康 鑫，朱珺，耿留勇

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007)

利用InSAR技术监测采矿区地表输电铁塔时序形变

康 鑫，朱珺，耿留勇

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007)

针对传统输电铁塔形变监测和风险评估存在的局限，本文提出利用合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)技术监测采矿区地表输电铁塔的时序形变。首先，将覆盖输电铁塔时间相邻的SAR影像生成差分干涉图，然后，剔除InSAR监测形变中大气相位、轨道误差、高程残差等因素的影响，最后，通过累加各时间段内的形变获取输电铁塔的时序形变。以山西某矿区地表两座输电铁塔为例，利用本文方法监测了其时序变形，结果表明，两座铁塔在2007年7月至2009年2月期间一直处于下沉状态，其最大累计形变分别达到了0.23 m和0.11 m。为了保证输电线路的安全运行，需对其进行防护和控制处理。

InSAR；采矿区；时序形变；误差相位剔除；输电铁塔。

1 概述

维护输电线路的安全运行是国民经济稳定发展的重要保障。输电铁塔作为输电线路的重要组成部分，监测其变形并以此提前评估和控制潜在的风险对确保输电线路正常运行起至关重要的作用。由于受到各种条件限制，部分输电线路不可避免地经过地下采矿区，如我国的晋东南—南阳—荆门1 000 kV特高压输电线路仅在山西境内就有90 km长的线路经过采煤区。然而，地下开采如果不回填就形成了采空区，采空区容易导致地表发生剧烈且迅速的塌陷和变形，严重威胁位于采空区地表的输电铁塔的安全。因此，做好采矿区地表输电铁塔的变形监测是维护输电线路稳定运行的重要保障措施。

对于采矿区地表输电铁塔的变形监测，传统的方法主要利用数值模拟方法，如FLAC3D、ANSYS等，预计输电铁塔的潜在变形并以此评估可能的破坏风险。然而，数值模拟法是基于一定假设建立起的理论模型，其与实际情况存在差异，因此可能导致输电铁塔风险的低估或高估，从而威胁输电线路安全或造成不必要的资源浪费。另外，其评估精度远低于利用实地测量。然而，若利用传统测量手段(如GPS、全站仪、水准仪等)监测坐落于矿区地表的铁塔则会费时费力，且效率较低。

合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)技术作为一种全新的遥感技术，在采矿区形变监测中成功应用. 相对于传统方法，InSAR技术具有如下优势：(1)该技术为全天候、全天时观测、无接触式测量，克服了传统测量受天气影响较大等局限；(2)覆盖范围较大(如标准ALOS PALSAR影像大约覆盖70 km×70 km)，该技术能一次监测几十甚至上百座输电铁塔的变形，监测效率高；(3)InSAR能够提供变形区域的“面状”形变数据，而不是传统测量手段监测的少量离散点。鉴于以上传统测量手段无法比拟的优势，本文提出利用InSAR技术监测采矿区输电铁塔的时序变形。

2 采矿区输电铁塔InSAR时序形变监测方法

2.1 D-InSAR技术的基本原理

差分合成孔径雷达干涉技术(Differential InSAR，D-InSAR)是目前较为成熟的InSAR技术之一。该技术通过处理两景SAR影像的相位获取该时间段内地表变形信息。根据文献，差分干涉图中的相位δφ可由以下公式描述：

式中：λ为雷达波长；Δd为影像获取时间内地表形变；δφΔH为数字高程模型的高程残差相位；δφatm为大气延迟相位；δφorbit为轨道残差相位；δφnoise为噪声相位。

从式(1)中可以看出，差分干涉图中不仅含有地表变形，还有如大气延迟、轨道残差、高程残差等相位影响。因此，若想获取采矿区地表输电铁塔的变形，需削弱非形变相位对差分干涉相位贡献的影响。

2.2 采矿区输电铁塔InSAR时序形变监测

由于D-InSAR技术仅能获取两景影像获取时间内的差分形变，而不是时序形变。因此，本文通过累加时间相邻的两景SAR影像获取的差分形变监测采矿区输电铁塔的时序形变，其具体步骤如下：

(1)利用时间相邻的两景SAR影像获取该时间段内的输电铁塔的差分干涉相位；

(2)对于每对差分干涉相位利用多项式拟合削弱轨道误差和大气相位延迟相位、基于高程残差只与垂直基线有关的特点剔除高程残差相位并利用InSAR滤波技术去除噪声相位，从而得到该时间段内输电铁塔的变形；

(3)累加输电铁塔处的各时间段的形变，从而获得了整个SAR影像时间段内的采矿区输电铁塔时序形变。

3 实验与结果

3.1 实验区域与SAR数据

本文选取山西省某煤矿(图1红色矩形)开采区地表两座输电铁塔(见图3 T-#1和T-#2)为研究对象。从图1中可以看出，该地区主要以山地和丘陵为主，地形复杂，其高程从980 m到2106 m。

图1 研究区域数字高程模型

为了监测该区域地下开采对地表输电铁塔造成的变形，本文选取了覆盖该研究范围的12景ALOS PALSAR影像按照时间相邻原则组成11对InSAR干涉对，其结果见表1。

表1 PALSAR影像数据参数

3.2 采煤区InSAR时序形变获取

首先，基于“二轨法”和SRTM DEM(图1)将表1中的干涉对生成差分干涉图，并使用最小费用流法解缠相位。之后，采用2.2中描述的大气相位延迟、轨道误差、高程残差及噪声相位的削弱方法校正解缠相位并将校正后的相位转换为雷达视线向(Line of Sight, LOS)形变，其结果见图2。

由于直接利用InSAR监测的采煤区形变为LOS方向，其为地表真实三维形变的合成。鉴于采煤区主要以下沉为主，因此，本文将忽略LOS方向水平移动贡献而将LOS向形变直接转换为下沉，即：

式中：W为下沉值；LOS为雷达视线向形变；θ为雷达入射角(本文取θ=38°)。

图2 研究采煤区LOS向形变图

3.3 输电铁塔的InSAR时序形变

为了清晰地呈现两座输电铁塔的变形情况，绘制了铁塔处的时序形变，其结果见图3。

图3 输电铁塔时序形变

从图3中看以看出，在2007年7月1日至2009年2月18日期间，输电铁塔#1和#2一直处于下沉过程，在该时间段内，两座铁塔的最大累计形变分别为0.23和0.11 m。该结果表明为了保证输电线路的安全运行，需对两座铁塔进行一定的防护和控制处理。

4 结论

本文提出利用InSAR技术监测采矿区地表输电铁塔的时序变形，大大克服了传统监测方法存在的局限，提高了监测效率。最后，选用山西某矿区采空区上2座输电铁塔为研究对象，利用12景PALSAR数据监测了其在该时间段内的时序形变。通过实验发现，在2007年7月1日至2009年2月18日，两座铁塔一直处于下沉状态，其最大累计沉降值分别达到了0.23 m和0.11 m。为了保证输电线路的安全运行，需对其进行防护和控制处理。

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Application of InSAR Technique to Monitor Time-series Displacements of Transmission Towers Located in Mining Area

KANG Xin, ZHU Jun, GENG Liu-yong
(China Energy Engineering Group Hunan Electric Power Design Institue Co., Ltd, Changsha 410007, China)

This paper proposed a method for measuring time-series deformation of transmission towers located in mining area on the basis of Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR)technique, in order to reduce the limitations of traditional approaches for monitoring and assessing transmission tower. More specifically, we firstly generated differential interferograms with time-adjacent SAR images and then removed the error phases besides ground deformation with some strategies. Then, the time-series deformation of transmission towers was obtained by summing the corrected phases. Taking two transmission towers located on a mining area of Shanxi province, China as an example, and monitoring their time-series deformation utilizing the proposed method. The results indicate that the two towers have subsiding during July 2007 to February 2009 and the maximum subsidence is 0.231 m and 0.11 m, respectively. A few protection and control measures should be imposed to ensure the safety of transmission lines.

InSAR; mining area; time-series deformation; error phase elimination; transmission tower.

P2

B

1671-9913(2017)02-0011-04

2015-05-13

康鑫(1970- )，男，湖南平江人，教授级高级工程师，长期从事勘测工作。