时序InSAR技术在三峡库...输电通道滑坡隐患识别的应用_张领旗.pdf

年 第 期 张领旗，等：时序 技术在三峡库区特高压输电通道滑坡隐患识别的应用引文格式：张领旗，谢酬，陈蜜，等：时序 技术在三峡库区特高压输电通道滑坡隐患识别的应用 测绘通报，（）：时序 技术在三峡库区特高压输电通道滑坡隐患识别的应用张领旗，谢 酬，陈 蜜，田帮森，杨 知，朱 玉（首都师范大学城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地，北京；首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室，北京；首都师范大学水资源安全北京实验室，北京；中国科学院空天信息创新研究院，北京；中国电力科学研究院有限公司，北京）摘要：位于三峡库区的特高压输电线路是我国电力供应的重要一环，由于三峡库区以滑坡为主的地质灾害频发，严重威胁了特高压输电线路的安全，因此滑坡的监测和识别对特高压输电线路的安全运行尤为重要。针对三峡库区复杂的地形和气候条件，本文提出自适应优化构网的方法，并应用于时序 处理流程，对三峡库区万州巴东的 景 数据进行处理，实现特高压输电通道的地表形变监测。使用同步观测的北斗卫星导航系统观测数据和金鸡岭滑坡的实地考察数据，验证了时序 监测结果的可靠性。根据时序 的监测结果，在输电通道内识别出 处明显的滑坡隐患，进一步对监测的金鸡岭滑坡时间序列形变进行分析，发现该滑坡的形变特征与降雨、库水位和工程扰动有一定的关联。关键词：时序；三峡库区；特高压输电通道；滑坡监测中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，；，）：（），（），：；年 月 日，四川省丹巴县的阿娘寨滑坡体复活，导致此区域的两基超高压输电杆塔在滑收稿日期：基金项目：国家重点研发计划（；）作者简介：张领旗（），女，硕士，研究方向为 形变监测。：通信作者：谢 酬。：测 绘 通 报 年 第 期坡体持续变形的 个多月后倒塌，严重影响了输电安全。在三峡库区，滑坡等地质灾害频发。滑坡引起的地表形变会对附近特高压输电杆塔的安全造成严重的威胁。因此在三峡库区开展滑坡的监测和识别对特高压输电网络的安全具有重要意义。传统的滑坡监测主要依赖于实地调查，在大面积的滑坡监测中，具有人工和设备成本高的缺陷。合成孔径雷达差分干涉测量技术（，）的出现为传统的实地调查提供了有效的补充手段，但是 技术在监测中容易受到时空失相干和大气延迟的影响，导致监测结果精度较低。为解决这一问题，很多研究学者又相继提出了永久散射体技术（，）、小基线集技术（，）、分 布 式 散 射 体 技 术（，）等时序 技术。目前，时序 技术已被广泛地应用于滑坡的监测和识别。文献利用时序 技术对雅砻江流域的高山峡谷区域进行了滑坡灾害隐患早期识别，成功探测到 处隐患区域。文献 采用时序 技术对四川丹巴县进行监测，成功识别出 处持续变形中的不稳定坡体。为解决三峡库区山高坡陡、植被覆盖茂密和多云多雨的复杂地质气象条件给时序 形变监测带来的难题，本文提出自适应优化构网的方法，并应用于时序 技术的处理流程，将研究区内的 点和 点进行联合解算，得到研究区内的地表形变信息，对特高压输电线路周围 范围内的滑坡进行形变监测和识别，为特高压输电通道的安全运行提供技术保障。研究区和数据介绍.研究区概况研究区位于三峡库区的万州巴东段（如图 所示），经过湖北和重庆两个省市，长江横穿而过。研究区内植被繁茂，降水丰富，且三峡库区的人类工程多在斜坡上完成，如削坡、修建公路、建住宅区等，再加上受库水位升降的影响，容易造成滑坡、泥石流等严重的地质灾害。研究区内架设多条特高压输电线路，输电线路横贯研究区东西，若发生滑坡等地质灾害，可能严重威胁特高压输电通道的安全运行。.数据介绍 数据具有重访周期短，覆盖范围大的特点，适合三峡库区大范围的地质灾害监测。本文收集了覆盖研究区的 年 月 日 年 月 日共 景 升轨数据，数据覆盖范围如图 所示。获取了 精密轨道数据和研究区 数据，用于时序 处理过程中的误差校正。同时获取了研究区内特高压输电杆塔线路的位置，监测时间内三峡库区的库水位数据和降水数据，湖北省巴东县的 个北斗卫星导 航 系 统（，）的站点观测数据，用于后续的分析。图 研究区域 研究方法及原理由于在植被茂密、建筑物较少的三峡库区难以获取足够的 点，本文将同时获取 点和 点，并利用自适应优化构网的方法进行联合解算得到研究区的地表形变信息。.点的选择 点通常分布在建筑物、裸露的岩石、人工角反射器等后向散射特性较强且稳定的地物上。首先利用振幅离差法初步筛选出 候选点，然后利用相位稳定分析法确定最终的 点。以湖北省巴东县的部分区域为例，在该区域选取的 点数量为 个，点的分布如图（）所示。.点的选择 点通常分布在裸地、道路等具有中等后向散射特性的地物上。首先利用 检验方法筛选出同质点，然后采用相干矩阵特征值分解法对选取的同质点进行相位优化，去除相位噪声，得到相位最优的 点。以湖北省巴东县的部分区域为例，在该地选取的 点数量为 个，点均匀地分布在研究区内，选取的 点数量约为 点的 倍。将 点和 点进行联合后的分布如图（）所示。年 第 期 张领旗，等：时序 技术在三峡库区特高压输电通道滑坡隐患识别的应用图 散射体的位置分布.自适应优化构网 三角网是目前最常用的构网方式，但由于没有以相位连续性规则作为约束，当干涉图中存在变形信号、大气湍流或相位噪声时，可能会触发三角网络中相位差较高的边，导致解缠错误。针对这种现象，本文提出自适应优化构网的方法，构建高质量的三角网络。该方法遵循的 个标准为：设置网络边长阈值，有效避免大气和其他空间相关因素的扰动。设置网络连接边相干性阈值，高相干性的边可以保证解缠结果的可靠性。保证网络连通性，保证各监测点之间有好的连接，避免有的监测点相互之间没有连接。自适应性，在网络边稀少的区域自适应地加密网络，而对网络边密集的区域不进行网络边加密。利用自适应优化构网的方法将 点和 点联合构建三角网络，在保证连通性的基础上，去除边长过长、相干性较低的边，对网络连接边稀疏的区域进行网络边加密，形成高质量骨架网络。以湖北省巴东区域为例，构建的三角网络如图 所示。图 自适应优化构网前后对比在构建的高质量骨干网络基础上，建立邻域差分模型，计算三角网络上每个散射体之间的相位差，得到的差分相位 可表示为|（）（）式中，为线性形变；为非线性形变；（）为高程误差相位；为大气相位；为噪声相位。对差分相位进行解缠，去除高程误差、大气误差和噪声相位，将线性形变和非线性形变相加得到地表的形变信息。详细的技术流程如图 所示。图 技术流程 试验结果及分析.地表形变速率结果及精度验证对覆盖万州巴东地区的 景 数据进行时序 处理，获得雷达视线方向（，）的地表年均形变速率如图 所示。在输电线路周围 的范围内，共提取了 个点目标，平均 个 点目标。研究区内的大部分地区处于稳定状态，平均形变速率在 以内，监测到沿 向的地表最大年平均形变速率为 。图 万州巴东地表平均形变速率为验证 结果的精度，本文获取了 年 月 日 年 月 日位于湖北省巴东县的测 绘 通 报 年 第 期 个 站点（如图 所示）的地面位移监测数据。将 测量的三维方向位移转换到 数据的 方向，与时序 的监测结果进行对比。图 站点的位置以 年 月 日为参考时间，将 站点的位移数据与 监测结果进行时间序列对比，结果如图 所示。图 时序 结果与 点对比结果在 年 月 日 年 月 日的大部分监测日期中，时序 监测结果的误差都在 以内，且 个点位的 误差均值和均方根误差（）都在 以内。其中，误差均值最小为.，最 大 为.；值 最 小 为.，最大为.。在、监测点上，与 形变在时间序列上的趋势具有一致性，验证了时序 监测结果的可靠性。.滑坡识别几何畸变会使 影像失真，同时影响时序 的监测结果。为避免几何畸变影响滑坡识别的准确性，进一步对 影像进行地形可视性分析，获取 数据的可视性区域和几何畸变区域。详细的可视性分区规则见表。对研究区内的 影像进行可视性分析，其中可视性良好区域、低敏感区、透视收缩区、叠掩区和 阴 影 区 分 别 占 总 体 的.、.、.、.、.。可视性分区结果将与时序 形变监测结果、光学影像、坡度、坡向等数据共同用于后续的滑坡隐患识别分析。表 升轨 影像的可视性分区坡向坡度几何畸变和 影像可视性西、西南、西北坡度.坡度.透视收缩叠掩东、东南、东北坡度.坡度.可视性好阴影南、北对南、北向形变监测能力较弱低敏感区对时序 的形变结果进行筛选，国内外众多学者的研究结果显示，大部分滑坡的形变速率大于 。本文以 的形变速率为阈值进行滑坡识别，根据可视性分区，舍弃在叠掩和阴影处的形变区域。因为时序 监测到的形变点不一定都是由滑坡引起的变形，土地整治、建筑施工、矿山开采及地表的季节性运动等都可能在时序 结果中显示出形变信息，所以根据高分辨率光学影像对形变区域进行筛选。此外，坡度也是影响滑坡发生的重要因素，对于大多数山坡，随着坡度的增加滑坡发生的可能性也增大。在不同的地质条件下，滑坡易发的坡度不同，文献以 为阈值，将小于 的地区进行掩膜；文献以 为阈值，将小于 的形变区域设为滑坡低发区。本文结合研究区情况，以 为阈值，将坡度大于 的潜在滑坡隐患设为滑坡易发区，低于 的潜在滑坡隐患设为滑坡低发区。本文的滑坡隐患识别流程如图 所示。图 滑坡隐患识别流程综合多种因素对特高压输电线路周围 范围内进行滑坡识别，在奉节巫山段成功识别出 处正在发生形变的不稳定滑坡体（如图 和表 所示）。这些不稳定坡体若在未来发生大规模滑动，可能对特高压输电杆塔造成潜在的危害。将识别到的滑坡隐患与已知的历史滑坡进行对比验证，结果发现其中有 处是历史滑坡，分别是 和 处滑坡隐患。这两处滑坡隐患距离杆塔较近，符合易发性滑坡的特征，若发生滑坡灾害，可能对输电杆塔造成威胁。其中 点金鸡岭滑坡的现 年 第 期 张领旗，等：时序 技术在三峡库区特高压输电通道滑坡隐患识别的应用场勘验结果如图 所示。由图（）可知，金鸡岭滑坡附近有多个特高压输电杆塔。金鸡岭滑坡在 年 月前后出现滑动现象，有关部门对其进行了紧急治理工作，图 中可明显看到护坡等防护工作。但是经过降雨、库水位及工程扰动等因素的联合作用，金鸡岭滑坡出现明显的土地松动和土体滑落现象，同时出现护坡损坏的情况（如图（）所示），说明在治理后金鸡岭滑坡还是处于滑动状态，同时也验证了滑坡识别的有效性。图 奉节巴东段地表形变速率及滑坡隐患表 特高压输电通道内识别到的滑坡隐患点号范围速率（）坡度（）易发性.易发.易发.易发.易发.低发.易发.低发.易发图 金鸡岭滑坡实地调查.滑坡时序形变特征和影响因素分析金鸡岭滑坡位于重庆市巫山县，位于长江主干线北岸，靠近长江支流大宁河，距离最近的特高压输电杆塔只有约 ，若发生重大滑坡，对特高压输电杆塔可能造成安全威胁。由于 技术只能监测到 方向的形变，而滑坡的滑动一般是沿着坡面向下进行滑动，为了更加直观地反映滑坡的真实形变，需要将 向的形变信息转为沿坡向的形变。文献给出 向形变与坡向形变的转换关系为（）式中，为雷达视线方向与坡向的夹角；为雷达视线方向上的形变速率；为沿坡向的形变速率。利用式（）得到金鸡岭滑坡沿坡向的平均形变速率信息（如图 所示），转换后金鸡岭滑坡沿坡向的最大年均形变速率达 。图 金鸡岭滑坡沿坡向的年均形变速率信息巫山县平原较少，新建的城区、公路等多在斜坡上完成，需要进行人工削坡或人工堆填等工程活动，人类工程扰动破坏了坡体原有的应力平衡，极易诱发滑坡。且巫山县夏季多雨，在强降雨作用下滑坡发生的可能性大大提高。年 月金鸡岭滑坡的后缘进行了人工堆填的工程活动，年 月中旬发生了旬降水量为 的强降雨，其中 月 日的降雨量为.，直接影响了金鸡岭滑坡的稳定性，金鸡岭滑坡开始发生形变。在 年 月 日 年 月 日，金鸡岭滑坡内部沿坡向的最大累积位移量为。在金鸡岭滑坡内选取 个典型监测点（、），监测点的位置如图 所示。对 个点时间序列的形变信息进行分析，自 年 月金鸡岭滑坡开始出现形变到 年 月，金鸡岭在、点的累积形变量最大分别达到、。个监测点的形变阶段分为、个阶段（如图 图 所示）。在第阶段，年 月 年 月，、点均有明显