时序干涉SAR技术在变电站地表沉降反演中的应用.pdf

经纬天地Survey World2023年第3期No.32023时序干涉 SAR 技术在变电站地表沉降反演中的应用刘江龙1，何金铭1，闫鑫2，韩高飞3（1.内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020；2.月明星（北京）科技有限公司，北京 100089；3.内蒙古超高压供电公司，内蒙古 呼和浩特 010080）摘要：新型电力系统对电网设施的安全监测提出了更多维度的要求，针对电网的安全监测体系中地表历史沉降问题，提出了基于时间序列干涉合成孔径雷达（SAR）技术对超高压变电站地表沉降历史反演进行运用研究，用于已建电网设施的安全评价和治理。采用高时间分辨率和高地面分辨率相结合的方式进行历史存档时间序列数据收集、处理和验证分析，得出了时序干涉SAR技术在长时间历史沉降趋势变化监测中的优点和适应性，并客观地提出运用层面存在的问题。关键词：时序干涉SAR；超高压变电站地表沉降；数据处理；地表沉降历史反演中图分类号：TP79文献标识码：A文章编号：2095-7319（2023）03-0052-04Application of time series interferometric SAR technologyin inversion of substation surface subsidenceLIU Jianglong1，HE Jinming1，YAN Xin2，HAN Gaofei3（1.Inner Mongolia Electric Power Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Hohhot 010020,China;2.Moon Bristar（Beijing）Technology Co.,Ltd.,Beijing 100089,China;3.Inner Mongolia EHV Power Supply Company,Hohhot 010080,China）Abstract:The new power system requires more dimensions for the safety monitoring of power grid facilities.Aiming at the problemof historical surface subsidence in the safety monitoring system on the power grid side,the application research of historical surfacesubsidence inversion of EHV substation based on time series interferometric synthetic aperture radar(SAR)technology is proposedfor the safety evaluation and governance of the built power grid facilities.The combination of high time resolution and high groundresolution is used to collect,process and verify the historical archive time series data,and the advantages and adaptability of timeseries interferometric SAR technology in monitoring the long-term historical settlement trend change are obtained,and the problemsexisted in the application level are objectively put forward.Key words:timing interference SAR;surface settlement of ultra-high voltage substations;data processing;inversion of the historyof surface subsidence0引言在新型电力系统中，新能源电网作为高消纳比系统的核心地位更加突出。超高压 500 kV 变电站作为电力能源输送中的枢纽，具有占地面积大、设备分布密集和高压带电运行等特点。虽然超高压变电站的建设充分考虑到了地质环境的稳定性，但由于气候及地质条件的不断变化，还是给其在施工期间以及后期运营期间带来了不小的安全隐患。与传统水准监测相比，利用该技术获取的监测点位空间密度提高了几十甚至上百倍，对地物变形监测的精度达到亚毫米级，并且单次的测量范围可以达到 1500 km以上1。相比于传统的监测手段，卫星雷达遥感技术可实现全天候、全天时、全地形及高频次的地物变形监测，因此本技术适用于大面积普查及高精度详查等筛查阶段，同时可运用于电网、变电站等高危及特殊区域的地质灾害监测。利用该技收稿日期：2022-04-12作者简介：刘江龙（1982），男，甘肃定西人，硕士研究生，正高级工程师，主要从事电力工程摄影测量和遥感等工作。E-mail：526月术，能够实现对变电站内重要建筑物设施及周边做“体检”操作，也可以尝试对历史沉降进行追溯和反演，从中探寻沉降发生的前因后果。常规D-InSAR技术有两轨、三轨及四轨差分等，最常使用的是两轨差分技术，通过两景 SAR 数据影像组成一组干涉对进行差分干涉分析，监测效率高，但由于其监测变形精度受到时间及空间相干性的影响，会引入大量（如相位噪声、大气延迟、地形相位等）误差，导致监测精度仅能达到厘米级2-3，因此在高精度地物变形测量的过程中很难发挥重要作用。为了解决相干性误差导致的监测精度问题，提出基于永久散射体的时间序列干涉 SAR 技术。然而该技术只能对城区等高相干目标进行监测，获取的监测点空间密度不够，不足以展示变电站形变细节，而且不能获取植被覆盖地区的形变信息。由此发展出了第二代时序干涉 SAR 技术，其典型代表是 JS-InSAR 处理技术。该技术能够有效地提升处理区域相干性及信噪比和形变监测点的空间密度，在保证毫米级形变监测精度的同时，获取变电站及周边设施高密度形变信息，极大地提高监测效率，提升监测自动化水平，降低人力成本，具有巨大的实际应用潜力。本文选取了地表沉降情况较为复杂的蒙西电网超高压某变电站作为技术试点，针对地表变形进行分析反演，验证了 PSI 技术监测精度，并提出未来发展方向。1时序干涉SAR技术运用时序干涉 SAR 技术对同一地区进行长期形变探测时，需要十几景或者几十景在形变监测期内不同时间获取的 SAR 影像作为数据源，称之为 SAR 影像时间序列。时序干涉 SAR 技术的核心算法是对所探测出来的永久散射体点进行时序相位信息分析，从中分离和提取出各个相位分量，最终获取对应于时间序列的时序形变信息。1.1SAR影像时间序列每景参与计算的 SAR 影像即为 SAR 影像时间序列，探测出来的高相干性像元即为 PS 目标。参与数据处理的每一景 SAR 影像，记录了雷达波与地面目标交互后的回波信号强度信息（振幅）和相位信息，以复数的形式进行记录和存储。对于每一景 SAR 影像中的像元 m，其观测值如式（1）所示：Lm=am+bm i（1）式中：Lm为像元 m 所记录的雷达回波观测量；am和bm分别为像元对应雷达回波信号的复数实部和虚部；i为虚数单位。根据复数的实部和虚部数值，可以计算出像元所对应的雷达回波信号的强度（振幅）和相位信息，计算关系如式（2）、式（3）所示：Am=|am+bm i=a2m+b2m（2）m=arg Lm（3）式中：Am和m分别为像元 m 所记录的雷达回波信号的振幅和相位值，且m为位于主值区间-，内的相位缠绕值。1.2时序干涉 SAR 原理当采用时序干涉 SAR 技术监测地物目标时，需要对每景影像中的地物相干性信息进行提取，选取永久散射体（PS）点。选取 PS 点需要考虑以下 3 个4-5：（1）地物目标的物理特性（温度、湿度、反射率等）及其相干性；（2）微波遥感卫星数据基线（空间基线及时间基线）长度、卫星拍摄角度及微波雷达采用的波长；（3）微波遥感卫星成像时刻的大气延迟误差。PSI 技术是通过获取同一地区各时刻不同的微波遥感影像组成数据集（数据集一般不少于 25 景影像），综合分析所有影像中各像元的特征进行影像配准，并通过相干性分析，提取 PS 点位，并按照时间顺序及一定的组合形式，对每个 PS 点位进行差分干涉处理，最终对得到的干涉相位进行滤波、解缠等处理，从而获取目标区域 PS 点位时序变形信息。技术流程如图 1 所示。常用的 PSI 方法有公共主影像干涉对组合模式、小基线集组合模式和自由组合模式 3 种。（1）公共主影像干涉模式：干涉对组合模式数据处理的关键在于在多时相 SAR 影像序列中选出最佳相干性的主影像，特别是采用 Sentiel-1A/1B 数据进行大范围普查时，首先要建立数据优化数学模型。而建立数据优化数学模型的过程中，我们需要对每两景 SAR 数据进行基线和多普勒质心频率差进行综合分析比对，将干涉系统的综合相关系数达到最大时对应的影像作为公共主影像。（2）小基线集组合模式：采用自由组合构成干涉对，并利用空间基线阈值法选取短基线干涉对，进一步减弱空间失相关的影响。通过设定空间基线阈值，将不同时间获取的同一区域的 SAR 影像进行分组，将干涉空间基线小于阈值的SAR 影像归为一个子集，将所有 SAR 影像分为若干个子集，子集内部的 SAR 影像可以任意组合成干涉对，而子集之间通过公共 SAR 影像联系起来，相比公共主影像干涉对组合模式，小基线集是指时间基线及空间基线控制在较短范围内图 1PSI 时序干涉 SAR 技术流程刘江龙，何金铭，闫鑫，韩高飞：时序干涉 SAR 技术在变电站地表沉降反演中的应用53经纬天地Survey World2023年第3期No.32023的时间序列监测手段，可以通过较少的影像，形成更多的干涉对，从而提高我们对相位观测的次数，最终提高对地物变形的分析精度。（3）自由组合模式：对采集的所有 SAR 数据影像两两配对进行干涉处理，可有效提高干涉对数量，从而提高相位观测的次数。与 PSI 技术和 SBAS 技术相比，在影像集数量一定的情况下，这种方式可以获得更多的相位观测值，增加数据处理的多余观测值，但也会引入严重的噪声，导致部分 PS像元被舍弃。2数据处理2.1处理软件及数据源本文采用月明星（北京）科技有限公司的 PICUPID 软件对卫星数据进行了处理。其中普查阶段 SAR 影像采用Sentinel-1A/1B 数据，光学影像采用高分遥感数据，分辨率优于 0.5 m，DEM 采用 DMC 航摄仪获取的巡查影像进行立体采集；详查数据采用 COSMO-SkyMed 高分辨率雷达卫星影像，设施采用地面三维激光扫描和无人机载倾斜摄影进行数据获取。项目研究区域收集数据如表 1 所示。阶段普查阶段详查阶段范围变电站及其周边重点区域站内及外墙外延30 m数据类别SAR影像数据高分遥感影像数据高精度DEM数据SAR影像数据可见光影像数据地面激光点云水准沉降数据数据类型/规格Sentinel-1A/1B分辨率0.5 mDMC航摄仪COSMO-SkyMed无人机载倾斜摄影测量三维激光扫描成果数据二等水准数量80景1景3 km6景0.25 km0.24 km781个时间2015/06/152021/08/302014/04/062017/09/29、2017/10/31、2017/11/16、2017/12/18、2018/01/19、2018/02/042021/07/052017/09/232020/09/122019/06/152021/07/02项目研究用途变电站及周边地表沉降范围和趋势监测区域遥感解译差分干涉处理变电站形变点云加密站内设施细分、编码和专题图编绘高精度DEM、构架及支架倾斜计算历史反演数据验证表 1项目研究区域收集数据列表2.2Sentiel-1A/1B 数据时序干涉SAR 处理2.2.1Sentinel-1A/1B 数据的预处理普查数据预处理分 4 个阶段：（1）数据格式转换，需要将数据转换为标准的单视复数影像；（2）时序配准，通过建立主从影像之间同名点的映射关系，将从影像中的像元进行计算，SAR 影像的配准精度需要达到 1/8 像元；（3）目标区域选择，目的是将非监测区域进行分离；（4）地理编码，是坐标系转换的过程。2.2.2Sentinel-1A/1B 数据的时序处理PSI 的计算步骤如下：（1）时序配准；（2）PS 点筛选；（3）PS点差分干涉技术；（4）形变解算；（5）相位解缠；（6）时空滤波；等等。本文采用 80 景 Sentinel-1A/1B 数据组成时序干涉数据集，通过相干性分析，提取 PS 点位，筛选各影像与其他影像之间的时间基线及空间基线，确定出公共主影像，剩余影像作为副影像，形成干涉对进行差分干涉处理，分离大气延迟误差和地形数据误差，得到 PS 点形变信息，结果采取内插的方式获得研究区域地表沉降信息。其中我们对差分干涉相位采用时间及空间滤波，并对其进行非线性相位变形结果估计，去除大气、地形等残余相位，最终获取每个 PS 点的时间序列变形结果数据。2.3COSMO-SkyMed 数据时序干涉SAR处理流程2.3.1COSMO-SkyMed 数据的预处理根据普查结果，确定形变量较大的区域及年份，收集符合变电站位置的影像数据，本项目选取 3 m 分辨率的COSMO-SkyMed 数据。2.3.2基于COSMO-SkyMed 数据的时序处理SABS 技术是通过选取较小时间基线及空间基线的SAR 卫星数据集，组成较多干涉对，进行逐像元的差分干涉相位时间序列分析，从而获取地物时序变形的一种技术手段，适用于数据量较少的情况。其数据处理流程主要包含数据批量预处理、多干涉对批量差分干涉计算、时间及空间形变量估算、形变量计算等。3历史反演成果分析3.1Sentinel-1A/1B 数据普查成果及分析项目研究区域 Sentinel-1A/1B 数据变化，如图 2 所示。可以发现变电站及周边高填方区域的平均沉降量明显高于挖方区，后期变化趋于稳定，项目研究区域 Sentinel-1A/1B 成果数据统计，如图 3 所示，均值与中值的偏离度较小，众数呈季节性扰动，总体沉降区域趋于稳定，考虑到站内地表过水情况和数据变化速率，将 2017 年2018 年作为小基线高分辨率数据处理的重点时间段。546月3.2COSMO-SkyMed 数据小基线数据集处理结果采用小基线集技术进行处理，共得到 8259 个监测点，监测结果显示该变电站变形速率在-5 mm/a17 mm/a，COSMO-SkyMed 数据小基线集累积沉降量，如图 4 所示。变电站东南角存在一处沉降区域（图 4 中 T1 区域红色沉降量拟合线），6 个月的形变速率为-4.574 mm/a，最大累积沉降达到 5 mm，经现场运行复核，该处为 2017 年 9 月暴雨后出现整体下沉现象。3.3历史反演成果分析本文采用重合时间段的时序干涉 SAR 数据处理成果与传统几何水准成果进行了比对，变电站典型点位沉降量时间序列图，如图 5 所示，变电站典型点位几何水准沉降量时间序列图，如图 6 所示，其中横坐标为监测时段，纵坐标为该点位累计沉降量。在监测期间，地表的沉降趋势（图 5 和图 6 中红色沉降量拟合线）基本互相吻合，站内地表沉降量趋于稳定。图 5 中，PS 是永久散射体点号；coher 是监测点位点号；vel 是监测点变形速率；v_stdev 是变形速率标准差。4结语本文开展的基于时间序列干涉 SAR 技术进行超高压变电站地表沉降历史反演，为后续地基处理和安全运行提供了翔实的历史形变数据，充分体现干涉 SAR 技术在电网设施安全监测中展现出高精度、短周期、安全性等特点，实现了基于时间序列干涉 SAR 技术普查与详查相结合技术验证，并查阅了变电站运行记录，对监测数据进行交叉验证和评价，证明了此监测方法的可行性和准确性，该技术在电力行业形变监测中具有广阔的运用前景。参考文献：1张钰松.时序 InSAR关键技术研究及其在电力基础设施形变监测中的应用D.西安:西安电子科技大学,2021.2陶李,杨长江,易祎,等.基于InSAR技术在输变电工程形变监测中的应用J.电力勘测设计,2020(S2):88-96.3张洋.D-InSAR监测矿区形变的关键技术研究J.经纬天地,2019(2):49-52.4肖行诠,张金宝,焦一飞,等.JSInSAR技术在变电站及电力铁塔形变监测中的应用J.中国电力,2018(11):45-52.5张金宝,吕孝雷,卢晓军.结合KSTEST统计检验方法的联合像素时序干涉SAR处理技术J.测绘通报,2017(8):84-87.图 2项目研究区域 Sentinel-1A/1B 数据变化专题图图 3项目研究区域 Sentinel-1A/1B 成果数据统计图图 4COSMO-SkyMed 数据小基线集累积沉降量专题图图 5变电站典型点位沉降量时间序列图图 6变电站典型点位几何水准沉降量时间序列图刘江龙，何金铭，闫鑫，韩高飞：时序干涉 SAR 技术在变电站地表沉降反演中的应用55