一种复杂环境InSAR大区域输电通道形变风险评估方法与流程

本发明涉及输电走廊地质形变风险评估，具体涉及一种复杂环境insar大区域输电通道形变风险评估方法。

背景技术：

1、新疆地域广阔，煤炭资源丰富，区域内特高压、超高压、高压输电线路众多，输送距离长、沿途经过局地沙尘暴区、高温、高寒、洪水等各类自然条件恶劣地区，使得线路的监测和运维工作异常繁重。

2、目前新疆地区输电线路的安全防护主要采用视频监控和人工巡检的方式，过度依赖人员经验防范，缺乏科学系统的应对方法，无法做到对输电线路的实时全面在线监测，不能对突发性事故及时预警和实时监管，这会导致输电线路故障不能第一时间发现，失去预防和采取有效措施的最佳时机，扩大因为输电线路发生故障造成的经济损失和社会影响。由于大风、洪水、地质灾害等外在环境的影响，以及施工质量不过关、地基不均匀和意外冲撞等原因，极有可能造成铁塔发生倾斜形变，对电网安全带来重大危险隐患。目前部分电力铁塔的安全状况令人忧心，而人工巡检等监测手段具有周期长、效率低等缺点，无法及时发觉突发事件造成的铁塔倾斜，极有可能造成事态的进一步扩大，进而影响电网供电可靠性。目前靠人工为主的常规监测手段已无法满足广域能源互联网背景下电网的防灾减灾要求，急需一种实时性高、监测范围广、周期短、效率高且成本低的综合监测预警手段，高效可靠获取电网设备和运行状态数据，实现智能化、信息化运检工作向“数据智能驱动”的转变。

3、利用insar技术，采用长时间序列insar卫星图像数据，开展输电走廊地质形变风险的大范围普查，指导在地质形变风险区域安装北斗监测终端；基于北斗高精度定位技术，研制的杆塔倾斜监测终端和地质形变监测终端，针对重点风险区域杆塔，可以实现24小时无人值守监测杆塔姿态监测，并将监测数据通过通信网络传输至监测系统中，实施监测杆塔姿态，并为运检部门进行输电线路杆塔检修和周边地质风险隐患消除提供数据支撑，提供输电线路安全和可靠性。

4、合成孔径雷达干涉测量(synthetic aperture radar interferometry，insar)作为一种主动式空间对地微波遥感技术，少受云雨等条件影响，可以大范围、低成本及高空间分辨率获取地面高程或形变信息，在过去近30年间得到迅猛发展，已被广泛应用于地震形变研究、城市沉降监测、滑坡监测、矿山形变监测、水利工程安全监测等多个领域。许多国家和组织近年来已经发射或将要发射多颗sar卫星，将进一步带动insar技术和应用的发展。

5、然而，insar也有自身固有限制，如易受大气延迟误差和时空失相干噪声等影响，严重时混淆真实形变信号，导致对insar形变结果的误判；其获取的形变结果为地表形变沿卫星视线向(line of sight，los)上的投影，难以准确评估真实形变的大小和方向。

6、insar技术利用覆盖同一地区不同时刻的两景或多景slc影像，通过共轭相乘得到干涉信号，最初被用于地形测图及三维地表地形数据的获取。insar干涉信号除了与高程相关，还与形变相关，因此在去除地形相位贡献的基础上，可用于获取微小地表形变信息，该技术称为差分insar(differential insar，d-insar)技术。该技术得到landers地震的同震形变场，引起了世界学者的广泛关注。但失相干噪声和大气延迟等误差严重降低了d-insar技术监测的可靠性，因此其应用场景主要限制在地震、地质构造运动、火山等形变量级较大的监测区域，精度一般只能达到分米至厘米级。

7、为了克服传统d-insar技术的局限性，提高insar技术地表形变精细化监测能力，国内外众多学者在d-insar技术的基础上发展了一系列时序insar(time-series insar，ts-insar)技术，又称为多时相insar(multi-temporal insar，mt-insar)，并成为insar领域研究的热点。该技术的核心思想主要是利用同一区域的差分缠绕或解缠干涉图集，提取散射特性稳定的高相干性点，然后基于最小范数理论重构形变速率和形变时间序列。当前ts-insar技术根据主影像的数量可以划分为两大类，最具代表性的是单一主影像的永久散射体(persistent scatterer insar，ps-insar)技术和多主影像的小基线集(smallbaseline subset,sbas)技术。其中ps-insar技术主要是针对自然环境中的基础设施和裸露岩石等强反射的永久散射体(persistent scatterer,ps)目标进行建模，故该类技术往往在人工建筑较密集的城市区域应用效果较好。而多主影像sbas技术主要是针对分布式目标(distributed scatterer,ds)进行建模分析。该技术提出初期，主要是使用多视滤波抑制噪声，同时也提升了数据处理效率，但代价是损失了空间分辨率，因此它主要适用于广域地表探测，如震源机理、大型断裂带研究。但面对复杂场景和精细化监测目标时，多视sbas技术不利于捕获形变细节特征。为此，基于全分辨率(单视)的sbas技术逐步发展起来。特别的，自第二代永久散射体squeesar技术以来，分布式目标insar(distributedscattererinsar，ds-insar)技术成为国际时序insar领域新的研究热点之一。

8、上述时序insar技术仅使用单一极化数据进行地表形变反演。随着新一代sar卫星大多具备多极化数据获取能力，一些学者在上述时序insar技术的基础上延伸了新的技术分支——极化时序insar(polarimetric psi，polpsi)技术。该技术的提出进一步减弱了城市区域多种散射机制混叠或建构筑物朝向等因素导致的失相干，提高了形变监测点的密度。除上述几种应用较为广泛的insar技术，近些年也发展了其他一些高级insar技术，如像素偏移量追踪(pixel offset tracking，pot)技术、多孔径insar(multi-aperture insar，mai)技术、sar层析成像(sar tomography)技术及哨兵数据方位向子带重叠区域干涉(burst overlap interferometry,boi)技术。需要指出的是，理论上pot技术是基于振幅数据而非干涉相位信息，因此本不应属于insar技术。由于其技术原理不同，监测精度也略有差异，因此在实际应用中需要视情况而定。

9、现在国际主流的做法是使用地面勘测测绘方法，基于专家经验的选点现场布设。传统方法的局限性很大，无法进行全面排查，且耗时耗力。通过insar的方法不光能解决上述问题，且能高效的查阅历史数据，结合现有数据做出统筹分析安排。

10、目前，输电线路地质灾害监测，主要利用地面安装北斗gnss监测站等手段，可实现地质变化与灾害的高精度mm级实时监测。但是，在实际应用中，主要存在以下问题：一是地面监测设备只能实现点状监测、硬件成本高，无法大范围应用；二是地面监测设备只能实现当前地质状态监测，无法评估地质整体长周期变化趋势；三是复杂环境下监测精度受限制等问题，严重影响了地质灾害监测效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复杂环境insar大区域输电通道形变风险评估方法，用以解决在复杂地形、天气、气候下无法进行大范围、高精度、长时序监测形变的难题。

2、为实现上述目的，本发明的一种复杂环境insar大区域输电通道形变风险评估方法，利用长时间序列的sar卫星影像，对输电走廊开展大范围的地质形变监测，实现输电走廊沿线的地质形变沉降风险普查、监测，包括：

3、步骤1、数据收集与整理，包括(1)insar数据源选择；(2)基础数据收集；

4、步骤2、insar预处理与干涉处理，包括：(1)数据读取；(2)tops数据分割(topssplit)；(3)burst级数据处理；(4)burst拼接与子带拼接；(5)干涉处理；(6)差分干涉处理；(7)干涉图检验；(8)esd精配准和干涉图校正；(9)多视处理；

5、步骤3、insar形变监测，包括：(1)最优干涉网络连通图生成；(2)高相干性点选择；(3)分布式目标选择；(4)cs/ds网络的构建和二次差分相位模型求解；(5)残余相位分离；(6)高程误差的修正和形变量求解。

6、进一步，所述步骤1中所述insar数据源选择中的insar卫星数据源选择标准包括获取高质量的干涉图并进行差分干涉处理，slc图像对必须在空间上满足临界基线距的要求，在时间间隔内保证观测目标的一致性，避免失相干现象；在数据选取过程中，需考虑数据源的类型、卫星轨道、空间分辨率、时间间隔以及经济性；所述基础数据收集指收集研究区基础地理信息数据，包括收集研究区的3d的dlg、dom、dem资料，用于insar地面沉降的处理与分析；收集研究区的外业测量资料，为insar地面沉降监测工作奠定数据基础。

7、进一步，所述步骤2中所述数据读取包括将sar数据转换为标准格式，sentinel-1原始数据格式为.tiff文件，将其转换为二进制文件，同时获取对应的参数文件，其中3个子带图像数据是独立的三个文件，分别进行数据转换和参数提取，然后，利用精轨数据文件去更新轨道参数信息；所述tops数据分割包括对每个burst数据独立进行处理，数据分割就是从每个子带数据中分离出独立的burst数据文件；所述burst级数据处理包括对多普勒频率变化引入的线性调频信号进行补偿，即在配准过程进行之前，先进行去斜deramp处理；在进行配准处理后，将去除的deramp相位重新进行补偿，即reramp操作，再进行后续的干涉处理；使用几何配准方法，借助外部dem数据以及精轨信息，估计主辅图像间的偏移量，然后进行插值重采样，将辅图像配准到主图像参考系下，得到粗配准需要的配准精度。

8、进一步，所述步骤2中所述burst拼接与子带拼接包括对配准好的burst数据进行拼接，去除重叠区域和无效值的黑边，生成完整的子带影像数据；重叠区域需要另外保留，用于后续检验干涉图相邻burst间是否存在跳变误差；在拼接好每个子带的burst数据后将三个独立的子带数据进行拼接，去除子带间重叠区域，生成完整slc影像数据；所述干涉处理包括对配准好的slc图像进行干涉处理，对复图像进行共轭计算，同时获取相应的干涉参数信息；所述差分干涉处理包括平地相位和地形相位引起的干涉条纹会掩盖形变信息，利用dem和轨道参数生成平地和模拟地形相位，然后从干涉图中减去所述平地和模拟地形相位，最终得到差分干涉图。

9、进一步，所述步骤2中所述干涉图检验包括为了使配准精度达到tops模式配准精度要求，消除生成的干涉图中存在的相位跳变，采用人工判别方法，或利用burst间重叠区域进行干涉处理，计算重叠区域相位差异来判断；所述esd精配准和干涉图校正包括通过干涉图检验，获取存在配准误差的干涉对组合，对所述干涉图，利用esd配准方法进行精配准处理，并将干涉对的相对偏移量转换成相对主图像的偏移量，校正的方法有两种，其一是对辅图像进行校正，重新生成正确的干涉图，另一种方法是利用偏移量转换成sar图像对应的偏移相位，然后直接对所述干涉图进行补偿；所述多视处理包括对最终生成的一组差分干涉图进行多视滤波，抑制噪声影响，同时降低一部分数据量，减少大范围insar数据处理工作量。

10、进一步，所述步骤3中所述最优干涉网络连通图生成包括将研究区n幅sar图像根据时空基线阈值组合成理想的小基线集构成最优干涉网络连通图；为了减少长基线导致的时空去相干影响，在进行干涉对筛选过程中，首先利用小基线阈值来初步确定一组干涉对，然后再对初选的干涉组合进一步筛选，采用基于相干性估计的方法来确定最优干涉对组合。

11、进一步，所述步骤3中所述高相干性点选择包括挑选有稳定散射特性的地面目标作为高相干目标，首先从高相干点(cs)识别开始，根据前一步骤生成平均相干系数图，按照一定阈值进行筛选；所述分布式目标选择包括利用ad检验方法对非高相干区域进行同质像素检验，选取分布式目标，根据检验出的同质像素区域对其相干矩阵进行估计，利用最大似然估计方法对相干矩阵的最优相位序列进行估计，在获取所有分布式目标后，依据相位三角性及最优相位序列对分布目标的干涉组合进行计算，最终，将分布式目标高相干目标进行融合，形成ct/ds相位集。

12、进一步，所述步骤3中所述cs/ds网络的构建和二次差分相位模型求解包括得到高相干点cs/ds初选点集后，对cs/ds点构建网络，利用差分测量方法进行形变参数估计，采用多层级网络，以提高解算精度和稳定性，其中初级网络采用的是全局性的三角网络，能够利用闭合网络平差降低整体解算误差；加入了第二层次级网络，利用局部参考点组成的不规则闭合网络，作为一组额外的全局约束条件，能够极大降低网络解算过程中误差传递；对相邻cs/ds相位进行二次差分，并估计得到其中的差分测量参数后，利用网络平差解算方法，将差分测量参数相对量转换成全局参数绝对量，从而得到线性形变速率图和残余高程图。

13、进一步，所述步骤3中所述残余相位分离包括利用残余相位的时空域特性，通过时空滤波分离各噪声相位成分，提取大气延迟相位，所述残余相位分离又可分为残余相位解缠、残余相位分离和大气相位估计三个子步骤。

14、进一步，所述步骤3中所述高程误差的修正和形变量求解包括对原始相位进行修正，考虑到线性速率和高程误差初始值对迭代的影响，在获得所述线性速率和高程误差初始值以后，对残余相位进行滤波，滤波完成后利用残余相位与滤波后相位差，将所述相位差认作为大气和噪声的影响，剩余的则为非线性形变量，将此加入到线性形变量中，得到真实的形变量；在选取的相干目标上，建立观测方程，采用svd奇异值分解的方法进行求解，得到各时间区间的沉降速率，对所述各时间区间的沉降速率在时间域上进行积分即可得到各个时间点的累积形变量。

15、本发明方法具有如下优点：

16、insar卫星技术，因具有全天时、全天候、高精度、大范围、长周期、低成本等优点，可应用于输电走廊的地表形变沉降监测：①全天候、全天时对地观测能力，不受天气影响；②监测精度高，可测得毫米级形变信息；③监测范围广，一次可监测上百、上千平方公里范围；④监测密度大，城区每平方公里可获得1万以上观测点数据；⑤重复频率高、连续监测能力强，不仅能提供宏观静态信息，且能给出定量动态信息；⑥成本低，不需要建立监测网，可以识别一些潜在或未知的目标形变信息，而且可以提供数年的形变情况。

17、利用insar全天时、全天候、高精度、大范围、长周期、低成本等特点，采用insar技术在复杂自然地表条件下的地质形变监测与处理方法，实现毫米级精度的地表形变监测；利用insar卫星长时间序列图像数据，开展输电走廊地质形变风险的大范围普查，指导在地质形变风险区域安装北斗监测终端，构建“天地”立体监测体系，全面提升输电线路地质风险监测质效。数据时效性有极高的保障，遥感数据获取后的15天内(改时间为获取卫星精确轨道)，即可获得过去一阶段的沉降/变化幅度。这是传统方法所不能媲美的。