L波段雷达卫星监测采空塌陷区及输电铁塔基础变形研究

王明洲，李 陶，刘 艳

(1.武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北武汉 430079；2.中国电力科学研究院，湖北武汉 430074)

L波段雷达卫星监测采空塌陷区及输电铁塔基础变形研究

王明洲1，李 陶1，刘 艳2

(1.武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北武汉 430079；2.中国电力科学研究院，湖北武汉 430074)

我国西电东输过程中，山西等地的煤矿采空区地面塌陷易导致铁塔基础变形，严重威胁特高压输电线路的运行安全。本文利用ALOS PALSAR雷达影像，应用差分干涉测量技术监测1000 kV特高压输电线路山西段附近采空区地表沉降。通过形变图时间序列结果，分析输电走廊地区的地面塌陷区变化。对差分干涉图中的多种误差源进行量化分析，相对于采空区的快速地面塌陷而言，大气相位和基线误差表现为较低频率的噪声。针对以上特点，本文提出掩模和低通滤波的方法，有效地消除了差分干涉图中的大气相位与基线误差。研究结果表明，塌陷区137＃铁塔基础，最大累计沉降量达到14 cm，沿输电线路的最大倾斜为1.27‰，垂直输电线路的最大倾斜为0.46‰。本文的结果可为输电铁塔安全监测提供新的监测手段。

D-InSAR；特高压；采空区；铁塔；基础；塌陷；ALOS PALSAR

一、引 言

我国第一条1000 kV特高压输电线路北起山西境内的晋城，途径河南省南阳，南至湖北省的荆门市，路径长约360km[1]。该输电线路等级高，容量相当于4～6条500 kV输电线路的输送容量，一旦发生事故，对整个系统的稳定和电网将造成灾难性的冲击。该线路在山西、河南两省穿越较长的煤矿采空区，其中山西段穿越70 km的大面积采空区。受煤矿采空区地表沉陷的影响，采空区特高压铁塔基础易发生形变，严重威胁特高压输电线路的安全运行。

随着SAR分辨率的不断提高及其自身的优越性，其越来越多地应用于不同的行业领域。与光学影像比较而言，SAR成像不受云雾、雨雪、太阳光照条件等的限制，可进行全天时、全天候监测[2]。2006年1月，ALOS卫星发射升空，其搭载了相控阵型L波段合成孔径雷达(PALSAR)，能够进行全极化、多视角的对地观测。另外，L波段在植被覆盖区域仍然保持较高的相干性，适合于采空区地表的形变监测。

2006年，张建强等对煤矿采空区铁塔基础的处理方案进行了探讨，并开发了两套采空区输电铁塔改造加固技术[3]。2009年，张勇等对煤层开采过程中地表沉降对特高压铁塔基础稳定性产生的影响进行了分析[1]。2009年，杨风利等对采空区特高压铁塔在基础发生形变后所受的承载力及变化趋势进行了计算分析，并确定了不同工况下的基础变形限值[4]。2005年，刘国林等对SAR与GPS融合监测矿区地表沉降的可行性进行了分析[5]。2012年，陶秋香等从保相能力、对微小沉降的敏感程度等方面对L和C波段雷达干涉数据的矿区地面监测能力进行分析，结果表明L波段雷达数据具有较强的保相能力，适合于矿区地表沉降的监测[6]。

二、D-InSAR技术监测采空区铁塔基础稳定性原理

1.D-InSAR技术监测形变原理

D-InSAR是以合成孔径雷达复数图像的相位信息获取地表变化信息的技术。文献[2]已详细介绍了该技术获取地表形变信息的基本原理，这里主要分析地表形变引起的相位变化。干涉图的相位可以表示为[7]

式中，Φgeo为平地效应，可通过雷达卫星轨道参数消除；Φtop为地形相位，可借助外部DEM消除；Φdef为形变相位；Φatm为大气相位，其在一定距离范围内存在较强的空间自相关性[8-9]，相对于采空区短时段的快速地面塌陷而言，大气误差表现为较低频率的噪声，可利用掩膜和低通滤波的方法进行去除；Φnoise是由SAR系统噪声引起的相位值。

2.采空区沉降与铁塔基础稳定性关系

地下煤矿开采之前，岩层的内部应力保持平衡；煤矿开采后，造成岩层下面产生大面积的采空区，采空区上面的岩体失去支撑，改变了其内部应力的平衡状态。顶部岩层开始在应力作用下断裂、破碎成散落的岩块。散落的岩块陷落到采空区，造成顶部岩层下沉，引起地表面发生沉降，采空区地面沉降过程如图1所示。采空区的地面沉降可以大致分为两个阶段：第一阶段为采空区形成后的前几个月内，该阶段采空区地表沉降速度较大，一天可达到几厘米；第二阶段采空区的地表沉降较为缓慢，可持续一年左右[10]。

图1 采空区地面沉降示意图

采空区地表沉降，易对特高压输电铁塔基础造成沉降、倾斜、不均匀沉降、水平滑移等破坏[4]。铁塔基础形变会造成铁塔局部破坏或整体发生倒塌，直接威胁输电线路的稳定运行，铁塔基础横线路形变情况如图2所示。

图2 基础横线路变形模式

三、数据概况

1.塌陷区情况简介

选择特高压输电线路山西段126—149＃塔段作为试验区。该地区山地、丘陵比例大，地形复杂；水土流失严重，在雨季易产生山体滑坡，对特高压铁塔造成威胁。且该塔段经过煤矿采空区，虽然在设计阶段已经采取了大板基础、灌浆处理、分离塔等处理措施，但潜在的崩塌威胁并没有完全排除，需要采用有效的监测手段对其进行重点监测来保证输电线路的安全运行。试验区地理位置和地貌概况如图3所示，右边大框实线区域代表影像覆盖范围，左边矩形框实线区域代表试验区范围(如图4、图7所示)，折线区域代表图8覆盖范围。

图3 试验区位置和地貌概况

2.ALOS数据简介

ALOS卫星重复周期为46 d，入射角为38.7°。降轨时，PALSAR传感器可应用高分辨率单极化模式(FBS，HH)和高分辨率双极化模式(FBD，HH＋VV)观测，其中FBS影像的分辨率为6.25 m，FBD影像的分辨率为12.5 m。

根据研究区域的位置，共获取了特高压输电线路建成后的9景雷达影像。为了保证影像之间具有较高的相干性，选取具有较短时间间隔的影像对进行干涉处理。干涉对的选取情况见表1。

表1 ALOS PALSAR影像干涉对

四、数据处理

1.外部DEM数据比较

本文中，外部DEM数据分别采用了美国航天飞机获取的SRTM3数据和日本获取的GDEM数据。SRTM3数据的获取时间为2000年2月，空间分辨率为90 m，高程精度优于10 m。GDEM数据的获取时间跨度为2007—2009年，空间分辨率为30 m，高程精度优于10 m。在试验区范围内，将两者的地形数据相减获取其残差值，如图4和图5所示(虚线区域为图8的覆盖范围)。

图4 DEM残差分布图

图5 DEM残差直方图

通过图4和图5比较可知，在研究区范围内两者的高程数据差异较小，可认为两种DEM数据能够满足差分处理的精度要求。

2.数据处理

采空区沉降是一个非线性、快速变化的过程。鉴于研究区地貌和数据情况，本文采用差分干涉技术获取采空区地面塌陷信息，并对干涉对的选取、配准、研究区的DEM选取等步骤进行了优化设计，以获取矿区精确的地面沉降信息。

差分干涉图的相位包括形变相位、大气相位、基线误差、DEM误差等。如上所述，差分干涉图中DEM误差的影响可以忽略，但是大气相位和基线误差需要考虑，处理流程如图6所示。为了提高获取的大气相位的精度，对差分干涉图中的沉降区进行掩膜处理，使得剩余像元不受沉降区形变的影响[11]。在相位解缠过程中，利用相干图时间序列选择相干性较好的点作为候选点，并以相位稳定性为限制条件对不可信的候选点进行剔除。相对于采空区短时段的快速地面塌陷而言，大气误差和基线误差表现为较低频率的噪声。本文采用构建不规则三角形网络(triangular irregular network，TIN)的方法进行相位解缠[12]，并应用Kriging方法对失相干和掩膜区域进行插值[13]。将获取的相位进行低通滤波，得到表现为较低频率的大气相位和基线误差。

图6 大气相位和基线误差去除流程

五、结果分析

在进行双轨差分干涉处理之前，首先将双极化数据(FBD)在距离向进行2倍的过采样，以便于其与单极化数据(FBS)的分辨率保持一致。另外，在干涉图生成过程中进行多视处理，距离向与方位向的多视系数为1∶2，保证两者分辨率尽量一致。本文中采用高程精度为10 m的GDEM数据来去除地形相位。使用前文中所述方法对差分干涉相位图进行大气相位和基线误差去除。图7即为未去除大气相位和基线误差与去除大气相位和基线误差之后的差分干涉图的结果比较。

图7 干涉图20091109—20091225

从图7中可以看出，大气相位和基线误差去除后，干涉图的大气相位和基线误差已基本去除。分析形变图时间序列可知特高压输电线路周边沉降区的发育情况。在监测期间内，136—139＃铁塔附近出现了地面沉降，其对特高压输电线路铁塔基础造成了一定的破坏，该区域沉降情况如图8所示。

图8

分析图8可知，在监测时段内，136＃—139＃铁塔附近塌陷区并没有停止沉降，仍处于发育过程。136＃、138＃铁塔处于塌陷区的边缘，沉降量较小；137＃铁塔靠近塌陷区的中心，沉降量较大；而139＃铁塔已基本远离塌陷区的影响范围，铁塔基础沉降随时间的变化情况如图10所示。为了分析铁塔基础的倾斜情况及其沉降量随时间的变化情况，本文分别在铁塔顺线路方向和137＃铁塔横线路方向做剖面线P-P′和V-V′，剖面线位置如图9所示。

图9 剖面线位置图(形变图：20090809—20101228)

D-InSAR获取的沿剖面线P-P′方向的沉降量时间序列如图10所示。

图10 剖面线P-P′方向沉降量时间序列(参考时间：2009-09-08)

由图10可知，137＃铁塔基础的最大累计沉降量达到14 cm，138＃铁塔基础的最大累计沉降量达到2 cm。剖面线P-P′是136＃—139＃铁塔的顺线路方向。在P-P′方向上137＃铁塔基础沿线最大倾斜达到1.27‰；138＃铁塔基础沿线方向最大倾斜为0.99‰。

D-InSAR获取的沿剖面线V-V′方向的沉降量时间序列如图11所示。

剖面线V-V′是137＃铁塔基础的横线路方向。137＃铁塔在V-V′方向的最大倾斜达到0.46‰。采空区的地面塌陷会对铁塔基础稳定性造成很大的破坏，需要对137＃铁塔采取一定的抗变形措施，以保障特高压输电线路的安全运行。

图11 剖面线V-V′方向沉降量时间序列(参考时间：2009-09-08)

六、结论与展望

利用ALOS卫星雷达影像对特高压输电线路周围采空区地表沉降监测结果表明，L波段雷达影像数据在矿山地区可保持较高的相干性，可实现对矿区地表沉降的亚厘米级监测。本文利用掩膜和低通滤波的方法将差分干涉图中的大气相位和基线误差去除，获取形变图时间序列。根据形变相位图时间序列分析了塌陷区的发育情况，发现在监测时段内塌陷区一直处于发育过程。研究结果表明：137＃铁塔基础最大累计沉降量已达到14 cm，沿输电线路和垂直输电线路的最大倾斜分别达到 1.27‰和0.46‰；138＃铁塔基础最大累计沉降量达到2 cm。采空区的地面塌陷会对铁塔基础稳定性造成很大的破坏，需要对137＃铁塔采取一定的抗变形措施，同时需要进一步利用高分辨率SAR卫星密集监视该区域的进一步塌陷状况，以保障特高压输电线路的安全运行。本文可为输电铁塔安全监测提供新的监测手段。

本文采用的是波长为23.5 cm的L波段雷达影像。由于其波长较长，导致其对微小形变不敏感，监测精度较低。而星载 X波段雷达影像的波长为3.2 cm，能够提高采空区沉降的监测精度，且其具有较高的空间分辨率和时间分辨率，可以获得更多塌陷区的变化信息。

[1] 张勇，高文龙，赵云云.煤层开采与1000 kV特高压输电杆塔地基稳定性影响研究[J].岩土力学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] 张建强，杨坤，王予东，等.煤矿采空区地段高压输电线路铁塔地基处理的研究[J].电网技术，2006，30 (2)：30-34.

[4] 杨风利，杨靖波，韩军科，等.煤矿采空区基础变形特高压输电塔的承载力计算[J].中国电机工程学报，2009，29(1)：100-106.

[5] 刘国林，张连蓬，成枢，等.合成孔径雷达干涉测量与全球定位系统数据融合监测矿区地表沉降的可行性分析[J].测绘通报，2005(11)：13-16.

[6] 陶秋香，刘国林，刘伟科.L和C波段雷达干涉数据矿区地面沉降监测能力分析[J].地球物理学报，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] 刘金龙，郭华东，宋瑞，等.多模式雷达在矿区沉降监测中的应用研究[J].遥感技术与应用，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

国家自然科学基金(41274048)；国家电网公司(09-WGCX06273)；国家大坝安全工程技术研究中心(2011NDS014)作者简介:王明洲(1989—)，男，山东德州人，硕士生，研究方向为雷达遥感应用研究。

王明洲，李陶，刘艳.L波段雷达卫星监测采空塌陷区及输电铁塔基础变形研究[J].测绘通报，2014(7)：58-62.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0226