基于InSAR沉降监测技术的城市供水管线安全监测系统开发

翟振起

(深圳市北部水源工程管理处,广东 深圳 518000)

城市供水管线工程是城市的生命线工程。近年来，城市供水管线周边区域的高强度开发建设，给管线管理和安全运行带来了严峻挑战。因地基下沉导致的爆管事故时有发生，造成周边积水或淹没甚至导致生命财产损失[1-2]。不同的管道位置地基沉降不同，具有一定的不确定性。沉降监测一般采用人工水准测量、静力水准测量等方式开展。然而，管道线路长度一般以公里计，采用人工水准测量观测效率较低；静力水准测量可以实现自动化观测，但成本较高。

随着卫星遥感技术的发展，雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)已成为地表变形监测的一种有效方法。由于其具有全天候、高精度、大范围、面覆盖等监测优势，InSAR技术已逐步应用至地裂缝监测、城市地面沉降、滑坡监测等领域[3-7]。因此，引入InSAR沉降监测技术可以为城市供水管线沉降监测提供一个高效低成本的手段。

近几年，已有学者对利用InSAR技术监测管道周边地基沉降及采用基于多种卫星影像的InSAR技术监测管道变形等开展了研究[8]。

1 系统总体设计

城市供水管线安全监测系统主要采用InSAR监测技术，对管线地基沉降情况进行大范围监测，结合移动GIS技术和WebGIS技术对InSAR监测成果进行可视化渲染展示，分析管网地基沉降的空间分布特征和时间变化趋势，结合管网基础地理信息向用户提供移动端和Web端的信息查询和决策辅助。

系统移动端和Web端主要功能包括：InSAR沉降监测值数据管理、沉降值查询、沉降值统计分析、监测报表制作、管线空间信息和属性信息查询等。用户可以通过移动端APP查看InSAR管网地基沉降的分布情况，并根据手机定位，进行野外实地核查和现场照片的采集与记录。

城市供水管线安全监测系统架构如图1所示。系统包括基础设施层、数据层、应用支撑层、应用层、用户层等不同层级。基础设施层由存储设施、服务器设施、客户端、计算机设施、交换机、防火墙等软硬件设施组成。数据层是整个信息系统建设的基础，包括地下管线数据库、地下管线档案数据库、管网巡查数据库、管线安全隐患数据库、InSAR监测成果数据库、基础地理数据库。应用支撑层是指为系统各项功能的实现提供支持的数据库管理系统包括数据共享交换接口、二维WebGIS平台、移动GIS平台等。应用层为用户提供全面的信息服务，包括管线数据管理InSAR成果数据管理、管线、安全隐患管理、管线巡查管理、管线工程档案管理与系统运维管理等。

图1 系统架构

2 城市供水管线地基沉降InSAR监测流程

根据监测区域，综合分析已有的InSAR数据资源，确定数据类型、覆盖范围和数据周期等。在获取了InSAR原始数据后，数据处理流程具体包括数据导入、InSAR影像预处理、InSAR时序分析三个部分。

2.1 数据导入

数据处理过程中，需要导入的数据包括InSAR原始影像数据、数字高程模型、试验区气象参数等。

2.2 InSAR影像预处理

雷达影像数据预处理主要包括主影像选取、影像配准、干涉图生成、系统相位去除等四个部分。

2.3 InSAR时序分析

(1)从配准后的K+1幅SAR影像中探测出永久散射体点和同分布目标点。

(2)根据探测出的DS(Distributed Scatterers,同分布散射体)点和K幅差分干涉图，对DS点相位值进行时空同质滤波和时序相位反演处理。

(3)根据相位函数模型和差分干涉相位，得到PS(Persistent Scatterers,永久散射体)和DS点的形变速率、DEM误差和解参相位值。

(4)对PS点和DS点的时序相位进行时空滤波处理，去除干涉图中的大气相位值。

(5)经过质量分析，得到最终PS和DS点的形变速率和时间序列，形成shp格式的沉降监测点数据成果。

3 InSAR沉降监测模块开发

目前基于GIS技术的管线运行管理软件开发技术已较为成熟，因此本文仅针对InSAR沉降监测模块开发进行简要论述。InSAR沉降监测模块包括数据管理与加载、沉降值查询、沉降值统计分析、监测报告制作等子模块，具体功能如图2所示。

图2 地面沉降信息发布与管理平台功能架构影响

4 系统关键技术

4.1 海量InSAR监测点显示

系统实现了对海量InSAR监测点的自动切片发布，该技术的主要优势在于可对海量InSAR监测点进行无损、快速的金字塔瓦片制图，对数据进行了多尺度处理，在数据时空管理和可视化上进行了优化，便于InSAR监测结果的在线成果展示。

4.2 剖面线查询

地基的不均匀沉降容易导致管道受损以及管道接头部位错位，所以不均匀沉降对管线监测尤为重要，系统可以沿管线埋设方向绘制折线，可以查询折线附近InSAR监测点，并绘制剖面线的沉降曲线，从而更直观的展示管道沿线的不均匀沉降情况。

4.3 条件查询

为了直观展示InSAR沉降成果，系统采用了分层设色法对监测点的沉降严重程度进行分级展示。但是，由于供水管网路线长、空间范围广，覆盖全部区域的InSAR监测成果点数量可达百万级，这会影响用户从地图可视化界面的大量数据中快速发现存在安全隐患的管线部位。系统实现了条件查询功能，查找变形速率超过某一变形阈值的InSAR监测点，或者查找某一地面沉降严重程度等级的InSAR监测点，进而在界面中进行可视化展示。

4.4 自动报告生成

为便于查看城市供水管线的整体情况和各分段管网的变形情况，系统开发了自动报告生成功能，自动生成包含文本、图片和表格的监测报告。每处理一期新的InSAR监测成果数据，系统将自动统计整体管网和各个分段管线段的特征指标，如包括各沉降严重程度等级的监测点数量、监测点数量百分比、典型剖面线的差异沉降值等。通过自动绘制典型剖面的变形曲线图、最大变形监测点的历史沉降曲线图以及各沉降等级分区图等，插入到文字报告中形成内容丰富的成果报告。

4.5 管网移动应用安全架构

城市供水管网数据所涉及的地下管网数据，属于国家保密数据，需要做好数据安全保密工作。管网数据库作为保密数据库，需部署在与公共网络存在物理隔离的内部网络中；而管道巡检一般在野外进行，只能连接公共互联网，这会导致巡检人员无法直接访问管网数据库。系统开发时，通过采用VPN加密保护技术来解决这一问题，经过授权的用户可以在公共互联网经VPN隧道连接访问管网数据库。同时，管网地理坐标需进行脱密处理，即将管网数据进行空间坐标转换，从城市独立坐标系转换到可用于互联网的国测局坐标系(脱密坐标系),见图3。

图3 数据脱密技术流程

4.6 系统开发

系统后台基于IntelliJ Idea 2017开发平台，采用Java语言进行开发，以Spring Boot作为应用架构，并以Mybatis作为持久层，对SQL Server 2008 R2数据库表进行关系映射。系统前端界面基于Visual Studio Code开发平台，采用JavaScript、Html等语言，利用Element界面组件和Vue渐进式框架，开发系统交互界面，并采用Webpack技术减少系统所需资源以加快运行速度。

系统主界面由图层控制组件、地图可视化窗口、数据管理组件、沉降值查询组件、沉降值统计分析组件、监测报表制作组件等组成。

5 应用效果评述

选择深圳地区某城市供水管线作为试验区，利用覆盖该区域的COSMO、TerraSAR雷达卫星数据，经时序InSAR数据分析处理，成功提取了供水管线周边的2013—2018年地表沉降结果，并将结果导入到了城市供水管线安全监测系统。在Web可视化界面中，基于城市供水管线的走向、埋深、管材、周边地物等基础数据，叠加地表沉降监测结果进行浏览、分析，辅助以沉降点过程曲线查询、剖面线查询等工具，分析城市供水管线周边地表沉降的空间分布特征和时间发展趋势。

利用监测系统可提前发现城市供水管线的潜在隐患区域。例如，通过查询洪田路管线附近地表InSAR监测点的过程曲线如图4，可知在2013年12月—2018年9月监测期间内存在明显的变形，累计变形值达到-30.6 mm，且距离管线较近，其变形现象可能与输水管线相关。基于分析结果，后续用于指导加强周边施工扰动的巡视检查，严重时及时采取防治措施。

图4 洪田路附近地表的InSAR监测结果

6 结 语

本系统通过集成InSAR和GIS技术，实现了供水管道沿线地基沉降的大范围InSAR监测，并在移动端和Web端进行成果可视化展示与查询统计分析。为供水管道安全风险管理提供了基础技术支撑，对保障供水管线安全运行具有重要意义。本系统的开发进一步拓宽了InSAR监测应用领域并取得了有益的效果。