基于PS-InSAR線路工程地質(zhì)災(zāi)害識別監(jiān)測研究

摘 要：【目的】獲取豫西某500 kV線路及其周邊礦區(qū)時序形變特征，識別由地面形變沉降引起的地質(zhì)災(zāi)害隱患點?！痉椒ā坎捎?020年1月至2021年7月間覆蓋豫西某500 kV線路及其周邊礦區(qū)的38景升軌 Sentinel1A 衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)源，借助永久散射體干涉測量技術(shù)（PS-InSAR）對該區(qū)域進(jìn)行地面形變監(jiān)測分析。PS-InSAR方法能夠有效地減弱時空失相干擾和大氣效應(yīng)引起的誤差，提高地面形變監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性?！窘Y(jié)果】該區(qū)域整體表現(xiàn)為緩慢性沉降，在柏林村-王河村-岳寨村區(qū)域形成了明顯的沉降漏斗，最大形變速率達(dá)到了-10.23 mm/y?！窘Y(jié)論】結(jié)合野外調(diào)查得到的地質(zhì)災(zāi)害隱患點分布情況進(jìn)行分析，該區(qū)域在采礦、降雨、地下水等多種因素的作用下發(fā)生緩慢性沉降且隨著對該區(qū)域的持續(xù)開發(fā)，整體形變量有繼續(xù)增加的趨勢。

關(guān)鍵詞：PS-InSAR；地質(zhì)災(zāi)害；識別監(jiān)測；Sentinel-1A

中國分類號：P237" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）22-0100-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.021

Research on the Identification and Monitoring of" Geological Disaster in a Pipeline Project Based on Permanent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar（PS-InSAR）

Abstract：[Purposes] This paper aims to obtain temporal deformation characteristics of a 500 kV line and its surrounding mining area in western Henan Province， and to identify hidden geological hazards caused by ground deformation and subsidence. [Methods] The 38 elevation orbit Sentinel1A satellite images covering a 500 kV line and its surrounding mining area in western Henan Province from January 2020 to July 2021 were used as data sources to monitor and analyze the ground deformation in this area by means of PS-INSAR which can effectively reduce the errors caused by temporal and spatial out-of-phase interference and atmospheric effects， and improve the accuracy of ground deformation monitoring results. [Findings] The overall subsidence of the region was slow， and an obvious subsidence funnel was formed in the Berlin village-Wanghe village-Yuezhai village area， with a maximum deformation rate of -10.23mm/y. [Conclusions] Based on the analysis of the distribution of geological hazard points obtained from the field investigation， the slow subsidence occurred in this area under the action of multiple factors such as mining， rainfall and groundwater， and the overall shape variable continued to increase with the continuous development of this area.

Keywords：PS-InSAR; geological hazard; identification of monitoring; Sentinel-1A

0 引言

豫西是河南省典型的綜合能源基地，隨著裝機(jī)規(guī)模的增加，電力盈余進(jìn)一步增大，豫西外送斷面壓力也將持續(xù)加劇。針對豫西電力外送受限問題，國網(wǎng)河南省電力公司實施了“豫西-豫中電網(wǎng)優(yōu)化線路工程”，以實現(xiàn)豫西外送斷面擴(kuò)容和外送能力提升的規(guī)劃目標(biāo)。對該工程的安全監(jiān)測意義重大，如不定期監(jiān)測，失事風(fēng)險將無法全面控制。

目前線路工程的安全監(jiān)測主要通過無人機(jī)巡檢、GPS測量和重點區(qū)域埋設(shè)傳感器等方式進(jìn)行，空間采樣密度較低，只能獲得局部點狀沉降，難以掌握非測量點處的形變信息和線路整體連續(xù)的形變趨勢［1］，且人力、物力成本高，難以維護(hù)，急需低成本大范圍的線路工程地質(zhì)災(zāi)害識別監(jiān)測的新方法。具有面域形變監(jiān)測能力的合成孔徑雷達(dá)干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術(shù)為大范圍、高精度安全監(jiān)測提供了一種新思路［2-3］。近年來，Hooper等［4］提出的永久散射體干涉測量技術(shù)（Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar，PS-InSAR）可獲得毫米級的監(jiān)測精度，推動了InSAR技術(shù)在算法研究［5］、地表沉降［6］、災(zāi)害預(yù)警［7］、凍土形變［8］等領(lǐng)域取得重大突破。InSAR技術(shù)作為一項重要的監(jiān)測技術(shù)，在大型線狀地物沉降監(jiān)測方面得到了廣泛的認(rèn)可，葛大慶等［9］對上海地鐵10號線地面沉降進(jìn)行監(jiān)測，利用Cosmo-Skymed高分辨率數(shù)據(jù)監(jiān)測地面時空變化特征，相關(guān)成果對地鐵建設(shè)和運(yùn)營提供重要參考；在地表沉降監(jiān)測方面，許強(qiáng)等［10］采用InSAR技術(shù)對延安新區(qū)發(fā)展趨勢對比說明，表明該區(qū)域沉降分為瞬時-固結(jié)-次固結(jié)三個階段。上述相關(guān)研究表明InSAR技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測大型線狀地物地表時空變化特征的有效性。

本研究利用永久性散射體干涉測量技術(shù)獲取2020年1月至2021年7月間線路及其周邊礦區(qū)時序形變特征，借助野外調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害點進(jìn)行識別分析，以期為線路工程大范圍地質(zhì)災(zāi)害識別監(jiān)測提供實用價值。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

豫西500 kV線路工程線路路徑長約110 km，途經(jīng)鄭州市惠濟(jì)區(qū)、高新區(qū)、滎陽市、鞏義市和洛陽市偃師區(qū)（如圖1所示）。該線路從鞏義市區(qū)東南方向大峪溝鎮(zhèn)穿插而過，而大峪溝鎮(zhèn)地處山區(qū)，地勢南北高、中間低且區(qū)域內(nèi)分布有以煤炭、耐火材料為主的工廠和礦區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅在北山公園330 km2的范圍內(nèi)就分布了大大小小數(shù)十個礦區(qū)。長時間的采礦工作必然導(dǎo)致大量的采空區(qū)，這些采空區(qū)受多種荷載及自然因素的影響，其安全形態(tài)具有復(fù)雜性及多變性，一旦發(fā)生安全事故，將會帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用2020年1月至2021年7月共38景Sentinel-1A數(shù)據(jù)進(jìn)行豫西500 kV線路工程鞏義段的形變監(jiān)測。選取2020年11月10日獲取的影像作為主影像，其余影像作為從影像與主影像進(jìn)行后續(xù)配準(zhǔn)、干涉、反演等處理過程，影像空間和時間基線參數(shù)見表1。為提高監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果精度，選用30 m分辨率的SRTM DEM作為InSAR處理流程中的地形相位去除參考數(shù)據(jù)。

地質(zhì)災(zāi)害驗證數(shù)據(jù)為截至2022年8月該區(qū)域收集到的地質(zhì)災(zāi)害點（滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降）的發(fā)生時間，規(guī)模，物質(zhì)組成等相關(guān)信息。

1.3 研究方法

PS-InSAR技術(shù)經(jīng)長時間序列篩選，選取影像中反射性高的穩(wěn)定點作為PS 點，根據(jù)選取點的相位信息將地形、大氣、平地等影響SAR影像相干性的相位分離出來，產(chǎn)生反映地形變化明顯的相位信息。永久散射體點的選取采用振幅標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值，該值的大小決定PS點的穩(wěn)定性，試驗選取振幅離差值高的點作為有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 PS-InSAR形變監(jiān)測結(jié)果分析

研究區(qū)域監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。其中圓點代表InSAR監(jiān)測有效相干點，點顏色代表年平均形變速率，其中白色點（負(fù)值）表示目標(biāo)沿著LOS方向向衛(wèi)星反方向移動，綠色點代表較為穩(wěn)定的區(qū)域，黑色點表示目標(biāo)沿著LOS方向向衛(wèi)星方向移動。

由圖3可知，提取到的 PS 監(jiān)測點主要集中在居民地附近和露天礦山區(qū)域。整個監(jiān)測區(qū)域存在不同程度的地表形變，整體表現(xiàn)為緩慢性沉降，在A區(qū)域（柏林村-王河村-岳寨村）明顯的沉降漏斗，最大形變速率達(dá)到了-10.23 mm/y。部分監(jiān)測區(qū)域出現(xiàn)了數(shù)據(jù)空值，這一現(xiàn)象是由于該區(qū)域有大量的植被覆蓋，影響了 PS-InSAR 結(jié)果的準(zhǔn)確性，其他原因是形變量過大，超過了 PS-InSAR 所探測的閾值。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)對比分析

通過實際野外調(diào)查統(tǒng)計得知，該區(qū)域共有9個崩塌隱患點，6個滑坡隱患點，無泥石流、地面塌陷、地裂縫情況發(fā)生。以距離線路最近的藍(lán)天采場崩塌隱患點和矸石堆滑坡隱患點為例分析地質(zhì)災(zāi)害隱患點對線路的影響。

藍(lán)天采場崩塌隱患點位于薛莊6組區(qū)域，距離線路直線距離約185 m，為最近的崩塌隱患點，中心坐標(biāo)為東經(jīng)113°060′278″，北緯34°7′，上伏為Qp2粉質(zhì)黏土，約3 m厚；下伏為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r。雖然目前未發(fā)生崩塌情況，但該區(qū)域處在小關(guān)鋁礦采空區(qū)范圍內(nèi)，年均降雨量約為536 mm，地震烈度7級，現(xiàn)已發(fā)生巖石破碎、掉落的情況，需要重點監(jiān)測，必要時進(jìn)行適當(dāng)支護(hù)工作，目前對線路基本沒有影響。

藍(lán)天采場崩塌隱患點時序監(jiān)測形變曲線如圖4所示。由圖4可知，該崩塌隱患點在研究時間范圍內(nèi)一直處于波動狀態(tài)，該滑坡隱患點年均形變速率為-8.14 mm/y，2020年1月3日至2021年7月8日期間，累計形變量為19.41 mm。通過時序監(jiān)測形變曲線側(cè)面驗證了該隱患點的產(chǎn)生是由于地表在采礦、降雨、地下水等多種因素的作用下發(fā)生的微小沉降。

矸石堆滑坡隱患點位于王河村6組區(qū)域，距離線路直線距離約428 m，為最近的滑坡隱患點，中心坐標(biāo)為東經(jīng)113°107′222″，北緯34°740′833″，滑坡類型為推移式滑坡，坡度35°，坡向300°，預(yù)測滑坡面積約1 750 m2，滑坡體積約59 500 m3。由于該區(qū)域存在大量植被，該隱患點僅上部邊緣部分存在拉張裂縫情況，整體情況仍處于初始蠕變階段。但需要注意的是，該區(qū)域同樣處在煤炭采空區(qū)范圍內(nèi)，年均降雨量約為536 mm，地震烈度7級，同樣需要重點監(jiān)測，必要時進(jìn)行適當(dāng)支護(hù)工作，目前對線路基本沒有影響。

矸石堆滑坡隱患點時序監(jiān)測形變曲線如圖5所示。由圖5可知，該滑坡隱患點在研究時間范圍內(nèi)同樣處于波動狀態(tài)，該滑坡隱患點最大形變速率為-7.9 mm/y，2020年1月3日至2021年7月8日期間，累計形變量為20.89 mm。通過時序監(jiān)測形變曲線側(cè)面驗證了該隱患點的產(chǎn)生是由于地表在采礦、降雨、地下水等多種因素的作用下發(fā)生的微小沉降。

3 結(jié)論

本研究通過馬寺-惠濟(jì)500 kV線路工程地質(zhì)災(zāi)害識別監(jiān)測這一典型案例，研究了長時間序列下線路工程變形的時空特征，驗證了PS-InSAR技術(shù)應(yīng)用于線路工程監(jiān)測的可行性。利用Sentinel-1A衛(wèi)星獲取的2020年1月至2021年7月間的影像數(shù)據(jù)集進(jìn)行PS-InSAR分析，最大形變量達(dá)到10.23 mm。結(jié)合收集到的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)驗證可知，該區(qū)域雖未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，但存在微小的形變，隨著對該區(qū)域的持續(xù)開發(fā)，整體形變量有繼續(xù)增加的趨勢。監(jiān)測成果充分表明時序InSAR技術(shù)能夠獲取更高密度的測量點，多尺度識別變形顯著的位置，且監(jiān)測精度高，可在大范圍線路工程運(yùn)營過程中發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］王艷， 廖明生， 李德仁， 等. 利用長時間序列相干目標(biāo)獲取地面沉降場［J］. 地球物理學(xué)報，2007（2）：598-604.

［2］劉輝， 靳國旺， 張紅敏， 等. DEM輔助的山區(qū)InSAR相位解纏［J］. 測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報， 2017， 34（2）： 215-220.

［3］劉輝， 徐青. DEM輔助的零中頻多基線InSAR干涉處理［J］. 河南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2018， 46（5）： 42-47.

［4］HOOPER A， ZEBKER H， SEGALL P， et al. A New Method for Measuring Deformation on Volcanoes and Other Natural Terrains Using InSAR Persistent Scatterers［J］.Geophysical Research Letters， 2004， 31（23）：L23611.

［5］葛大慶， 殷躍平， 王艷， 等. 地面沉降-回彈及地下水位波動的InSAR長時序監(jiān)測：以德州市為例［J］. 國土資源遙感， 2014， 26（1）：103-109.

［6］廖明生， 王茹， 楊夢詩， 等. 城市目標(biāo)動態(tài)監(jiān)測中的時序InSAR分析方法及應(yīng)用［J］. 雷達(dá)學(xué)報， 2020， 9（3）：409-424.

［7］王成，陳富龍，周偉，等.南京明城墻序貫PSInSAR形變估計［J］.遙感學(xué)報，2021，25（12）：2381-2395.

［8］洪兆陽， 金雙根. 利用時序PS-InSAR監(jiān)測青藏高原凍土區(qū)地表形變［J］. 測繪通報， 2021（1）：35-40.

［9］葛大慶， 張玲， 王艷， 等. 上海地鐵10號線建設(shè)與運(yùn)營過程中地面沉降效應(yīng)的高分辨率InSAR監(jiān)測及分析［J］. 上海國土資源， 2014， 35（4）：62-67.

［10］許強(qiáng)， 蒲川豪， 趙寬耀， 等. 延安新區(qū)地面沉降時空演化特征時序InSAR監(jiān)測與分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版）， 2021， 46（7）：957-969.