D InSAR技術對地震同震形變場的研究

胡 波,汪漢勝

(1.中國科學院測量與地球物理研究所動力大地測量學重點實驗室,湖北 武漢 430077;2.中國科學院研究生院,北京 100049)

D InSAR技術對地震同震形變場的研究

胡 波1,2,汪漢勝1

(1.中國科學院測量與地球物理研究所動力大地測量學重點實驗室,湖北 武漢 430077;2.中國科學院研究生院,北京 100049)

合成孔徑雷達差分干涉測量(D InSAR)可用于監測厘米級或更微小的地表形變,以揭示許多物理現象,如地震形變、火山運動、大氣變化、冰川漂移、地面沉降以及山體滑坡等。DInSAR作為一種新型的空間對地觀測技術,具有不受時間和空間的限制、對地物具有一定的穿透性等傳統測量所不可比擬的優勢,已得到較為廣泛的應用。簡要介紹D InSAR技術的基本原理及其處理流程,以Bam地震為例提取Bam地震的同震形變場。

合成孔徑雷達差分干涉測量;地震形變;地面沉降;同震形變場

合成孔徑雷達差分干涉測量技術(D InSAR)是以合成孔徑雷達復數影像的相位信息獲取地表變化信息的技術,是合成孔徑雷達衛星應用的一個拓展。雷達圖像的差分干涉圖可用于監測厘米級或更微小的地球表面形變。1989年 Grabriel等首次論證了D InSAR技術可用于探測厘米級的地表形變,并用Seasat L波段SAR數據測量美國加利福尼亞州東南部的英佩瑞爾河谷(Imperial Valley)灌溉區的地表形變[1]。但他的工作沒有得到足夠的重視,直到1993年M assonnet等人利用ERS1/2 SAR數據采集了1992年的Landers地震(M=7.2)的形變場,并將D InSAR的測量結果與其它類型的測量數據以及彈性形變模型進行比較,結果相當吻合,研究成果發表在《Nature》上,引起了國際地震界的震驚[2-4]。D InSAR從此發展成為一種專門監測地表形變的新技術,尤其在研究地震形變,火山運動,冰川漂移,地表沉降以及山體滑坡等方面表現出極好的應用前景。

1 D InSAR技術基本原理

要從包含形變信息的干涉相位中獲取地表形變量,需要從干涉相位中去除參考面相位和地形相位的影響。參考面相位一般利用干涉幾何和成像參數,通過多項式擬合得以去除。對于地形相位,需要利用多余的SAR觀測數據或已知的DEM,通過二次差分處理消除。根據去除地形相位采用的數據和處理方法的不同,D InSAR技術主要分為二軌法和三軌法,前者利用外部高精度地面數字高程模型來模擬地形相位,然后從整體干涉圖中減去模擬的地形相位就得到僅包含形變相位的差分干涉圖;后者利用3幅影像生成2幅干涉圖,其中一幅干涉圖是地表變化前產生的,主要獲取地形相位,另外一幅干涉圖是由2個形變前后的SAR影像生成,包含了地形相位和形變相位,這樣通過去除地形相位就可以得到差分干涉圖[5-6]。下面以二軌法為例,介紹D InSAR技術的基本原理。

二軌法首先利用一對跨越形變期的SAR影像進行干涉處理,得到包含形變信息的干涉相位。然后利用外部DEM,消除地形信息的影響。很顯然,反演的干涉相位不含形變信息,也不受大氣效應及其它噪聲的影響。最后將干涉處理獲得的相位和利用已知DEM反演的干涉相位進行二次差分處理,去除掉干涉相位中的地形相位,得到只表征地表形變信息的相位,進而計算出地表的形變量[7-9]。

2 實驗研究

為了測試D InSAR技術探測地震同震形變場的能力,以伊朗Bam地震為例進行實驗。2003-12-26,伊朗東南部Bam地區發生了強度為6.6級的強烈地震,歐空局ENV ISA T衛星監測到Bam地震發生的全過程,因此,采用歐空局 ENV ISA T提供的兩幅SAR影像,成像時間分別為 2003-12-03和2004-01-07。選取2003-12-03影像為主影像,2004-01-07影像為從影像,成像參數如表1所示。

表1 Bam地震SAR影像資料

差分干涉數據處理主要采用荷蘭Delft大學開發的Do ris軟件進行,經過配準、重采樣、生成干涉圖。去平地效應后的干涉圖中包含有地形相位和形變相位,為了獲得只包含形變相位的差分干涉圖,必須去處掉干涉圖中的地形相位,在這里是通過利用該地區的SRTM 3數據模擬在SAR干涉像對的空間基線條件下地表起伏所對應的地形相位,其主要步驟包括:①將DEM采樣至干涉圖像像元大小;②基于多普勒、斜距和橢球方程將SRTM 3數據轉換到干涉像對的坐標系統中并模擬干涉相位;③從總相位中減去模擬的地形相位等。實驗步驟如下:

1)主從影像的讀取。圖1為主影像幅度圖,圖2為從影像幅度圖。

2)從影像的過采樣。圖3為從影像過采樣圖。

圖3 從影像過采樣圖

3)主從影像的配準。圖4為主從影像配準圖。

配準的目的就是找出主輔影像上的同名點,將它們對應起來,為計算干涉相位做準備。配準的基本步驟包括3步:①粗配準;②像元級配準;③精配準。配準后根據匹配模型對輔影像進行重采樣或內插處理。

4)干涉圖的生成。圖5為相干圖,圖6為未去平地的干涉相位圖。

利用配準后的主從影像數據進行復共軛相乘,即對圖像每點對應的幅度進行平均處理,把相位做差處理,然后將計算結果灰度化顯示出來,即生成相干圖和復干涉圖。

5)去平地效應、濾波。圖7為去平后干涉相位圖,圖8為濾波后干涉相位圖。

即使平地上的兩點也會存在橢球相位,這與參考橢球面有關。為了獲得形變信息,必須有效去除平地相位。

6)利用外部DEM數據進行二次差分干涉。圖9為差分干涉相位圖。

圖9 差分干涉相位圖

圖9為Bam地震數據生成的同震形變干涉圖,圖中每個彩色條紋表示2.8 cm的雷達視線向位移值,東北象限內有10個干涉條紋,表示衛星視線向地表形變(沉降)約為28 cm,東南象限有7個干涉條紋,地表形變(隆起)約為19.6 cm,干涉圖的左上角的干涉條紋不明顯,分析其原因可能是干涉數據嚴重失相關引起的。將得到的差分干涉結果與國際上幾個著名研究機構公開發表的結果相一致,分別如圖10、圖11、圖12所示,因此,D InSAR技術將為今后的地震和板塊運動研究提供新的技術手段。

3 結 論

通過實驗可以看出,利用D InSAR技術可以快速、準確地監測出大面積區域內的地震形變場,與常規監測方法相比,D InSAR技術不僅省時省力,而且花費較少。結果表明,D InSAR技術可以獲取更為豐富的地震引起的地表形變信息,其在地震形變研究中將具有非常廣闊的應用前景。但是作為一種新興的遙感監測技術,D InSAR技術在很多方面還存在一些不足,在實驗過程中發現,雖然實驗采用的兩副數據相干性較好,但制約D InSAR技術的時空去相關和大氣效應影響因素依然存在。如何在以后的研究中更加有效地去除這些失相干因素的影響還有待進一步的研究。

[1]廖明生,林 琿.雷達干涉測量原理與信號處理基礎[M].北京:測繪出版社,2003.

[2]GABRIEL A K,GOLDSTEIN R M,ZEBKER H A.Mapping small elevation changes overlarge areas:Differential radar interferometry[J].Journalof Geophysical Research,1989,94(B7):9 183-9 191.

[3]MASSONNET D,ROSSIM,CARMONA C,et al.The displacement field of the landers earthquake mapped by radar interferometry[J].Nature,1993,364(8):138-142.

[4]ZEBKER H A,ROSER PA,GOLDSTEIN R M.et al.On the derivation of coseismic disp lacement fields using differential radar interfereometry-the landers earthquake[J].J.Geophys.Res.1994,99:19-617-19634.

[5]王 超,張 紅,劉 智.星載合成孔徑雷達干涉測量[M].北京:科學出版社,2002:81-87.

[6]楊新安,程 軍,王紅霞.上海地面沉降及其防治研究[J].上海鐵道大學學報,2000,21(8):71-75.

[7]王 超,劉 智,張 紅,等.張北-尚義地震同震形變場的差分干涉測量技術[J].科學通報,2000,45(23):2550-2553.

[8]劉國祥,劉文熙,黃丁發.InSAR技術及其應用中的若干問題[J].測繪通報,2001(8):10-12.

[9]郭華東,王長林.全天候全天時三維航天遙感技術[J].遙感信息,2000(1):47-48.

Research on extract earthquake co-seism ic deformation by
Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar

HU Bo1,2,WANG Han-sheng1
(1.Key Laboratory of Dynamic Geodesy,Institute of Geodesy and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430077,China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar(D InSAR)can monitormovementson earth surface at centimeter or even more minute levels.Therefore,many earth physical phenomena can be discovered and analyzed,such as earthquake,volcano,atmospheremeteo rology,ice sheetmovement,subsidence,landslide,and so on and so fo rth.A s a new space geodetic technique,D InSAR has mo re advantages than traditional geodetic technique such as all w eather,24-hour continues surveying and ability to penetrate into substances on the each.This paper introduces the basic p rincip les of D InSAR and p rocessing flow,and derives the Bam co-seismic deformation by the examp le of Bam earthquake.

D InSAR;earthquake deformation;land subsidence;co-seismic

P542

A

1006-7949(2010)01-0009-04

2009-05-18

國家杰出青年科學基金資助項目(40825012);國家自然科學基金資助項目(40574010);中科院優博專項基金(0405061037)

胡 波(1983-),男,博士研究生.

[責任編輯劉文霞]