基于InSAR沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)的城市供水管線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

翟振起

(深圳市北部水源工程管理處,廣東 深圳 518000)

城市供水管線工程是城市的生命線工程。近年來，城市供水管線周邊區(qū)域的高強(qiáng)度開發(fā)建設(shè)，給管線管理和安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因地基下沉導(dǎo)致的爆管事故時(shí)有發(fā)生，造成周邊積水或淹沒甚至導(dǎo)致生命財(cái)產(chǎn)損失[1-2]。不同的管道位置地基沉降不同，具有一定的不確定性。沉降監(jiān)測(cè)一般采用人工水準(zhǔn)測(cè)量、靜力水準(zhǔn)測(cè)量等方式開展。然而，管道線路長度一般以公里計(jì)，采用人工水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)效率較低；靜力水準(zhǔn)測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)，但成本較高。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)已成為地表變形監(jiān)測(cè)的一種有效方法。由于其具有全天候、高精度、大范圍、面覆蓋等監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，InSAR技術(shù)已逐步應(yīng)用至地裂縫監(jiān)測(cè)、城市地面沉降、滑坡監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[3-7]。因此，引入InSAR沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)可以為城市供水管線沉降監(jiān)測(cè)提供一個(gè)高效低成本的手段。

近幾年，已有學(xué)者對(duì)利用InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)管道周邊地基沉降及采用基于多種衛(wèi)星影像的InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)管道變形等開展了研究[8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

城市供水管線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)管線地基沉降情況進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)，結(jié)合移動(dòng)GIS技術(shù)和WebGIS技術(shù)對(duì)InSAR監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行可視化渲染展示，分析管網(wǎng)地基沉降的空間分布特征和時(shí)間變化趨勢(shì)，結(jié)合管網(wǎng)基礎(chǔ)地理信息向用戶提供移動(dòng)端和Web端的信息查詢和決策輔助。

系統(tǒng)移動(dòng)端和Web端主要功能包括：InSAR沉降監(jiān)測(cè)值數(shù)據(jù)管理、沉降值查詢、沉降值統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)測(cè)報(bào)表制作、管線空間信息和屬性信息查詢等。用戶可以通過移動(dòng)端APP查看InSAR管網(wǎng)地基沉降的分布情況，并根據(jù)手機(jī)定位，進(jìn)行野外實(shí)地核查和現(xiàn)場(chǎng)照片的采集與記錄。

城市供水管線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層、用戶層等不同層級(jí)。基礎(chǔ)設(shè)施層由存儲(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器設(shè)施、客戶端、計(jì)算機(jī)設(shè)施、交換機(jī)、防火墻等軟硬件設(shè)施組成。數(shù)據(jù)層是整個(gè)信息系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，包括地下管線數(shù)據(jù)庫、地下管線檔案數(shù)據(jù)庫、管網(wǎng)巡查數(shù)據(jù)庫、管線安全隱患數(shù)據(jù)庫、InSAR監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用支撐層是指為系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)提供支持的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)共享交換接口、二維WebGIS平臺(tái)、移動(dòng)GIS平臺(tái)等。應(yīng)用層為用戶提供全面的信息服務(wù)，包括管線數(shù)據(jù)管理InSAR成果數(shù)據(jù)管理、管線、安全隱患管理、管線巡查管理、管線工程檔案管理與系統(tǒng)運(yùn)維管理等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 城市供水管線地基沉降InSAR監(jiān)測(cè)流程

根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域，綜合分析已有的InSAR數(shù)據(jù)資源，確定數(shù)據(jù)類型、覆蓋范圍和數(shù)據(jù)周期等。在獲取了InSAR原始數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)處理流程具體包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、InSAR影像預(yù)處理、InSAR時(shí)序分析三個(gè)部分。

2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

數(shù)據(jù)處理過程中，需要導(dǎo)入的數(shù)據(jù)包括InSAR原始影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、試驗(yàn)區(qū)氣象參數(shù)等。

2.2 InSAR影像預(yù)處理

雷達(dá)影像數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括主影像選取、影像配準(zhǔn)、干涉圖生成、系統(tǒng)相位去除等四個(gè)部分。

2.3 InSAR時(shí)序分析

(1)從配準(zhǔn)后的K+1幅SAR影像中探測(cè)出永久散射體點(diǎn)和同分布目標(biāo)點(diǎn)。

(2)根據(jù)探測(cè)出的DS(Distributed Scatterers,同分布散射體)點(diǎn)和K幅差分干涉圖，對(duì)DS點(diǎn)相位值進(jìn)行時(shí)空同質(zhì)濾波和時(shí)序相位反演處理。

(3)根據(jù)相位函數(shù)模型和差分干涉相位，得到PS(Persistent Scatterers,永久散射體)和DS點(diǎn)的形變速率、DEM誤差和解參相位值。

(4)對(duì)PS點(diǎn)和DS點(diǎn)的時(shí)序相位進(jìn)行時(shí)空濾波處理，去除干涉圖中的大氣相位值。

(5)經(jīng)過質(zhì)量分析，得到最終PS和DS點(diǎn)的形變速率和時(shí)間序列，形成shp格式的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)成果。

3 InSAR沉降監(jiān)測(cè)模塊開發(fā)

目前基于GIS技術(shù)的管線運(yùn)行管理軟件開發(fā)技術(shù)已較為成熟，因此本文僅針對(duì)InSAR沉降監(jiān)測(cè)模塊開發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。InSAR沉降監(jiān)測(cè)模塊包括數(shù)據(jù)管理與加載、沉降值查詢、沉降值統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)測(cè)報(bào)告制作等子模塊，具體功能如圖2所示。

圖2 地面沉降信息發(fā)布與管理平臺(tái)功能架構(gòu)影響

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 海量InSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量InSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)切片發(fā)布，該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于可對(duì)海量InSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行無損、快速的金字塔瓦片制圖，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多尺度處理，在數(shù)據(jù)時(shí)空管理和可視化上進(jìn)行了優(yōu)化，便于InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的在線成果展示。

4.2 剖面線查詢

地基的不均勻沉降容易導(dǎo)致管道受損以及管道接頭部位錯(cuò)位，所以不均勻沉降對(duì)管線監(jiān)測(cè)尤為重要，系統(tǒng)可以沿管線埋設(shè)方向繪制折線，可以查詢折線附近InSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并繪制剖面線的沉降曲線，從而更直觀的展示管道沿線的不均勻沉降情況。

4.3 條件查詢

為了直觀展示InSAR沉降成果，系統(tǒng)采用了分層設(shè)色法對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí)展示。但是，由于供水管網(wǎng)路線長、空間范圍廣，覆蓋全部區(qū)域的InSAR監(jiān)測(cè)成果點(diǎn)數(shù)量可達(dá)百萬級(jí)，這會(huì)影響用戶從地圖可視化界面的大量數(shù)據(jù)中快速發(fā)現(xiàn)存在安全隱患的管線部位。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了條件查詢功能，查找變形速率超過某一變形閾值的InSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)，或者查找某一地面沉降嚴(yán)重程度等級(jí)的InSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)而在界面中進(jìn)行可視化展示。

4.4 自動(dòng)報(bào)告生成

為便于查看城市供水管線的整體情況和各分段管網(wǎng)的變形情況，系統(tǒng)開發(fā)了自動(dòng)報(bào)告生成功能，自動(dòng)生成包含文本、圖片和表格的監(jiān)測(cè)報(bào)告。每處理一期新的InSAR監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將自動(dòng)統(tǒng)計(jì)整體管網(wǎng)和各個(gè)分段管線段的特征指標(biāo)，如包括各沉降嚴(yán)重程度等級(jí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量百分比、典型剖面線的差異沉降值等。通過自動(dòng)繪制典型剖面的變形曲線圖、最大變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史沉降曲線圖以及各沉降等級(jí)分區(qū)圖等，插入到文字報(bào)告中形成內(nèi)容豐富的成果報(bào)告。

4.5 管網(wǎng)移動(dòng)應(yīng)用安全架構(gòu)

城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)所涉及的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，屬于國家保密數(shù)據(jù)，需要做好數(shù)據(jù)安全保密工作。管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫作為保密數(shù)據(jù)庫，需部署在與公共網(wǎng)絡(luò)存在物理隔離的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中；而管道巡檢一般在野外進(jìn)行，只能連接公共互聯(lián)網(wǎng)，這會(huì)導(dǎo)致巡檢人員無法直接訪問管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，通過采用VPN加密保護(hù)技術(shù)來解決這一問題，經(jīng)過授權(quán)的用戶可以在公共互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)VPN隧道連接訪問管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，管網(wǎng)地理坐標(biāo)需進(jìn)行脫密處理，即將管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從城市獨(dú)立坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到可用于互聯(lián)網(wǎng)的國測(cè)局坐標(biāo)系(脫密坐標(biāo)系),見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)脫密技術(shù)流程

4.6 系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)后臺(tái)基于IntelliJ Idea 2017開發(fā)平臺(tái)，采用Java語言進(jìn)行開發(fā)，以Spring Boot作為應(yīng)用架構(gòu)，并以Mybatis作為持久層，對(duì)SQL Server 2008 R2數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行關(guān)系映射。系統(tǒng)前端界面基于Visual Studio Code開發(fā)平臺(tái)，采用JavaScript、Html等語言，利用Element界面組件和Vue漸進(jìn)式框架，開發(fā)系統(tǒng)交互界面，并采用Webpack技術(shù)減少系統(tǒng)所需資源以加快運(yùn)行速度。

系統(tǒng)主界面由圖層控制組件、地圖可視化窗口、數(shù)據(jù)管理組件、沉降值查詢組件、沉降值統(tǒng)計(jì)分析組件、監(jiān)測(cè)報(bào)表制作組件等組成。

5 應(yīng)用效果評(píng)述

選擇深圳地區(qū)某城市供水管線作為試驗(yàn)區(qū)，利用覆蓋該區(qū)域的COSMO、TerraSAR雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)時(shí)序InSAR數(shù)據(jù)分析處理，成功提取了供水管線周邊的2013—2018年地表沉降結(jié)果，并將結(jié)果導(dǎo)入到了城市供水管線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在Web可視化界面中，基于城市供水管線的走向、埋深、管材、周邊地物等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，疊加地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行瀏覽、分析，輔助以沉降點(diǎn)過程曲線查詢、剖面線查詢等工具，分析城市供水管線周邊地表沉降的空間分布特征和時(shí)間發(fā)展趨勢(shì)。

利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可提前發(fā)現(xiàn)城市供水管線的潛在隱患區(qū)域。例如，通過查詢洪田路管線附近地表InSAR監(jiān)測(cè)點(diǎn)的過程曲線如圖4，可知在2013年12月—2018年9月監(jiān)測(cè)期間內(nèi)存在明顯的變形，累計(jì)變形值達(dá)到-30.6 mm，且距離管線較近，其變形現(xiàn)象可能與輸水管線相關(guān)。基于分析結(jié)果，后續(xù)用于指導(dǎo)加強(qiáng)周邊施工擾動(dòng)的巡視檢查，嚴(yán)重時(shí)及時(shí)采取防治措施。

圖4 洪田路附近地表的InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 語

本系統(tǒng)通過集成InSAR和GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了供水管道沿線地基沉降的大范圍InSAR監(jiān)測(cè)，并在移動(dòng)端和Web端進(jìn)行成果可視化展示與查詢統(tǒng)計(jì)分析。為供水管道安全風(fēng)險(xiǎn)管理提供了基礎(chǔ)技術(shù)支撐，對(duì)保障供水管線安全運(yùn)行具有重要意義。本系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)一步拓寬了InSAR監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域并取得了有益的效果。