InSAR技术应用－电力行业

1、背景介绍

在现代社会中，维系现代城市功能与区域经济功能的基础性工程设施系统，定义为生命线工程系统，主要包括：电力系统、交通系统、通讯、城市供水、供热、供燃气系统等。作为大型复杂生命线系统的重要组成部分，电力系统的安全性问题直接影响国家的生产建设和人民的生活秩序。电力行业公用性和电力系统同时性的特点，决定电网事故影响大、速度快、后果严重。大电网事故不仅会给电力企业造成重大的经济损失，还会带来巨大的政治、经济影响，甚至会引起社会的混乱。国家电监会领导指出，在现代社会，重大电力事故、特别是大面积停电事故，必然是一场深重的灾难，其损失、后果和造成的影响，都是难以估量的。电力安全关系国家安全，关系改革发展稳定的
全局。促进我国电力系统防灾事业的发展意义重大。

近年来，极端气候条件加剧，滑坡、泥石流等地质灾害诱发因子增多; 同时，随着社会经济的迅猛发展，人类工程活动加剧了地质灾害的发生，以采矿施工等为代表的采空塌陷日趋增多，影响输电线路的稳定安全运行。变电站和电力铁塔是保障电力畅通的纽带，在经济及社会生活中起着举足轻重的作用。因此为保障变电站和电力基础设施的安全运营，避免重大事故发生，对现役变电站及电力铁塔的损伤程度和稳定性（形变或沉降）进行安全评估，是当前非常必要而紧迫的任务。

目前的电力工程测量主要以地面测量手段为主，如水准、全站仪和GPS 等。这些地面测量技术虽然精度高，但通常布点少，需要耗费大量的人力物力，空间分辨率很低，已经难以满足现代对电力工程进行快速和大面积测量的需求。特别是很多电力工程位处偏远山区，测量人员往往难以进入，导致变形观测等工作无法顺利开展。

2、InSAR技术简介

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，已在滑坡监测、地震研究、火山活动、采矿塌陷。 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。

目前常用的SAR 数据主要分为X 波段、C 波段及L 波段，他们的波长范围分别为2.4 ～ 3.8 cm、3.8 ～ 7.5 cm 和15 ～ 30 cm。其中C 波段常用的卫星有欧空局的ENVISAT/ASAR(2011 年退役)、ERS-1/2(2011 年退役)、Sentinel-1 以及加拿大的RADARSAT-1/2 和中国的GF-3 ；L 波段主要有日本空间局的JERS-1(1998 年退役)、ALOS/PALSAR-1(2011 年退役)、ALOS-2/PALSAR-2 ；X 波段主要有德国宇航局的TerraSAR-X 及TanDEM-X，意大利的COSMO-SkyMed 数据。如下表所示，主要介绍现阶段服役的SAR 卫星各自的特点。

 雷达干涉测量技术的本质就是通过将SAR卫星多次观测获取的目标回波信号干涉获取的相位信息与传感器的几何参数信息来反演目标高程或者目标在观测期间的形变信息提取的技术。随之而来的差分雷达干涉技术(differential InSAR，D-InSAR) 则是通过引入外部DEM 或三轨/ 四轨差分实现了地表变形监测， 即SAR 传感器两次或多次对同一目标进行观测时，利用目标在不同时刻的回波相位信息，获取目标在此观测期间的几何位置变化信息。

然而，常规的DInSAR 由于仅仅使用一组或两组SAR 干涉对分析，其形变监测的实际精度和可靠性要受时间、空间去相关等引入的相位噪声和大气时空变化引入的延迟相位等限制，形变监测精度难以达到毫米级，极大地限制了其在高精度形变监测中的应用。

为了突破DInSAR技术中存在的去相干的约束，研究人员将研究方向扩展到对时间序列SAR 影像的建模研究，提出了包括PS-InSAR、SBAS-InSAR 和SqueeSAR 在内的多种时序InSAR 形变分析方法，这些方法能够克服SAR 去相干的影响，同时能够对大气延迟误差进行估计并且将大气误差去除，让形变监测结果的精度达到亚毫米－毫米量级成为了可能。与传统水准测量、GPS 测量等形变监测方法相比，时序InSAR 技术能够快速提供高精度、高空间分辨率以及大范围空间连续覆盖的地表形变监测结果，为电力设施的地表形变监测提供更全面有效的手段。

参考文献：

[1] 朱珺, 康鑫, 李小雁. InSAR技术在电力设施地表形变监测中的应用[J]. 电力勘测设计, 2017(S1):1-6.

[2] 陶李、杨长江、易祎、程正逢、周勇、张健. 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, No.146(S2):95-103.

[3] 康鑫, 朱珺, 耿留勇. 利用InSAR技术监测采矿区地表输电铁塔时序形变[J]. 电力勘测设计, 2017, 000(002):11-14.

[4] 杨佳睿, 吴建宁, 严南征,等. 星载合成孔径雷达在杆塔基础地表形变监测技术的研究与应用[J]. 宁夏电力(6):6.

[5] 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.