利用InSAR技術監測采礦區地表輸電鐵塔時序形變

康 鑫，朱珺，耿留勇

(中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410007)

利用InSAR技術監測采礦區地表輸電鐵塔時序形變

康 鑫，朱珺，耿留勇

(中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410007)

針對傳統輸電鐵塔形變監測和風險評估存在的局限，本文提出利用合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技術監測采礦區地表輸電鐵塔的時序形變。首先，將覆蓋輸電鐵塔時間相鄰的SAR影像生成差分干涉圖，然后，剔除InSAR監測形變中大氣相位、軌道誤差、高程殘差等因素的影響，最后，通過累加各時間段內的形變獲取輸電鐵塔的時序形變。以山西某礦區地表兩座輸電鐵塔為例，利用本文方法監測了其時序變形，結果表明，兩座鐵塔在2007年7月至2009年2月期間一直處于下沉狀態，其最大累計形變分別達到了0.23 m和0.11 m。為了保證輸電線路的安全運行，需對其進行防護和控制處理。

InSAR；采礦區；時序形變；誤差相位剔除；輸電鐵塔。

1 概述

維護輸電線路的安全運行是國民經濟穩定發展的重要保障。輸電鐵塔作為輸電線路的重要組成部分，監測其變形并以此提前評估和控制潛在的風險對確保輸電線路正常運行起至關重要的作用。由于受到各種條件限制，部分輸電線路不可避免地經過地下采礦區，如我國的晉東南—南陽—荊門1 000 kV特高壓輸電線路僅在山西境內就有90 km長的線路經過采煤區。然而，地下開采如果不回填就形成了采空區，采空區容易導致地表發生劇烈且迅速的塌陷和變形，嚴重威脅位于采空區地表的輸電鐵塔的安全。因此，做好采礦區地表輸電鐵塔的變形監測是維護輸電線路穩定運行的重要保障措施。

對于采礦區地表輸電鐵塔的變形監測，傳統的方法主要利用數值模擬方法，如FLAC3D、ANSYS等，預計輸電鐵塔的潛在變形并以此評估可能的破壞風險。然而，數值模擬法是基于一定假設建立起的理論模型，其與實際情況存在差異，因此可能導致輸電鐵塔風險的低估或高估，從而威脅輸電線路安全或造成不必要的資源浪費。另外，其評估精度遠低于利用實地測量。然而，若利用傳統測量手段(如GPS、全站儀、水準儀等)監測坐落于礦區地表的鐵塔則會費時費力，且效率較低。

合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)技術作為一種全新的遙感技術，在采礦區形變監測中成功應用. 相對于傳統方法，InSAR技術具有如下優勢：(1)該技術為全天候、全天時觀測、無接觸式測量，克服了傳統測量受天氣影響較大等局限；(2)覆蓋范圍較大(如標準ALOS PALSAR影像大約覆蓋70 km×70 km)，該技術能一次監測幾十甚至上百座輸電鐵塔的變形，監測效率高；(3)InSAR能夠提供變形區域的“面狀”形變數據，而不是傳統測量手段監測的少量離散點。鑒于以上傳統測量手段無法比擬的優勢，本文提出利用InSAR技術監測采礦區輸電鐵塔的時序變形。

2 采礦區輸電鐵塔InSAR時序形變監測方法

2.1 D-InSAR技術的基本原理

差分合成孔徑雷達干涉技術(Differential InSAR，D-InSAR)是目前較為成熟的InSAR技術之一。該技術通過處理兩景SAR影像的相位獲取該時間段內地表變形信息。根據文獻，差分干涉圖中的相位δφ可由以下公式描述：

式中：λ為雷達波長；Δd為影像獲取時間內地表形變；δφΔH為數字高程模型的高程殘差相位；δφatm為大氣延遲相位；δφorbit為軌道殘差相位；δφnoise為噪聲相位。

從式(1)中可以看出，差分干涉圖中不僅含有地表變形，還有如大氣延遲、軌道殘差、高程殘差等相位影響。因此，若想獲取采礦區地表輸電鐵塔的變形，需削弱非形變相位對差分干涉相位貢獻的影響。

2.2 采礦區輸電鐵塔InSAR時序形變監測

由于D-InSAR技術僅能獲取兩景影像獲取時間內的差分形變，而不是時序形變。因此，本文通過累加時間相鄰的兩景SAR影像獲取的差分形變監測采礦區輸電鐵塔的時序形變，其具體步驟如下：

(1)利用時間相鄰的兩景SAR影像獲取該時間段內的輸電鐵塔的差分干涉相位；

(2)對于每對差分干涉相位利用多項式擬合削弱軌道誤差和大氣相位延遲相位、基于高程殘差只與垂直基線有關的特點剔除高程殘差相位并利用InSAR濾波技術去除噪聲相位，從而得到該時間段內輸電鐵塔的變形；

(3)累加輸電鐵塔處的各時間段的形變，從而獲得了整個SAR影像時間段內的采礦區輸電鐵塔時序形變。

3 實驗與結果

3.1 實驗區域與SAR數據

本文選取山西省某煤礦(圖1紅色矩形)開采區地表兩座輸電鐵塔(見圖3 T-#1和T-#2)為研究對象。從圖1中可以看出，該地區主要以山地和丘陵為主，地形復雜，其高程從980 m到2106 m。

圖1 研究區域數字高程模型

為了監測該區域地下開采對地表輸電鐵塔造成的變形，本文選取了覆蓋該研究范圍的12景ALOS PALSAR影像按照時間相鄰原則組成11對InSAR干涉對，其結果見表1。

表1 PALSAR影像數據參數

3.2 采煤區InSAR時序形變獲取

首先，基于“二軌法”和SRTM DEM(圖1)將表1中的干涉對生成差分干涉圖，并使用最小費用流法解纏相位。之后，采用2.2中描述的大氣相位延遲、軌道誤差、高程殘差及噪聲相位的削弱方法校正解纏相位并將校正后的相位轉換為雷達視線向(Line of Sight, LOS)形變，其結果見圖2。

由于直接利用InSAR監測的采煤區形變為LOS方向，其為地表真實三維形變的合成。鑒于采煤區主要以下沉為主，因此，本文將忽略LOS方向水平移動貢獻而將LOS向形變直接轉換為下沉，即：

式中：W為下沉值；LOS為雷達視線向形變；θ為雷達入射角(本文取θ=38°)。

圖2 研究采煤區LOS向形變圖

3.3 輸電鐵塔的InSAR時序形變

為了清晰地呈現兩座輸電鐵塔的變形情況，繪制了鐵塔處的時序形變，其結果見圖3。

圖3 輸電鐵塔時序形變

從圖3中看以看出，在2007年7月1日至2009年2月18日期間，輸電鐵塔#1和#2一直處于下沉過程，在該時間段內，兩座鐵塔的最大累計形變分別為0.23和0.11 m。該結果表明為了保證輸電線路的安全運行，需對兩座鐵塔進行一定的防護和控制處理。

4 結論

本文提出利用InSAR技術監測采礦區地表輸電鐵塔的時序變形，大大克服了傳統監測方法存在的局限，提高了監測效率。最后，選用山西某礦區采空區上2座輸電鐵塔為研究對象，利用12景PALSAR數據監測了其在該時間段內的時序形變。通過實驗發現，在2007年7月1日至2009年2月18日，兩座鐵塔一直處于下沉狀態，其最大累計沉降值分別達到了0.23 m和0.11 m。為了保證輸電線路的安全運行，需對其進行防護和控制處理。

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Application of InSAR Technique to Monitor Time-series Displacements of Transmission Towers Located in Mining Area

KANG Xin, ZHU Jun, GENG Liu-yong
(China Energy Engineering Group Hunan Electric Power Design Institue Co., Ltd, Changsha 410007, China)

This paper proposed a method for measuring time-series deformation of transmission towers located in mining area on the basis of Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR)technique, in order to reduce the limitations of traditional approaches for monitoring and assessing transmission tower. More specifically, we firstly generated differential interferograms with time-adjacent SAR images and then removed the error phases besides ground deformation with some strategies. Then, the time-series deformation of transmission towers was obtained by summing the corrected phases. Taking two transmission towers located on a mining area of Shanxi province, China as an example, and monitoring their time-series deformation utilizing the proposed method. The results indicate that the two towers have subsiding during July 2007 to February 2009 and the maximum subsidence is 0.231 m and 0.11 m, respectively. A few protection and control measures should be imposed to ensure the safety of transmission lines.

InSAR; mining area; time-series deformation; error phase elimination; transmission tower.

P2

B

1671-9913(2017)02-0011-04

2015-05-13

康鑫(1970- )，男，湖南平江人，教授級高級工程師，長期從事勘測工作。