L波段雷達衛星監測采空塌陷區及輸電鐵塔基礎變形研究

王明洲，李 陶，劉 艷

(1.武漢大學衛星導航定位技術研究中心，湖北武漢 430079；2.中國電力科學研究院，湖北武漢 430074)

L波段雷達衛星監測采空塌陷區及輸電鐵塔基礎變形研究

王明洲1，李 陶1，劉 艷2

(1.武漢大學衛星導航定位技術研究中心，湖北武漢 430079；2.中國電力科學研究院，湖北武漢 430074)

我國西電東輸過程中，山西等地的煤礦采空區地面塌陷易導致鐵塔基礎變形，嚴重威脅特高壓輸電線路的運行安全。本文利用ALOS PALSAR雷達影像，應用差分干涉測量技術監測1000 kV特高壓輸電線路山西段附近采空區地表沉降。通過形變圖時間序列結果，分析輸電走廊地區的地面塌陷區變化。對差分干涉圖中的多種誤差源進行量化分析，相對于采空區的快速地面塌陷而言，大氣相位和基線誤差表現為較低頻率的噪聲。針對以上特點，本文提出掩模和低通濾波的方法，有效地消除了差分干涉圖中的大氣相位與基線誤差。研究結果表明，塌陷區137＃鐵塔基礎，最大累計沉降量達到14 cm，沿輸電線路的最大傾斜為1.27‰，垂直輸電線路的最大傾斜為0.46‰。本文的結果可為輸電鐵塔安全監測提供新的監測手段。

D-InSAR；特高壓；采空區；鐵塔；基礎；塌陷；ALOS PALSAR

一、引 言

我國第一條1000 kV特高壓輸電線路北起山西境內的晉城，途徑河南省南陽，南至湖北省的荊門市，路徑長約360km[1]。該輸電線路等級高，容量相當于4～6條500 kV輸電線路的輸送容量，一旦發生事故，對整個系統的穩定和電網將造成災難性的沖擊。該線路在山西、河南兩省穿越較長的煤礦采空區，其中山西段穿越70 km的大面積采空區。受煤礦采空區地表沉陷的影響，采空區特高壓鐵塔基礎易發生形變，嚴重威脅特高壓輸電線路的安全運行。

隨著SAR分辨率的不斷提高及其自身的優越性，其越來越多地應用于不同的行業領域。與光學影像比較而言，SAR成像不受云霧、雨雪、太陽光照條件等的限制，可進行全天時、全天候監測[2]。2006年1月，ALOS衛星發射升空，其搭載了相控陣型L波段合成孔徑雷達(PALSAR)，能夠進行全極化、多視角的對地觀測。另外，L波段在植被覆蓋區域仍然保持較高的相干性，適合于采空區地表的形變監測。

2006年，張建強等對煤礦采空區鐵塔基礎的處理方案進行了探討，并開發了兩套采空區輸電鐵塔改造加固技術[3]。2009年，張勇等對煤層開采過程中地表沉降對特高壓鐵塔基礎穩定性產生的影響進行了分析[1]。2009年，楊風利等對采空區特高壓鐵塔在基礎發生形變后所受的承載力及變化趨勢進行了計算分析，并確定了不同工況下的基礎變形限值[4]。2005年，劉國林等對SAR與GPS融合監測礦區地表沉降的可行性進行了分析[5]。2012年，陶秋香等從保相能力、對微小沉降的敏感程度等方面對L和C波段雷達干涉數據的礦區地面監測能力進行分析，結果表明L波段雷達數據具有較強的保相能力，適合于礦區地表沉降的監測[6]。

二、D-InSAR技術監測采空區鐵塔基礎穩定性原理

1.D-InSAR技術監測形變原理

D-InSAR是以合成孔徑雷達復數圖像的相位信息獲取地表變化信息的技術。文獻[2]已詳細介紹了該技術獲取地表形變信息的基本原理，這里主要分析地表形變引起的相位變化。干涉圖的相位可以表示為[7]

式中，Φgeo為平地效應，可通過雷達衛星軌道參數消除；Φtop為地形相位，可借助外部DEM消除；Φdef為形變相位；Φatm為大氣相位，其在一定距離范圍內存在較強的空間自相關性[8-9]，相對于采空區短時段的快速地面塌陷而言，大氣誤差表現為較低頻率的噪聲，可利用掩膜和低通濾波的方法進行去除；Φnoise是由SAR系統噪聲引起的相位值。

2.采空區沉降與鐵塔基礎穩定性關系

地下煤礦開采之前，巖層的內部應力保持平衡；煤礦開采后，造成巖層下面產生大面積的采空區，采空區上面的巖體失去支撐，改變了其內部應力的平衡狀態。頂部巖層開始在應力作用下斷裂、破碎成散落的巖塊。散落的巖塊陷落到采空區，造成頂部巖層下沉，引起地表面發生沉降，采空區地面沉降過程如圖1所示。采空區的地面沉降可以大致分為兩個階段：第一階段為采空區形成后的前幾個月內，該階段采空區地表沉降速度較大，一天可達到幾厘米；第二階段采空區的地表沉降較為緩慢，可持續一年左右[10]。

圖1 采空區地面沉降示意圖

采空區地表沉降，易對特高壓輸電鐵塔基礎造成沉降、傾斜、不均勻沉降、水平滑移等破壞[4]。鐵塔基礎形變會造成鐵塔局部破壞或整體發生倒塌，直接威脅輸電線路的穩定運行，鐵塔基礎橫線路形變情況如圖2所示。

圖2 基礎橫線路變形模式

三、數據概況

1.塌陷區情況簡介

選擇特高壓輸電線路山西段126—149＃塔段作為試驗區。該地區山地、丘陵比例大，地形復雜；水土流失嚴重，在雨季易產生山體滑坡，對特高壓鐵塔造成威脅。且該塔段經過煤礦采空區，雖然在設計階段已經采取了大板基礎、灌漿處理、分離塔等處理措施，但潛在的崩塌威脅并沒有完全排除，需要采用有效的監測手段對其進行重點監測來保證輸電線路的安全運行。試驗區地理位置和地貌概況如圖3所示，右邊大框實線區域代表影像覆蓋范圍，左邊矩形框實線區域代表試驗區范圍(如圖4、圖7所示)，折線區域代表圖8覆蓋范圍。

圖3 試驗區位置和地貌概況

2.ALOS數據簡介

ALOS衛星重復周期為46 d，入射角為38.7°。降軌時，PALSAR傳感器可應用高分辨率單極化模式(FBS，HH)和高分辨率雙極化模式(FBD，HH＋VV)觀測，其中FBS影像的分辨率為6.25 m，FBD影像的分辨率為12.5 m。

根據研究區域的位置，共獲取了特高壓輸電線路建成后的9景雷達影像。為了保證影像之間具有較高的相干性，選取具有較短時間間隔的影像對進行干涉處理。干涉對的選取情況見表1。

表1 ALOS PALSAR影像干涉對

四、數據處理

1.外部DEM數據比較

本文中，外部DEM數據分別采用了美國航天飛機獲取的SRTM3數據和日本獲取的GDEM數據。SRTM3數據的獲取時間為2000年2月，空間分辨率為90 m，高程精度優于10 m。GDEM數據的獲取時間跨度為2007—2009年，空間分辨率為30 m，高程精度優于10 m。在試驗區范圍內，將兩者的地形數據相減獲取其殘差值，如圖4和圖5所示(虛線區域為圖8的覆蓋范圍)。

圖4 DEM殘差分布圖

圖5 DEM殘差直方圖

通過圖4和圖5比較可知，在研究區范圍內兩者的高程數據差異較小，可認為兩種DEM數據能夠滿足差分處理的精度要求。

2.數據處理

采空區沉降是一個非線性、快速變化的過程。鑒于研究區地貌和數據情況，本文采用差分干涉技術獲取采空區地面塌陷信息，并對干涉對的選取、配準、研究區的DEM選取等步驟進行了優化設計，以獲取礦區精確的地面沉降信息。

差分干涉圖的相位包括形變相位、大氣相位、基線誤差、DEM誤差等。如上所述，差分干涉圖中DEM誤差的影響可以忽略，但是大氣相位和基線誤差需要考慮，處理流程如圖6所示。為了提高獲取的大氣相位的精度，對差分干涉圖中的沉降區進行掩膜處理，使得剩余像元不受沉降區形變的影響[11]。在相位解纏過程中，利用相干圖時間序列選擇相干性較好的點作為候選點，并以相位穩定性為限制條件對不可信的候選點進行剔除。相對于采空區短時段的快速地面塌陷而言，大氣誤差和基線誤差表現為較低頻率的噪聲。本文采用構建不規則三角形網絡(triangular irregular network，TIN)的方法進行相位解纏[12]，并應用Kriging方法對失相干和掩膜區域進行插值[13]。將獲取的相位進行低通濾波，得到表現為較低頻率的大氣相位和基線誤差。

圖6 大氣相位和基線誤差去除流程

五、結果分析

在進行雙軌差分干涉處理之前，首先將雙極化數據(FBD)在距離向進行2倍的過采樣，以便于其與單極化數據(FBS)的分辨率保持一致。另外，在干涉圖生成過程中進行多視處理，距離向與方位向的多視系數為1∶2，保證兩者分辨率盡量一致。本文中采用高程精度為10 m的GDEM數據來去除地形相位。使用前文中所述方法對差分干涉相位圖進行大氣相位和基線誤差去除。圖7即為未去除大氣相位和基線誤差與去除大氣相位和基線誤差之后的差分干涉圖的結果比較。

圖7 干涉圖20091109—20091225

從圖7中可以看出，大氣相位和基線誤差去除后，干涉圖的大氣相位和基線誤差已基本去除。分析形變圖時間序列可知特高壓輸電線路周邊沉降區的發育情況。在監測期間內，136—139＃鐵塔附近出現了地面沉降，其對特高壓輸電線路鐵塔基礎造成了一定的破壞，該區域沉降情況如圖8所示。

圖8

分析圖8可知，在監測時段內，136＃—139＃鐵塔附近塌陷區并沒有停止沉降，仍處于發育過程。136＃、138＃鐵塔處于塌陷區的邊緣，沉降量較小；137＃鐵塔靠近塌陷區的中心，沉降量較大；而139＃鐵塔已基本遠離塌陷區的影響范圍，鐵塔基礎沉降隨時間的變化情況如圖10所示。為了分析鐵塔基礎的傾斜情況及其沉降量隨時間的變化情況，本文分別在鐵塔順線路方向和137＃鐵塔橫線路方向做剖面線P-P′和V-V′，剖面線位置如圖9所示。

圖9 剖面線位置圖(形變圖：20090809—20101228)

D-InSAR獲取的沿剖面線P-P′方向的沉降量時間序列如圖10所示。

圖10 剖面線P-P′方向沉降量時間序列(參考時間：2009-09-08)

由圖10可知，137＃鐵塔基礎的最大累計沉降量達到14 cm，138＃鐵塔基礎的最大累計沉降量達到2 cm。剖面線P-P′是136＃—139＃鐵塔的順線路方向。在P-P′方向上137＃鐵塔基礎沿線最大傾斜達到1.27‰；138＃鐵塔基礎沿線方向最大傾斜為0.99‰。

D-InSAR獲取的沿剖面線V-V′方向的沉降量時間序列如圖11所示。

剖面線V-V′是137＃鐵塔基礎的橫線路方向。137＃鐵塔在V-V′方向的最大傾斜達到0.46‰。采空區的地面塌陷會對鐵塔基礎穩定性造成很大的破壞，需要對137＃鐵塔采取一定的抗變形措施，以保障特高壓輸電線路的安全運行。

圖11 剖面線V-V′方向沉降量時間序列(參考時間：2009-09-08)

六、結論與展望

利用ALOS衛星雷達影像對特高壓輸電線路周圍采空區地表沉降監測結果表明，L波段雷達影像數據在礦山地區可保持較高的相干性，可實現對礦區地表沉降的亞厘米級監測。本文利用掩膜和低通濾波的方法將差分干涉圖中的大氣相位和基線誤差去除，獲取形變圖時間序列。根據形變相位圖時間序列分析了塌陷區的發育情況，發現在監測時段內塌陷區一直處于發育過程。研究結果表明：137＃鐵塔基礎最大累計沉降量已達到14 cm，沿輸電線路和垂直輸電線路的最大傾斜分別達到 1.27‰和0.46‰；138＃鐵塔基礎最大累計沉降量達到2 cm。采空區的地面塌陷會對鐵塔基礎穩定性造成很大的破壞，需要對137＃鐵塔采取一定的抗變形措施，同時需要進一步利用高分辨率SAR衛星密集監視該區域的進一步塌陷狀況，以保障特高壓輸電線路的安全運行。本文可為輸電鐵塔安全監測提供新的監測手段。

本文采用的是波長為23.5 cm的L波段雷達影像。由于其波長較長，導致其對微小形變不敏感，監測精度較低。而星載 X波段雷達影像的波長為3.2 cm，能夠提高采空區沉降的監測精度，且其具有較高的空間分辨率和時間分辨率，可以獲得更多塌陷區的變化信息。

[1] 張勇，高文龍，趙云云.煤層開采與1000 kV特高壓輸電桿塔地基穩定性影響研究[J].巖土力學2009，30(4)：1063-1067.

[2] DIDIER M，KURT L F.Radar Interferometry and Its Application to Changes in the Earth’s Surface[J].Reviews of Geophysics，2010，36(4)：441-500.

[3] 張建強，楊坤，王予東，等.煤礦采空區地段高壓輸電線路鐵塔地基處理的研究[J].電網技術，2006，30 (2)：30-34.

[4] 楊風利，楊靖波，韓軍科，等.煤礦采空區基礎變形特高壓輸電塔的承載力計算[J].中國電機工程學報，2009，29(1)：100-106.

[5] 劉國林，張連蓬，成樞，等.合成孔徑雷達干涉測量與全球定位系統數據融合監測礦區地表沉降的可行性分析[J].測繪通報，2005(11)：13-16.

[6] 陶秋香，劉國林，劉偉科.L和C波段雷達干涉數據礦區地面沉降監測能力分析[J].地球物理學報，2012，55(11)：3681-3689.

[7] ROSEN P A，HENSLEY S，JOUGHIN I R，et al.Synthetic Aperture Radar Interferometry[J].Proceedings of the IEEE，2000，88(3)：333-382.

[8] HASSEN R F，WECKWERTH T M，ZEBKER H A，et al.High-resolution Water Vapor Mapping from Interferometric Radar Measurements[J].Science，1999，283 (5406)：1295-1297.

[9] FERRETTI A，PRATI C，ROCCA F.Permanent Scatters in SAR Interferometry[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2001，39(1)：8-20.

[10] 劉金龍，郭華東，宋瑞，等.多模式雷達在礦區沉降監測中的應用研究[J].遙感技術與應用，2012，27 (4)：584-590.

[11] ZEBKER H A，ROSEN P A，HENSLEY S.Atmospheric Effects in Interferometric Synthetic Aperture Radar Surface Defoemation and Topographic Maps[J].JGR，1997，102(B4)：7547-7563.

[12] COSTANTINI M，ROSEN P A.A Generalized Phase Unwrapping Approach for Sparse Data[C]∥Proceedings of IGARSS.Hamburg，Germany：IEEE，1999：267-269.

[13] NG A H，GE L L，YAN Y G，et al.Mapping Accumulated Mine Subsidence Using Small Stack of SAR Differential Interferograms in the Southern Coalfield of New South Wales，Australia[J].Engineering Geology，2010，115(1-2)：1-5.

Study on Monitoring the Subsidence Area above Goaf and the Transmission Tower Foundation Deformation with L-band Radar Satellite

WANG Mingzhou，LI Tao，LIU Yan

P237

B

0494-0911(2014)07-0058-05

2013-05-02

國家自然科學基金(41274048)；國家電網公司(09-WGCX06273)；國家大壩安全工程技術研究中心(2011NDS014)作者簡介:王明洲(1989—)，男，山東德州人，碩士生，研究方向為雷達遙感應用研究。

王明洲，李陶，劉艷.L波段雷達衛星監測采空塌陷區及輸電鐵塔基礎變形研究[J].測繪通報，2014(7)：58-62.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0226