PSInSAR技术在换流站沉降监测中的应用

陶 李，曹鹏财，易 祎，杨长江

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

0 引言

电力是国民经济的基础，换流站设施的稳定运营，是持续提供优质的电能服务的先决条件，直接影响到地方经济的发展和居民的正常生活。换流站的健康状态不仅影响了供电秩序，而且直接影响公共安全，当地质沉降引起换流站设施损坏时，将会给国家、集体和人民的生命财产带来安全威胁，甚至会造成重大安全事故，后果不堪设想。

传统换流站运维管理模式下，运维人员依赖高精度的传统测量方法(如水准测量、GPS 等)，但这些传统监测方法存在监测周期长、受外界环境影响大、安全隐患大、成本高等劣势。InSAR 技术综合了合成孔径雷达成像原理和干涉测量技术，利用传感器的系统参数、姿态参数和轨道之间的几何关系等精确测量地表的三维空间位置，具有覆盖范围广、高空间分辨率、全天时、全天候、高精度、自动化程度高、无需地面控制点以及无需测量人员进入实地等优势，近年来，该技术广泛应用于地表形变监测各个领域。因而，InSAR 技术也为换流站及其周边环境的稳定性监测提供了新的途径。

在InSAR 技术的基础上发展起来的PSInSAR技术，利用多幅时序SAR 影像中选取保持稳定反射特性的目标作为永久散射体(PS)，其回波信号具有较高的信噪比，利用这些可靠的PS 点就可以精确反演地表形变。基于此，以下提出利用Sentinel-1 数据和PSInSAR 技术对云南某±800 kV 换流站进行沉降监测应用研究。

1 研究区域及数据

1.1 研究区域概况

试验所选换流站坐落于云南省某地，于2013年7 月投运。近年来，由于站址所处区域雨量充沛及恶劣的地质环境和频繁地震灾害的影响，换流站本体及重要构筑物的健康状态势必受到灾害影响。因此，利用InSAR 技术对换流站地表及其附属设施的稳定状态进行持续、准确的沉降监测，确保换流站安全稳定的运营，具有重要的意义。

1.2 SAR 数据

本试验采用的数据为2017 年8 月—2018 年7月的IW (宽幅)模式的28 景升轨Sentinel-1SAR影像数据，分辨率约为5 m (距离向)×20m (方位向)。Sentinel-1 卫星是欧洲航天局哥白尼计划(GMES)中的地球观测卫星，载有C 波段合成孔径雷达，可全天时、全天候提供卫星影像图像。卫星轨道高度约700 km，重访周期为12 天，主要应用于突发紧急事件，及时跟踪自然灾害和人类活动导致的灾难，具有短重访周期、快速产品生产的能力。宽幅模式作为Sentinel-1卫星的主要运行模式，对地球进行全面系统性成像，同一区域已积累了大量的免费SAR 影像数据，为开展换流站沉降监测应用研究提供了数据保障。综合考虑时间基线、空间基线和多普勒中心因素，选取2018-02-05 影像作为公共主影像，构成27 幅干涉对的时空基线分布图。试验采用SARPROZ 软件的PSInSAR 技术方法开展数据处理。

2 PSInSAR 数据处理方法

PSInSAR 是基于永久散射体提出来的，所谓永久性散射体是指某些地面物体对雷达波在相当长的时间内保持稳定的反射特性，不因时间和气候的变化而变化。通过利用多景覆盖同一地区的N+1景影像，对影像的相位与幅度等信息进行统计分析，筛选出在长时间序列下能够保持稳定散射特性的目标，作为PS 点。由于这些点表现出良好的相干性，因而对影像差分干涉处理之后可以根据这些点计算出高程改正误差及雷达视线方向上的偏移量，并通过估算线性大气效应的贡献值模拟大气相位并将之去除，达到对形变值精确优化的目的。本试验数据处理流程见图1。

图1 PSInSAR 技术数据处理流程

3 监测结果

根据上述的PSInSAR 数据处理步骤，获得换流站2017 年8 月—2018 年7 月的年平均形变速率场，明显发现站内三处区域存在沉降现象，沉降速率约为5 ～12 mm/year，分别对应换流站配电装置区、继配电室和开关柜10 kV 室，其最大沉降速率超过-12 mm/year。

分析三处沉降趋势较明显区域的沉降速率和区域内典型点沉降曲线。结果表明，典型点在2018年2 月发生沉降，并随时间累积不断下沉。

由于研究中缺少同步观测的传统测量手段的高精度监测成果，因此无法定量地评价方法的监测精度。但将InSAR 监测的发生沉降的范围与现场运维人员发现地表开裂或设施变形的区域进行对比，发现的监测结果与现场反映的结果空间分布上基本一致，这在很大程度上佐证了方法的有效性。

加工速冻蔬菜的设备包括进料运送机、果蔬清洗器、汤漂机、水冷却机、检测带、沥水和均匀入料提高机、冻结机、打包机等[1]。冻结机是生产速冻蔬菜的重要设备，通常采取空气强制循环，像隧道式持续速冻机、螺旋式持续速冻器与流化床式速冻机。近几年也逐渐采用液化气体喷射器，像液氮速冻机。而流化床速冻机是当前IQF方式下的主流设施。

4 结束语

试验运用Sentinel-1 数据和PSInSAR 技术成功监测了2017 年8 月—2018 年7 月期间的换流站的历史沉降曲线，监测结果中显示，区域内有三处沉降明显的区域，最大的年沉降速率达到了-12 mm/year，需要注意防范进一步可能发生的灾害。监测结果可为换流站工程设施沉降灾害演变规律提供参考资料，为换流站设施安全运营提供科学支撑。本试验研究结果也表明，利用InSAR技术可以有效地开展换流站(变电站)等站址工程的沉降监测，且具有高采样点密度监测优势。最后，本试验所采用的数据源为分辨率稍差的欧空局免费Sentinel-1 数据，后期可考虑采购高分辨率的雷达数据(TerraSAR-X 或COSMO-SkyMed)，观测精度及误差控制会更精确。