動等方面因素影響明顯[1]。目前地表形變監(jiān)測主要還是依賴于傳統(tǒng)手段，包括水準(zhǔn)測量和GNSS 測量，這些方法可以快速得獲取地表的形變信息，然而這些方法他們的空間分辨率很低，同時對于水準(zhǔn)測量來說，距離越長誤差傳播越大。針對天津地面沉降的現(xiàn)象，許多學(xué)者利用不同技術(shù)和方法對天津以及其周圍區(qū)域進(jìn)行了沉降監(jiān)測研究，從不同的角度對天津沉降機(jī)制進(jìn)行解譯[2-4]。孫偉等基于Sentinel-1A 數(shù)據(jù)獲取了某輸油管道的地表形變信息，并對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了分析，表明了SBAS-InSAR 技術(shù)在山區(qū)、丘陵地區(qū)可以有效為地質(zhì)災(zāi)害孕育發(fā)展過程給出參考[5]。

本研究擬選取易發(fā)生沉降的天津南港工業(yè)園內(nèi)約30 公里試驗段，結(jié)合傳統(tǒng)監(jiān)測手段，對InSAR 技術(shù)在管道周邊沉降監(jiān)測展開可行性、經(jīng)濟(jì)性研究。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

雷達(dá)數(shù)據(jù)憑借其出色的性能，拍攝不受云霧影響，可以全天時獲取數(shù)據(jù)。本研究選用Sentinel-1a 數(shù)據(jù)108 期，時間跨度為2017 年6 月-2020 年6 月，RADARSAT-2 數(shù)據(jù)15 期，時間跨度為2020 年12月-2021 年11 月，見表1。

表1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)基本參數(shù)

1.2 研究方法

InSAR 技術(shù)是由最少兩景SAR 數(shù)據(jù)由于D-In－SAR 技術(shù)在分析效果上具有局限性，無法滿足高精度工程測量的精度要求，本項目獲取的Sentinel-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)及Radarsat-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，能夠滿足時序InSAR 處理的需求，但監(jiān)測區(qū)內(nèi)水面覆蓋較為嚴(yán)重，在提取PS點(diǎn)（永久散射體）時，提取點(diǎn)數(shù)量太少，難以滿足解算要求，故此采用SBAS-InSAR 技術(shù)對影像數(shù)據(jù)集進(jìn)行定量分析，估算形變中心的形變速率等數(shù)值。

本文采用小基線集技術(shù)（SBAS-InSAR）進(jìn)行處理分析，采用最小二乘方法求解時間序列形變值，是一種基于多主影像的雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)，采用短時空基線原則選擇參與計算的干涉對，保證了影像間的相干性。假設(shè)差分干涉相位中只包含地表形變值和隨機(jī)噪聲成分，那么差分干涉相位可表示為：

2 實(shí)驗結(jié)果及分析

2.1 研究區(qū)沉降速率分析

以管線為中心，向兩邊各做500 m 緩沖區(qū)進(jìn)行分析，從形變速率和累積形變量來看，管道途徑區(qū)域，地表狀態(tài)總體趨于平穩(wěn)，最大沉降速率68.8 mm/a，最大抬升速率88.8 m/a，最大累計沉降量41.2 mm，最大累積抬升量71.1 mm，共找出7 處形變較為明顯的區(qū)域，見圖1。

圖1 Radarsat-2 數(shù)據(jù)形變速率結(jié)果

形變區(qū)1 位于北大港水庫，監(jiān)測時間段內(nèi)呈現(xiàn)抬升的趨勢，主要在2018 年1 月至2019 年1 月之間，監(jiān)測時間段內(nèi)累計抬升量6.3 cm，從19 年6 月至今累積抬升1 cm，從結(jié)果看，目前處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。該區(qū)域Radarsat-2 數(shù)據(jù)未覆蓋該區(qū)域。

形變區(qū)2 監(jiān)測時間段內(nèi)平均沉降速率2.6 cm/a，最大沉降速率4.1 cm/a，監(jiān)測時間段內(nèi)累計沉降量8.9 cm，從歷史光學(xué)影像看，該區(qū)域可能是由于人類活動引起的地面沉降。

形變區(qū)3 最大沉降速率5.1 cm/a，主要在2019年1 月-6 月之間，監(jiān)測時間段內(nèi)累計沉降量8 cm。結(jié)合光學(xué)影像看，該區(qū)域存在小水塘，季節(jié)性的水量變化，可能對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

形變區(qū)4 平均沉降速率3.5 cm/a，從2017 年8月開始，該區(qū)域呈現(xiàn)持續(xù)沉降，監(jiān)測時間段內(nèi)累計沉降量12.3 cm。從光學(xué)影像未看出地表變化狀態(tài)，需結(jié)合高精度的SAR 數(shù)據(jù)以及水準(zhǔn)監(jiān)測手段對該區(qū)域重點(diǎn)關(guān)注。

形變區(qū)5 監(jiān)測時間段內(nèi)呈現(xiàn)沉降的趨勢，平均沉降速率1.8 cm/a，從2017 年1 月至2019 年6 月，呈現(xiàn)出線性沉降的趨勢，從2019 年6 月至今，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測時間段內(nèi)累計沉降量6.1 cm。Radarsat-2結(jié)果顯示2020 年12 月-2021 年11 月，該區(qū)域處于穩(wěn)點(diǎn)狀態(tài)。結(jié)合光學(xué)影像看，該區(qū)域管道距離道路較近，需重點(diǎn)關(guān)注。

形變區(qū)6 位于閥室2 北側(cè)，2020 年12 月-2021年11 月最大形變量為65.9 mm，年平均沉降速率75.9 mm/a，目前沉降有趨于緩慢的趨勢。

形變區(qū)7 位于管線周邊，最大形變量為46.1 mm，年平均沉降速率為54 mm/a，從光學(xué)影像看，該區(qū)域為新修建的公路，由于距離管線較近，需關(guān)注其對管線運(yùn)營的影響。

2.2 結(jié)果對比分析

Sentinel-1 結(jié)果與監(jiān)測站結(jié)果的對比結(jié)果中看出，兩者的總體趨勢能較好的保持一致，但細(xì)節(jié)部分存在一定差異，主要是由于填海區(qū)域水面雜波噪聲，以及管道周邊持續(xù)施工等影響，部分水準(zhǔn)點(diǎn)被水面覆蓋的情況，從不同時期Google earth 影像上看，管道途徑部分區(qū)域長期被水面覆蓋。兩種監(jiān)測手段的總體符合情況上看，說明了InSAR 技術(shù)在管道地質(zhì)災(zāi)害隱患排查方面的有效性，見圖2。

圖2 水準(zhǔn)點(diǎn)分布圖

與2021 年天津南港填海段地面沉降監(jiān)測站J1-J6，通過傳統(tǒng)的GPS 測量技術(shù)觀測的管線周邊地表沉降監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析、相互檢驗。監(jiān)測周期內(nèi)由于施工擾動變化較大監(jiān)測站形變量值不連續(xù)，從總體趨勢看，前期處于沉降狀態(tài)，后期有輕微抬升，與In－SAR 結(jié)果基本一致，見表2。

表2 基于InSAR 技術(shù)的管道地質(zhì)災(zāi)害隱患排查研究沉降表

同時為有效檢驗InSAR 實(shí)際地面沉降監(jiān)測情況，結(jié)合天津市南港區(qū)域每年的沉降情況，根據(jù)天津市二等水準(zhǔn)點(diǎn)分布情況, 選取現(xiàn)場相對穩(wěn)定的二等深埋點(diǎn)K002 作為觀測的基準(zhǔn)點(diǎn)，沿觀測路線依次經(jīng)過S27、S28、NG10、NG15 以及閥室2 附近的GPS 控制點(diǎn)。

S28 點(diǎn)水準(zhǔn)測量5 月和7 月均呈現(xiàn)抬升狀態(tài)，最大形變量為6.71 mm，InSAR 處理結(jié)果顯示該點(diǎn)位2020 年12 月-2021 年11 月期間總體處于抬升狀態(tài)，7 月-11 月趨于穩(wěn)定，最大形變量為5.6 mm。

NG10 點(diǎn)形變量為5.25 mm，InSAR 處理結(jié)果顯示該點(diǎn)位2020 年12 月-2021 年7 月期間持續(xù)沉降，最大沉降量為6.8 mm，7 月份后表現(xiàn)出回抬，與水準(zhǔn)結(jié)果相符。

GPS 控制點(diǎn)(003)點(diǎn)水準(zhǔn)測量值為7.49 mm，最大抬升量為9.05 mm，InSAR 處理結(jié)果顯示該點(diǎn)位2020年12 月-2021 年11 月期間先沉后抬狀態(tài)，最大沉降量為7.3 mm，最大抬升量為8.5 mm。

S27 點(diǎn)水準(zhǔn)測量值為8 mm，InSAR 處理結(jié)果顯示該點(diǎn)位呈現(xiàn)持續(xù)抬升狀態(tài)，7 月-11 月有稍微的回落，最大形變量為8.9 mm。

SS3 點(diǎn)水準(zhǔn)測量5 月累計沉降2.67 mm，11 月累計抬升3.72 mm，InSAR 處理結(jié)果顯示該點(diǎn)位2020 年12 月-2021 年11 月期間，最大沉降量為7.8 mm，最大抬升量為6.5 mm。

NG15 點(diǎn)水準(zhǔn)測量5 月和7 月均呈現(xiàn)沉降狀態(tài)，最大沉降量為13.5 mm，InSAR 處理結(jié)果顯示該點(diǎn)位2020 年12 月-2021 年11 月期間總體處于持續(xù)沉降狀態(tài)，最大沉降量為17.6 mm。

3 結(jié)論

采用2017 年1 月-2020 年6 月共104 期低分辨率Sentinel-1 數(shù)據(jù)及2020 年12 月-2021 年11 月共15 期高分辨率Radarsat-2 數(shù)據(jù)，采用時間序列InSAR分析技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解算，得到數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域地表形變速率圖及累計形變量圖，管道整體運(yùn)營狀況良好，途徑區(qū)域地表狀態(tài)總體趨于平穩(wěn)，形變最大區(qū)域分布在填海造地部分，從光學(xué)影像上看主要是由于人類建設(shè)活動所引起的；填海區(qū)域由于仍在動工建設(shè)，且很多區(qū)域被水面覆蓋，使得InSAR 干涉對受失相干影響；在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)6 個水準(zhǔn)點(diǎn)位，并在2020 年12月-2021 年11 月期間開展3 次二等水準(zhǔn)測量任務(wù)，獲取水準(zhǔn)點(diǎn)高程值；將InSAR 分析結(jié)果與監(jiān)測站數(shù)據(jù)及水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果對比，整體吻合性較高，整體趨勢較為一致，體現(xiàn)出InSAR 技術(shù)在管道地質(zhì)災(zāi)害隱患排查方面的有效性，該技術(shù)為管道周邊大范圍區(qū)域開展地質(zhì)災(zāi)害隱患識別提供經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)手段。

結(jié)束語

本文采用108 期Sentinel-1 和15 期Radarsat-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用時序InSAR 技術(shù)對管道沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行排查，并將InSAR 結(jié)果與GNSS 測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證了InSAR 技術(shù)在管道地質(zhì)災(zāi)害隱患排查中的有效性，可以很好的節(jié)省人力物力，并且做出定期持續(xù)的觀測，為管道安全運(yùn)營給出重要性建議。