基于差分干涉的大理“5.21”震后地質(zhì)形變分析及其對電網(wǎng)設(shè)施影響

耿浩，沈龍，馬儀，周仿榮，潘浩，文剛

（電力遙感技術(shù)聯(lián)合實驗室（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院），昆明 650217）

0 前言

云南省地處我國西南邊陲，占地面積38.32萬平方千米。自然條件復(fù)雜，低緯度，高海拔，受季風(fēng)氣候影響，形成了年溫差小、日溫差大、干濕分明、河流分布眾多、河流縱橫交錯的地形地貌[1]。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，云南省主要遭受的地質(zhì)災(zāi)害為地質(zhì)沉降、地震、滑坡、泥石流等。地質(zhì)沉降是土體孔隙壓縮在地面的反應(yīng)，具有發(fā)生速度緩慢、積累時間長、影響范圍廣、一經(jīng)發(fā)生極難恢復(fù)等特點[2]，云南電網(wǎng)輸電線路覆蓋區(qū)域廣闊，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是承擔(dān)著向各行各業(yè)輸送電能的基礎(chǔ)設(shè)施，沿途氣象、地理環(huán)境復(fù)雜，容易受到極端地質(zhì)災(zāi)害的影響，電網(wǎng)設(shè)備及其本體長期在這種環(huán)境中會受到擾動，主要影響包括地質(zhì)災(zāi)害造成的劇烈形變或長久緩慢形變地質(zhì)變化引起的電網(wǎng)設(shè)備本體產(chǎn)生形變，這種形變或多或少會對電網(wǎng)安全產(chǎn)生影響，嚴重時造成塔桿傾斜、倒塌等事故，對電網(wǎng)系統(tǒng)造成的破壞較為突出，地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的電網(wǎng)大面積停電風(fēng)險始終存在，這給當(dāng)?shù)厣鐣爸苓厙业纳鐣€(wěn)定及經(jīng)濟繁榮造成很大的威脅。

近年來，隨著衛(wèi)星數(shù)據(jù)的增多及相應(yīng)數(shù)據(jù)獲取難度的降低，差分干涉測量技術(shù)（DInSAR）逐漸被用于地表形變的監(jiān)測[3-6]，InSAR相較于傳統(tǒng)實地調(diào)查、人工排查及群防群測等人力為主的監(jiān)測手段，具有遠程監(jiān)測、范圍廣、成本低、高分辨率等特點，為我國西南地區(qū)地災(zāi)監(jiān)測提供了新手段[7-10]。由于衛(wèi)星遙感技術(shù)覆蓋范圍廣，相對GPS水準測量只能在若干點建立水準觀測點來說，SAR圖像覆蓋范圍廣，有效監(jiān)測點多，獲得的形變信息更精細；安全系數(shù)高，相對與傳統(tǒng)實地勘測，針對云南省地形復(fù)雜多山地地震、地質(zhì)沉降及滑坡等自然災(zāi)害的現(xiàn)實情況，實地勘測人員成本高，且有些地區(qū)環(huán)境險峻，不容易或無法由勘測人員進行現(xiàn)場勘測。相關(guān)的InSAR 技術(shù)被各行各業(yè)用于大范圍、高精度獲取地表短周期內(nèi)空間連續(xù)的地表形變信息，作為防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)的基本技術(shù)手段。

本文基于DInSAR技術(shù)，選取2景Sentinel-1A降軌數(shù)據(jù)分析大理漾濞縣“5.21”地震對云南電網(wǎng)的影響，可為電網(wǎng)的防災(zāi)減災(zāi)提供有力的支持。

1 DInSAR基本技術(shù)原理

DInSAR技術(shù)的幾何原理，如圖。

圖1 DInSAR幾何原理示意圖

SAR影像是復(fù)數(shù)影像，其中記錄了每個地表分辨單元的散射強度信息和相位信息。設(shè)C1和C2分別代表地面同一分辨單元在兩景SAR影像上的復(fù)數(shù)值，則：

其中，A1、A2是C1、C2的強度值，φ1、φ2是C1、C2的相位值。地表分辨單元的干涉相位記為φ，則：

式中，φ存在整周模糊數(shù)問題，須使用相位解纏方法求得整周模糊數(shù)。

SAR相位觀測值φi(i=1,2)可表示為：

式中，λ表示雷達波長；ρi表示雷達波的單程傳播距離；ζi表示分辨單元散射特性相關(guān)的相位延遲。SAR相位觀測值φi(i=1,2)受雷達波傳播的距離和地面分辨單元的散射特性這兩個因素的影響。

假設(shè)SAR兩次成像地表分辨單元的散射性質(zhì)不變，即ζ1=ζ2。則干涉相位φ：

式中，Δρ表示包含多種因素導(dǎo)致的雷達波單程傳播距離之差，主要包含5部分內(nèi)容，即參考橢球?qū)е碌木嚯x差、地形起伏導(dǎo)致的距離差、地表形變導(dǎo)致的距離差、大氣效應(yīng)影響的距離差以及各種噪聲引起的距離差，5種距離差分別引起的干涉相位分別為平地相位φflat、地形相位φtopo、形變相位φdefo、大氣相位φatm、噪聲相位φnoi，將5種分量帶入得干涉相位φ：

綜上，去除平地相位φfla、地形相位φtopo、大氣相位φatm、噪聲相位φnoi等即可獲得真實的形變相位，進而反演地表形變量。

2 案例分析

某縣（北緯25.67度，東經(jīng)99.87度）發(fā)生6.4級地震，震源深度8公里。地震中心位置如圖2所示。

圖2 地理位置圖

針對漾濞地震，選擇哨兵1號降軌數(shù)據(jù)作為地質(zhì)形變分析數(shù)據(jù)，其中5月10日（震前）獲取的SAR影像為主影像，5月22日（震后）獲取的SAR數(shù)據(jù)作為副影像，采用DInSAR技術(shù)進行分析。干涉對SAR數(shù)據(jù)時間基線為12天，空間基線為-51.709 m，合理的時間、空間基線保證了較好的干涉相關(guān)性。

表1 DInSAR參數(shù)表

圖4 去平后干涉圖

圖5 濾波后干涉圖

由圖3-圖6可知，原始干涉圖在經(jīng)過去平、濾波及解纏等處理后，干涉條紋較為清晰平滑。由圖7可知，震區(qū)相干系數(shù)較大，均值在0.52以上，最終效果較好。

圖3 干涉圖

圖6 相位解纏結(jié)果

圖7 相干系數(shù)直方圖

由圖8及圖9可知，本次地震發(fā)生的位置，存在兩個方向相反的形變區(qū)，西南側(cè)沉降，東北側(cè)抬升，形變量在10 cm左右。在地表抬升位置，分布有新雪漾線T接線、茅下漾線T接線、新雪漾線等110 kV線路，應(yīng)該加強線路桿塔沉降巡視，震區(qū)無220 kV及以上線路。

圖8 地質(zhì)沉降分布圖

圖9 漾濞地質(zhì)沉降分布圖

3 結(jié)束語

本文使用2景Sentinel-1A降軌數(shù)據(jù)進行大理漾濞縣地震形變分析及其評估對電網(wǎng)設(shè)施的影響，得出以下結(jié)論：

1）分析結(jié)果顯示本次地震存在兩個相反方向的形變區(qū)，震區(qū)地質(zhì)形變量在10 cm左右；

2）云南電網(wǎng)無220 kV及以上設(shè)備分布于形變區(qū)，存在3條110 kV輸電線路跨越形變區(qū)，分別為新雪漾線T接線、茅下漾線T接線、新雪漾線。為此，根據(jù)形變分析結(jié)果，后續(xù)運維過程應(yīng)該加強對上述3條線路的現(xiàn)場勘察，以防出現(xiàn)震后次生災(zāi)害影響線路正常運行的事故事件發(fā)生。

3）本文得出了震區(qū)輸電線路的地質(zhì)形變風(fēng)險趨勢，但是進一步輸電線路桿塔傾斜、倒塌等與地質(zhì)形變量累積量的風(fēng)險對應(yīng)關(guān)系尚無法得到，將是后續(xù)研究的主要方向。