利用多InSAR技术分析某天然气管道填方区形变

谭 超 薛 廉 齐得旭

1四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川成都，610032

油气管道是国家重要的基础设施，担负着保障国家能源安全、保障油气供应的重大责任和使命。油气管道的保护关联国家能源安全，涉及民众的生命财产安全，至关重要［1］。然而，管道附近填方区的堆积可能会导致滑坡、地面沉降等地质灾害，威胁到管道的安全。为了保证管道的安全性，必须进行高效准确的变形监测。传统的测量手段（如水准测量、GPS等）仅能对离散点进行监测，而且耗时、耗力、成本高［2，3］，合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar，In SAR）技术突破了传统单点形变测量的限制，通过干涉测量的方法获取区域形变，具有大范围、全天候、低成本的特点，被广泛应用于滑坡、火山、地震、沉降等形变监测中［4，5］，为管道附近区域的形变测量提供了重要的技术支撑。

为了研究某天然气管道高填方区的形变特征，本文使用27景降轨Sentinel⁃1A卫星影像进行In SAR数据处理和分析，获取研究区2018⁃06—2019⁃05的形变信息，通过形变曲线分析研究区的形变阶段和特点，结合实地调查判断高填方区对管道的影响。

1 研究区概况

某天然气管道K724+580高铁检修站高填方区位于四川省广元市经济开发区盘龙镇东升村9组，管道从丘陵沟谷⁃斜坡过渡地带通过，坡体上第四系覆盖层较厚，下伏基岩为侏罗系沙溪庙组砂泥岩互层。由于修建动车所检修站，场地平整开挖形成的弃渣堆填在某天然气管道南侧，目前形成高10 m的填方区。高填方区位于嘉陵江流域，附近无大型地表水体，仅有中小型灌溉堰塘与季节性冲沟，地表流量受季节影响大，调查期间汇水地带及季节性冲沟仅有少量积水。区域地貌类型属于缓丘~中丘。由于修建动车所检修站，在管道附近进行了大规模土石方作业，形成了高填方区，整体面积10 000 m2，高差约10 m，方量约10万m3，填方边坡整体坡度约32°。管道穿越区位于丘陵沟谷⁃斜坡过渡地带，斜坡整体呈阶梯状，坡度较平缓，整体约6°。图1为高填方区与管道的相对位置。根据现场调查，管道南侧的高填方区还将继续堆填增高，坡脚目前距管道仅6 m，填方边坡在天然状态下处于基本稳定状态，但土体较为松散，原地形处于汇水区域，区域地表与地下水较为发育。现场边坡出露基岩为泥岩，饱水强度降低。目前状态下填方体坡脚未设置支挡措施，在长期持续降雨条件下，填方边坡边缘土体易失稳侧滑，可能对管道产生侧向挤压的作用。

图1 高填方区与管道的相对位置Fig.1 Relative Position of the High Fill Area and the Pipeline

在现场调查的基础上，本文采用多InSAR技术对填方区潜在灾体的时序形变数据进行分析，查明潜在灾体及典型点的形变规律，分析现今变形破坏迹象及其形成条件，分析其成因机制，为管道的安全运营提供防治依据。

2 InSAR形变监测和结果分析

2.1 In SAR形变监测

In SAR技术是极具潜力的微波遥感新技术，它是合成孔径雷达遥感成像与电磁波干涉两大技术融合的结果［4，5］。它利用两副天线同时观测（单轨双天线模式）或两次平行观测（重复轨道模式）获得同一地区的重复观测数据（单视复数影像对），通过提取同一目标对应的两个回波信号之间的相位差（干涉相位）并结合观测平台的轨道数据来获取高精度、高分辨率的地面高程及形变信息［6］。InSAR技术可以监测大范围的地面微小形变［7］，具有精度高、视域广、连续性强、安全性高、全天时、全天候等优点［8，9］，被广泛应用于地表形变监测［10⁃13］。本文使用差分合成孔径雷达干涉测量（differential In SAR，D⁃In SAR）、永久散射体合成孔径雷达干涉测量（permanent scatterer In⁃SAR，PS⁃In SAR）、短基线子集合成孔径雷达干涉测量（small baseline subset InSAR，SBAS⁃In SAR）技术对研究区域进行监测。

本文的监测重点是潜在灾体，其地势为南东高、北西低，坡向为北西向。根据斜坡位移特征，其主要位移方向应当是由南东往北西。考虑到监测区范围、监测区自然地理条件、卫星数据的时效性、空间分辨率及经济性等因素，本文采用Sentinel⁃1A卫星降轨高分辨率SAR影像数据进行监测，共获取到2018⁃06—2019⁃05的27景影像。

2.2 监测结果与分析

为了追溯监测区的历史时序形变，本文采用PS⁃In SAR及SBAS⁃InSAR技术提取形变，形变点分布图见图2和图3。可以看出，PS⁃In SAR技术探测出的PS点极少（彩色点为PS点），主要分布于居民区，尤其是潜在灾体上没有PS点，SBAS⁃In SAR监测到的点较多，但是潜在灾体上仍然存在数据缺失，这主要是由于山区稳定的散射体数量较少，而且植被比较茂密。

图2 大区域范围形变点分布情况Fig.2 Distribution of Deformation Points in Large Area

图3 目标区形变点分布情况Fig.3 Distribution of Deformation Points in the Target Area

为进一步监测和分析监测区域的时空形变特征，弥补PS⁃In SAR和SBAS⁃In SAR部分区域数据缺失的问题，对27景Sentinel⁃1A降轨影像，以每相邻12天的影像为干涉对进行D⁃In SAR处理，获得了监测区26个时段的形变信息，分析潜在灾体在12天内的空间形变特征及间隔12天的时序变化特征，部分时段形变量分布见图4。

通过多项式拟合图4中的各监测时间段内形变量最大值、最小值，计算出区域拟合平均值，如表1所示，以监测时间为横轴，区域拟合平均值为纵轴，可以得到目标分析区的形变趋势，如图5所示。

图4 部分时段形变量分布Fig.4 Distribution of Deformation in Some Periods

根据表1和图5，潜在灾体在2018⁃06⁃21—2019⁃05⁃11期间沿瞄准线（line of sight，LOS）方向的形变特征可分为3个时期：

图5 目标区形变量趋势Fig.5 Deformation Trend in the Target Area

表1 目标区形变信息Tab.1 Deformation Information in the Target Area

1）2018⁃06⁃21—2018⁃10⁃07，曲线波动较为规律，根据实地调查，监测区在此时间段正值雨季，降水较多而且频率较高。上述分析表明，监测区地表的形变变化特征受降水影响，属于正常波动。

2）2018⁃10⁃07—2018⁃11⁃24，雨季接近尾声，区域进入较稳定期。

3）2018⁃11⁃24—2019⁃05⁃11，曲线出现明显变化，根据实地调查可知，现场于12月左右开始填方，人类工程活动明显，地表形变相对剧烈。

3 结束语

本文基于监测区2018⁃06⁃21—2019⁃05⁃11的27景Sentinel⁃1A降轨卫星数据，分别采用PS⁃InSAR、SBAS⁃In SAR与D⁃In SAR技术提取了形变信息，分析了其时空变化特征。分析PS⁃InSAR与SBAS⁃In⁃SAR两种技术的处理结果发现，两种结果的形变发育分布基本一致，这相互印证了处理结果的合理性。在此基础上，进行D⁃In SAR处理并进行时序分析。监测区在2018⁃06⁃21—2019⁃05⁃11间的形变趋势总体可以分为规律波动期、稳定期、剧烈波动期3个阶段，2018⁃11⁃24—2019⁃05⁃11地表形变相对剧烈。

根据现场调查，该工程建设计划高填方区还将继续堆填增高，由于土体不断堆填，自重应力不断增加，下部土体压缩变形，压缩变形导致的变形相对剧烈。高边坡相对坡体内部土体，坡表主应力发生偏转，加之新近填土抗剪强度较差，坡体表层填土颗粒发生相对位移以适应坡表应力环境。因此，坡表变形较大，在降雨、人工扰动、地震等外因作用下，有发生浅表层滑塌的风险，一旦发生滑动，对管道产生侧压，威胁到管道的安全。因此，在管道运行期间要加强坡体变形监测，保证管道安全运行。