基于InSAR 技術的管道地質災害隱患排查研究

楊永超，白玉江，王利民，徐連彬

（1.國家管網集團有限公司天津天然氣管道有限責任公司，天津；2.北京中盈安信技術服務股份有限公司，北京）

引言

油氣管道是我國重要的能源運輸命脈，管道安全對保障國家能源安全戰略有著重要的意義。管道周邊的地質災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、采空區塌陷、黃土濕陷等，都會對管道運行安全帶來極大的風險。通過對地表沉降監測可實現對地質災害進行預警，以采取預防地質災害發生的措施，避免地質災害帶來的危害。

天津市因其開采地下水、開發建設等，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 數據，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，發現地表沉降受地下水開采、城市基礎建設的發展以及工業用地量、人為活動等方面因素影響明顯[1]。目前地表形變監測主要還是依賴于傳統手段，包括水準測量和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，同時對于水準測量來說，距離越長誤差傳播越大。針對天津地面沉降的現象，許多學者利用不同技術和方法對天津以及其周圍區域進行了沉降監測研究，從不同的角度對天津沉降機制進行解譯[2-4]。孫偉等基于Sentinel-1A 數據獲取了某輸油管道的地表形變信息，并對重點區域進行了分析，表明了SBAS-InSAR 技術在山區、丘陵地區可以有效為地質災害孕育發展過程給出參考[5]。

本研究擬選取易發生沉降的天津南港工業園內約30 公里試驗段，結合傳統監測手段，對InSAR 技術在管道周邊沉降監測展開可行性、經濟性研究。

1 數據和方法

1.1 研究數據

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

表1 衛星數據基本參數

1.2 研究方法

InSAR 技術是由最少兩景SAR 數據由于D-In－SAR 技術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 衛星數據及Radarsat-2 衛星數據，能夠滿足時序InSAR 處理的需求，但監測區內水面覆蓋較為嚴重，在提取PS點（永久散射體）時，提取點數量太少，難以滿足解算要求，故此采用SBAS-InSAR 技術對影像數據集進行定量分析，估算形變中心的形變速率等數值。

本文采用小基線集技術（SBAS-InSAR）進行處理分析，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差分干涉測量技術，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。假設差分干涉相位中只包含地表形變值和隨機噪聲成分，那么差分干涉相位可表示為：

2 實驗結果及分析

2.1 研究區沉降速率分析

以管線為中心，向兩邊各做500 m 緩沖區進行分析，從形變速率和累積形變量來看，管道途徑區域，地表狀態總體趨于平穩，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域，見圖1。

圖1 Radarsat-2 數據形變速率結果

形變區1 位于北大港水庫，監測時間段內呈現抬升的趨勢，主要在2018 年1 月至2019 年1 月之間，監測時間段內累計抬升量6.3 cm，從19 年6 月至今累積抬升1 cm，從結果看，目前處于相對穩定狀態。該區域Radarsat-2 數據未覆蓋該區域。

形變區2 監測時間段內平均沉降速率2.6 cm/a，最大沉降速率4.1 cm/a，監測時間段內累計沉降量8.9 cm，從歷史光學影像看，該區域可能是由于人類活動引起的地面沉降。

形變區3 最大沉降速率5.1 cm/a，主要在2019年1 月-6 月之間，監測時間段內累計沉降量8 cm。結合光學影像看，該區域存在小水塘，季節性的水量變化，可能對監測結果產生一定的影響。

形變區4 平均沉降速率3.5 cm/a，從2017 年8月開始，該區域呈現持續沉降，監測時間段內累計沉降量12.3 cm。從光學影像未看出地表變化狀態，需結合高精度的SAR 數據以及水準監測手段對該區域重點關注。

形變區5 監測時間段內呈現沉降的趨勢，平均沉降速率1.8 cm/a，從2017 年1 月至2019 年6 月，呈現出線性沉降的趨勢，從2019 年6 月至今，趨于穩定狀態，監測時間段內累計沉降量6.1 cm。Radarsat-2結果顯示2020 年12 月-2021 年11 月，該區域處于穩點狀態。結合光學影像看，該區域管道距離道路較近，需重點關注。

形變區6 位于閥室2 北側，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，從光學影像看，該區域為新修建的公路，由于距離管線較近，需關注其對管線運營的影響。

2.2 結果對比分析

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

圖2 水準點分布圖

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

表2 基于InSAR 技術的管道地質災害隱患排查研究沉降表

同時為有效檢驗InSAR 實際地面沉降監測情況，結合天津市南港區域每年的沉降情況，根據天津市二等水準點分布情況, 選取現場相對穩定的二等深埋點K002 作為觀測的基準點，沿觀測路線依次經過S27、S28、NG10、NG15 以及閥室2 附近的GPS 控制點。

S28 點水準測量5 月和7 月均呈現抬升狀態，最大形變量為6.71 mm，InSAR 處理結果顯示該點位2020 年12 月-2021 年11 月期間總體處于抬升狀態，7 月-11 月趨于穩定，最大形變量為5.6 mm。

NG10 點形變量為5.25 mm，InSAR 處理結果顯示該點位2020 年12 月-2021 年7 月期間持續沉降，最大沉降量為6.8 mm，7 月份后表現出回抬，與水準結果相符。

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

S27 點水準測量值為8 mm，InSAR 處理結果顯示該點位呈現持續抬升狀態，7 月-11 月有稍微的回落，最大形變量為8.9 mm。

SS3 點水準測量5 月累計沉降2.67 mm，11 月累計抬升3.72 mm，InSAR 處理結果顯示該點位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 點水準測量5 月和7 月均呈現沉降狀態，最大沉降量為13.5 mm，InSAR 處理結果顯示該點位2020 年12 月-2021 年11 月期間總體處于持續沉降狀態，最大沉降量為17.6 mm。

3 結論

采用2017 年1 月-2020 年6 月共104 期低分辨率Sentinel-1 數據及2020 年12 月-2021 年11 月共15 期高分辨率Radarsat-2 數據，采用時間序列InSAR分析技術對數據進行處理解算，得到數據覆蓋區域地表形變速率圖及累計形變量圖，管道整體運營狀況良好，途徑區域地表狀態總體趨于平穩，形變最大區域分布在填海造地部分，從光學影像上看主要是由于人類建設活動所引起的；填海區域由于仍在動工建設，且很多區域被水面覆蓋，使得InSAR 干涉對受失相干影響；在研究區內布設6 個水準點位，并在2020 年12月-2021 年11 月期間開展3 次二等水準測量任務，獲取水準點高程值；將InSAR 分析結果與監測站數據及水準監測結果對比，整體吻合性較高，整體趨勢較為一致，體現出InSAR 技術在管道地質災害隱患排查方面的有效性，該技術為管道周邊大范圍區域開展地質災害隱患識別提供經濟可行的技術手段。

結束語

本文采用108 期Sentinel-1 和15 期Radarsat-2衛星數據，利用時序InSAR 技術對管道沿線地質災害隱患進行排查，并將InSAR 結果與GNSS 測量結果進行對比分析，驗證了InSAR 技術在管道地質災害隱患排查中的有效性，可以很好的節省人力物力，并且做出定期持續的觀測，為管道安全運營給出重要性建議。