基于InSAR 技术的管道地质灾害隐患排查研究

杨永超，白玉江，王利民，徐连彬

（1.国家管网集团有限公司天津天然气管道有限责任公司，天津；2.北京中盈安信技术服务股份有限公司，北京）

引言

油气管道是我国重要的能源运输命脉，管道安全对保障国家能源安全战略有着重要的意义。管道周边的地质灾害是影响管道安全的重要因素，如填海段沉降、山体滑坡、泥石流、采空区塌陷、黄土湿陷等，都会对管道运行安全带来极大的风险。通过对地表沉降监测可实现对地质灾害进行预警，以采取预防地质灾害发生的措施，避免地质灾害带来的危害。

天津市因其开采地下水、开发建设等，使得地表沉降成为天津城市安全面临的最主要的威胁之一。朱子林等，利用30 景Sentinel-1A 数据，获取了天津市2017-2019 年年平均沉降速率，同时分析了沉降的时空特征，发现地表沉降受地下水开采、城市基础建设的发展以及工业用地量、人为活动等方面因素影响明显[1]。目前地表形变监测主要还是依赖于传统手段，包括水准测量和GNSS 测量，这些方法可以快速得获取地表的形变信息，然而这些方法他们的空间分辨率很低，同时对于水准测量来说，距离越长误差传播越大。针对天津地面沉降的现象，许多学者利用不同技术和方法对天津以及其周围区域进行了沉降监测研究，从不同的角度对天津沉降机制进行解译[2-4]。孙伟等基于Sentinel-1A 数据获取了某输油管道的地表形变信息，并对重点区域进行了分析，表明了SBAS-InSAR 技术在山区、丘陵地区可以有效为地质灾害孕育发展过程给出参考[5]。

本研究拟选取易发生沉降的天津南港工业园内约30 公里试验段，结合传统监测手段，对InSAR 技术在管道周边沉降监测展开可行性、经济性研究。

1 数据和方法

1.1 研究数据

雷达数据凭借其出色的性能，拍摄不受云雾影响，可以全天时获取数据。本研究选用Sentinel-1a 数据108 期，时间跨度为2017 年6 月-2020 年6 月，RADARSAT-2 数据15 期，时间跨度为2020 年12月-2021 年11 月，见表1。

表1 卫星数据基本参数

1.2 研究方法

InSAR 技术是由最少两景SAR 数据由于D-In－SAR 技术在分析效果上具有局限性，无法满足高精度工程测量的精度要求，本项目获取的Sentinel-1 卫星数据及Radarsat-2 卫星数据，能够满足时序InSAR 处理的需求，但监测区内水面覆盖较为严重，在提取PS点（永久散射体）时，提取点数量太少，难以满足解算要求，故此采用SBAS-InSAR 技术对影像数据集进行定量分析，估算形变中心的形变速率等数值。

本文采用小基线集技术（SBAS-InSAR）进行处理分析，采用最小二乘方法求解时间序列形变值，是一种基于多主影像的雷达差分干涉测量技术，采用短时空基线原则选择参与计算的干涉对，保证了影像间的相干性。假设差分干涉相位中只包含地表形变值和随机噪声成分，那么差分干涉相位可表示为：

2 实验结果及分析

2.1 研究区沉降速率分析

以管线为中心，向两边各做500 m 缓冲区进行分析，从形变速率和累积形变量来看，管道途径区域，地表状态总体趋于平稳，最大沉降速率68.8 mm/a，最大抬升速率88.8 m/a，最大累计沉降量41.2 mm，最大累积抬升量71.1 mm，共找出7 处形变较为明显的区域，见图1。

图1 Radarsat-2 数据形变速率结果

形变区1 位于北大港水库，监测时间段内呈现抬升的趋势，主要在2018 年1 月至2019 年1 月之间，监测时间段内累计抬升量6.3 cm，从19 年6 月至今累积抬升1 cm，从结果看，目前处于相对稳定状态。该区域Radarsat-2 数据未覆盖该区域。

形变区2 监测时间段内平均沉降速率2.6 cm/a，最大沉降速率4.1 cm/a，监测时间段内累计沉降量8.9 cm，从历史光学影像看，该区域可能是由于人类活动引起的地面沉降。

形变区3 最大沉降速率5.1 cm/a，主要在2019年1 月-6 月之间，监测时间段内累计沉降量8 cm。结合光学影像看，该区域存在小水塘，季节性的水量变化，可能对监测结果产生一定的影响。

形变区4 平均沉降速率3.5 cm/a，从2017 年8月开始，该区域呈现持续沉降，监测时间段内累计沉降量12.3 cm。从光学影像未看出地表变化状态，需结合高精度的SAR 数据以及水准监测手段对该区域重点关注。

形变区5 监测时间段内呈现沉降的趋势，平均沉降速率1.8 cm/a，从2017 年1 月至2019 年6 月，呈现出线性沉降的趋势，从2019 年6 月至今，趋于稳定状态，监测时间段内累计沉降量6.1 cm。Radarsat-2结果显示2020 年12 月-2021 年11 月，该区域处于稳点状态。结合光学影像看，该区域管道距离道路较近，需重点关注。

形变区6 位于阀室2 北侧，2020 年12 月-2021年11 月最大形变量为65.9 mm，年平均沉降速率75.9 mm/a，目前沉降有趋于缓慢的趋势。

形变区7 位于管线周边，最大形变量为46.1 mm，年平均沉降速率为54 mm/a，从光学影像看，该区域为新修建的公路，由于距离管线较近，需关注其对管线运营的影响。

2.2 结果对比分析

Sentinel-1 结果与监测站结果的对比结果中看出，两者的总体趋势能较好的保持一致，但细节部分存在一定差异，主要是由于填海区域水面杂波噪声，以及管道周边持续施工等影响，部分水准点被水面覆盖的情况，从不同时期Google earth 影像上看，管道途径部分区域长期被水面覆盖。两种监测手段的总体符合情况上看，说明了InSAR 技术在管道地质灾害隐患排查方面的有效性，见图2。

图2 水准点分布图

与2021 年天津南港填海段地面沉降监测站J1-J6，通过传统的GPS 测量技术观测的管线周边地表沉降监测结果进行对比分析、相互检验。监测周期内由于施工扰动变化较大监测站形变量值不连续，从总体趋势看，前期处于沉降状态，后期有轻微抬升，与In－SAR 结果基本一致，见表2。

表2 基于InSAR 技术的管道地质灾害隐患排查研究沉降表

同时为有效检验InSAR 实际地面沉降监测情况，结合天津市南港区域每年的沉降情况，根据天津市二等水准点分布情况, 选取现场相对稳定的二等深埋点K002 作为观测的基准点，沿观测路线依次经过S27、S28、NG10、NG15 以及阀室2 附近的GPS 控制点。

S28 点水准测量5 月和7 月均呈现抬升状态，最大形变量为6.71 mm，InSAR 处理结果显示该点位2020 年12 月-2021 年11 月期间总体处于抬升状态，7 月-11 月趋于稳定，最大形变量为5.6 mm。

NG10 点形变量为5.25 mm，InSAR 处理结果显示该点位2020 年12 月-2021 年7 月期间持续沉降，最大沉降量为6.8 mm，7 月份后表现出回抬，与水准结果相符。

GPS 控制点(003)点水准测量值为7.49 mm，最大抬升量为9.05 mm，InSAR 处理结果显示该点位2020年12 月-2021 年11 月期间先沉后抬状态，最大沉降量为7.3 mm，最大抬升量为8.5 mm。

S27 点水准测量值为8 mm，InSAR 处理结果显示该点位呈现持续抬升状态，7 月-11 月有稍微的回落，最大形变量为8.9 mm。

SS3 点水准测量5 月累计沉降2.67 mm，11 月累计抬升3.72 mm，InSAR 处理结果显示该点位2020 年12 月-2021 年11 月期间，最大沉降量为7.8 mm，最大抬升量为6.5 mm。

NG15 点水准测量5 月和7 月均呈现沉降状态，最大沉降量为13.5 mm，InSAR 处理结果显示该点位2020 年12 月-2021 年11 月期间总体处于持续沉降状态，最大沉降量为17.6 mm。

3 结论

采用2017 年1 月-2020 年6 月共104 期低分辨率Sentinel-1 数据及2020 年12 月-2021 年11 月共15 期高分辨率Radarsat-2 数据，采用时间序列InSAR分析技术对数据进行处理解算，得到数据覆盖区域地表形变速率图及累计形变量图，管道整体运营状况良好，途径区域地表状态总体趋于平稳，形变最大区域分布在填海造地部分，从光学影像上看主要是由于人类建设活动所引起的；填海区域由于仍在动工建设，且很多区域被水面覆盖，使得InSAR 干涉对受失相干影响；在研究区内布设6 个水准点位，并在2020 年12月-2021 年11 月期间开展3 次二等水准测量任务，获取水准点高程值；将InSAR 分析结果与监测站数据及水准监测结果对比，整体吻合性较高，整体趋势较为一致，体现出InSAR 技术在管道地质灾害隐患排查方面的有效性，该技术为管道周边大范围区域开展地质灾害隐患识别提供经济可行的技术手段。

结束语

本文采用108 期Sentinel-1 和15 期Radarsat-2卫星数据，利用时序InSAR 技术对管道沿线地质灾害隐患进行排查，并将InSAR 结果与GNSS 测量结果进行对比分析，验证了InSAR 技术在管道地质灾害隐患排查中的有效性，可以很好的节省人力物力，并且做出定期持续的观测，为管道安全运营给出重要性建议。