基于PS-InSAR線路工程地質災害識別監測研究

摘 要：【目的】獲取豫西某500 kV線路及其周邊礦區時序形變特征，識別由地面形變沉降引起的地質災害隱患點。【方法】采用2020年1月至2021年7月間覆蓋豫西某500 kV線路及其周邊礦區的38景升軌 Sentinel1A 衛星影像作為數據源，借助永久散射體干涉測量技術（PS-InSAR）對該區域進行地面形變監測分析。PS-InSAR方法能夠有效地減弱時空失相干擾和大氣效應引起的誤差，提高地面形變監測結果的準確性。【結果】該區域整體表現為緩慢性沉降，在柏林村-王河村-岳寨村區域形成了明顯的沉降漏斗，最大形變速率達到了-10.23 mm/y。【結論】結合野外調查得到的地質災害隱患點分布情況進行分析，該區域在采礦、降雨、地下水等多種因素的作用下發生緩慢性沉降且隨著對該區域的持續開發，整體形變量有繼續增加的趨勢。

關鍵詞：PS-InSAR；地質災害；識別監測；Sentinel-1A

中國分類號：P237" " " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）22-0100-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.021

Research on the Identification and Monitoring of" Geological Disaster in a Pipeline Project Based on Permanent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar（PS-InSAR）

Abstract：[Purposes] This paper aims to obtain temporal deformation characteristics of a 500 kV line and its surrounding mining area in western Henan Province， and to identify hidden geological hazards caused by ground deformation and subsidence. [Methods] The 38 elevation orbit Sentinel1A satellite images covering a 500 kV line and its surrounding mining area in western Henan Province from January 2020 to July 2021 were used as data sources to monitor and analyze the ground deformation in this area by means of PS-INSAR which can effectively reduce the errors caused by temporal and spatial out-of-phase interference and atmospheric effects， and improve the accuracy of ground deformation monitoring results. [Findings] The overall subsidence of the region was slow， and an obvious subsidence funnel was formed in the Berlin village-Wanghe village-Yuezhai village area， with a maximum deformation rate of -10.23mm/y. [Conclusions] Based on the analysis of the distribution of geological hazard points obtained from the field investigation， the slow subsidence occurred in this area under the action of multiple factors such as mining， rainfall and groundwater， and the overall shape variable continued to increase with the continuous development of this area.

Keywords：PS-InSAR; geological hazard; identification of monitoring; Sentinel-1A

0 引言

豫西是河南省典型的綜合能源基地，隨著裝機規模的增加，電力盈余進一步增大，豫西外送斷面壓力也將持續加劇。針對豫西電力外送受限問題，國網河南省電力公司實施了“豫西-豫中電網優化線路工程”，以實現豫西外送斷面擴容和外送能力提升的規劃目標。對該工程的安全監測意義重大，如不定期監測，失事風險將無法全面控制。

目前線路工程的安全監測主要通過無人機巡檢、GPS測量和重點區域埋設傳感器等方式進行，空間采樣密度較低，只能獲得局部點狀沉降，難以掌握非測量點處的形變信息和線路整體連續的形變趨勢［1］，且人力、物力成本高，難以維護，急需低成本大范圍的線路工程地質災害識別監測的新方法。具有面域形變監測能力的合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術為大范圍、高精度安全監測提供了一種新思路［2-3］。近年來，Hooper等［4］提出的永久散射體干涉測量技術（Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar，PS-InSAR）可獲得毫米級的監測精度，推動了InSAR技術在算法研究［5］、地表沉降［6］、災害預警［7］、凍土形變［8］等領域取得重大突破。InSAR技術作為一項重要的監測技術，在大型線狀地物沉降監測方面得到了廣泛的認可，葛大慶等［9］對上海地鐵10號線地面沉降進行監測，利用Cosmo-Skymed高分辨率數據監測地面時空變化特征，相關成果對地鐵建設和運營提供重要參考；在地表沉降監測方面，許強等［10］采用InSAR技術對延安新區發展趨勢對比說明，表明該區域沉降分為瞬時-固結-次固結三個階段。上述相關研究表明InSAR技術應用于監測大型線狀地物地表時空變化特征的有效性。

本研究利用永久性散射體干涉測量技術獲取2020年1月至2021年7月間線路及其周邊礦區時序形變特征，借助野外調查地質災害點進行識別分析，以期為線路工程大范圍地質災害識別監測提供實用價值。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

豫西500 kV線路工程線路路徑長約110 km，途經鄭州市惠濟區、高新區、滎陽市、鞏義市和洛陽市偃師區（如圖1所示）。該線路從鞏義市區東南方向大峪溝鎮穿插而過，而大峪溝鎮地處山區，地勢南北高、中間低且區域內分布有以煤炭、耐火材料為主的工廠和礦區。據不完全統計，僅在北山公園330 km2的范圍內就分布了大大小小數十個礦區。長時間的采礦工作必然導致大量的采空區，這些采空區受多種荷載及自然因素的影響，其安全形態具有復雜性及多變性，一旦發生安全事故，將會帶來嚴重的經濟損失。

1.2 數據來源

本研究使用2020年1月至2021年7月共38景Sentinel-1A數據進行豫西500 kV線路工程鞏義段的形變監測。選取2020年11月10日獲取的影像作為主影像，其余影像作為從影像與主影像進行后續配準、干涉、反演等處理過程，影像空間和時間基線參數見表1。為提高監測數據結果精度，選用30 m分辨率的SRTM DEM作為InSAR處理流程中的地形相位去除參考數據。

地質災害驗證數據為截至2022年8月該區域收集到的地質災害點（滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降）的發生時間，規模，物質組成等相關信息。

1.3 研究方法

PS-InSAR技術經長時間序列篩選，選取影像中反射性高的穩定點作為PS 點，根據選取點的相位信息將地形、大氣、平地等影響SAR影像相干性的相位分離出來，產生反映地形變化明顯的相位信息。永久散射體點的選取采用振幅標準差與均值的比值，該值的大小決定PS點的穩定性，試驗選取振幅離差值高的點作為有效數據。數據處理流程如圖2所示。

2 監測結果分析

2.1 PS-InSAR形變監測結果分析

研究區域監測結果如圖3所示。其中圓點代表InSAR監測有效相干點，點顏色代表年平均形變速率，其中白色點（負值）表示目標沿著LOS方向向衛星反方向移動，綠色點代表較為穩定的區域，黑色點表示目標沿著LOS方向向衛星方向移動。

由圖3可知，提取到的 PS 監測點主要集中在居民地附近和露天礦山區域。整個監測區域存在不同程度的地表形變，整體表現為緩慢性沉降，在A區域（柏林村-王河村-岳寨村）明顯的沉降漏斗，最大形變速率達到了-10.23 mm/y。部分監測區域出現了數據空值，這一現象是由于該區域有大量的植被覆蓋，影響了 PS-InSAR 結果的準確性，其他原因是形變量過大，超過了 PS-InSAR 所探測的閾值。

2.2 地質災害數據對比分析

通過實際野外調查統計得知，該區域共有9個崩塌隱患點，6個滑坡隱患點，無泥石流、地面塌陷、地裂縫情況發生。以距離線路最近的藍天采場崩塌隱患點和矸石堆滑坡隱患點為例分析地質災害隱患點對線路的影響。

藍天采場崩塌隱患點位于薛莊6組區域，距離線路直線距離約185 m，為最近的崩塌隱患點，中心坐標為東經113°060′278″，北緯34°7′，上伏為Qp2粉質黏土，約3 m厚；下伏為強風化灰巖。雖然目前未發生崩塌情況，但該區域處在小關鋁礦采空區范圍內，年均降雨量約為536 mm，地震烈度7級，現已發生巖石破碎、掉落的情況，需要重點監測，必要時進行適當支護工作，目前對線路基本沒有影響。

藍天采場崩塌隱患點時序監測形變曲線如圖4所示。由圖4可知，該崩塌隱患點在研究時間范圍內一直處于波動狀態，該滑坡隱患點年均形變速率為-8.14 mm/y，2020年1月3日至2021年7月8日期間，累計形變量為19.41 mm。通過時序監測形變曲線側面驗證了該隱患點的產生是由于地表在采礦、降雨、地下水等多種因素的作用下發生的微小沉降。

矸石堆滑坡隱患點位于王河村6組區域，距離線路直線距離約428 m，為最近的滑坡隱患點，中心坐標為東經113°107′222″，北緯34°740′833″，滑坡類型為推移式滑坡，坡度35°，坡向300°，預測滑坡面積約1 750 m2，滑坡體積約59 500 m3。由于該區域存在大量植被，該隱患點僅上部邊緣部分存在拉張裂縫情況，整體情況仍處于初始蠕變階段。但需要注意的是，該區域同樣處在煤炭采空區范圍內，年均降雨量約為536 mm，地震烈度7級，同樣需要重點監測，必要時進行適當支護工作，目前對線路基本沒有影響。

矸石堆滑坡隱患點時序監測形變曲線如圖5所示。由圖5可知，該滑坡隱患點在研究時間范圍內同樣處于波動狀態，該滑坡隱患點最大形變速率為-7.9 mm/y，2020年1月3日至2021年7月8日期間，累計形變量為20.89 mm。通過時序監測形變曲線側面驗證了該隱患點的產生是由于地表在采礦、降雨、地下水等多種因素的作用下發生的微小沉降。

3 結論

本研究通過馬寺-惠濟500 kV線路工程地質災害識別監測這一典型案例，研究了長時間序列下線路工程變形的時空特征，驗證了PS-InSAR技術應用于線路工程監測的可行性。利用Sentinel-1A衛星獲取的2020年1月至2021年7月間的影像數據集進行PS-InSAR分析，最大形變量達到10.23 mm。結合收集到的地質災害數據驗證可知，該區域雖未發生地質災害，但存在微小的形變，隨著對該區域的持續開發，整體形變量有繼續增加的趨勢。監測成果充分表明時序InSAR技術能夠獲取更高密度的測量點，多尺度識別變形顯著的位置，且監測精度高，可在大范圍線路工程運營過程中發揮重要作用。

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