基于D-InSAR技術(shù)的新疆阿克陶地震形變監(jiān)測(cè)

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 四川 成都 610059)

基于D-InSAR技術(shù)的新疆阿克陶地震形變監(jiān)測(cè)

李成繞薛東劍張露

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院四川成都610059)

雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)(Differential interferometric synthetic aperture radar，DInSAR)具有全天候、大范圍和高精度的特點(diǎn)，目前已經(jīng)在地震形變、火山運(yùn)動(dòng)、地面沉降、冰川移動(dòng)以及山體滑坡監(jiān)測(cè)中廣泛地運(yùn)用。本文主要采用二軌法差分干涉測(cè)量方法：利用D-InSAR技術(shù)對(duì)新疆阿克陶地震造成的地表形變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得到了LOS向的同震三維形變場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，阿克陶地震造成了較大的形變，震中附近地塊被抬升，而在震中東北方向的地塊則發(fā)生沉降，同時(shí)可以明顯的看到地震造成一條北東向的斷層。

D-InSAR；地表形變；二軌法；阿克陶地震

D-InSAR是一種主動(dòng)式微波遙感技術(shù)，集成了SAR遙感成像、電磁波干涉和計(jì)算機(jī)科學(xué)等技術(shù)，它具有不受時(shí)間和天氣狀況的影響，且覆蓋范圍廣、空間分辨率高和垂直形變敏感度高等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在區(qū)域地表形變測(cè)量中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其對(duì)地表形變監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)到厘米級(jí)[1,2]。

D-InSAR技術(shù)首次利用是在1989年Gabriel等用其監(jiān)測(cè)出美國(guó)加尼福尼亞?wèn)|南部的英佩爾河谷灌溉區(qū)的微小地表形變[3]。1993年由Massonnet等利用D-InSAR技術(shù)研究出關(guān)于美國(guó)加州Landers地震的文章引起了地學(xué)界學(xué)者的極大關(guān)注，D-InSAR技術(shù)很快成為了雷達(dá)遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4]。

國(guó)內(nèi)劉國(guó)祥等[5]人利用SAR影像進(jìn)行差分干涉處理，成功獲取了香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)一年內(nèi)的沉降場(chǎng)，與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果相比吻合較好，且精度優(yōu)于1cm。

一、數(shù)據(jù)來(lái)源及實(shí)驗(yàn)方法

(一)數(shù)據(jù)來(lái)源

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用歐空局sentinel-1A衛(wèi)星IW干涉寬幅模式VV極化雷達(dá)影像。Sentinel-1屬于近極地對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星之一，sentinel-1A是雷達(dá)成像衛(wèi)星，工作在C波段，有4種成像模式，包括：條帶成像模式、干涉寬幅模式、超寬幅模式、波浪模式，對(duì)于sentinel-1A的4種成像模式，干涉寬幅模式采用中等分辨率(5m×20m)獲取幅寬250km的影像，通過(guò)采用遞進(jìn)的地形掃描方式來(lái)獲取三個(gè)子條帶。

(二)實(shí)驗(yàn)方法—兩軌法

兩軌模型的基本思想是利用已知的外部DEM數(shù)字高程模型來(lái)消除地形相位，若已知高程h，則可以反算地形相位，然后利用地形相位計(jì)算形變量，若地表沒(méi)有形變，在不考慮大氣效應(yīng)的情況下，則平地相位等于地形相位。由于兩軌模型的有點(diǎn)是不需要相位解纏，減少了數(shù)據(jù)處理的工作量，并且避免了相位解纏引入的誤差，因此采用兩軌法作為本次實(shí)驗(yàn)的方法。

二、實(shí)驗(yàn)步驟

利用單視復(fù)數(shù)(SLC)數(shù)據(jù)采用二軌模式的方法進(jìn)行二次差分處理獲取地表形變信息一般包括以下步驟：基線估算、干涉圖生成、濾波和相干性計(jì)算、相位解纏、軌道精煉和重去平、相位轉(zhuǎn)形變以及地理編碼。

①基線估算。在做D-InSAR工作流的之前，首先做一個(gè)基線估算，為了獲得震區(qū)的同震形變場(chǎng)，對(duì)不同時(shí)相的兩景sentinel-1A雷達(dá)干涉像對(duì)，利用差分干涉測(cè)量方法做基線估算，進(jìn)行形變場(chǎng)的提取工作。兩景數(shù)據(jù)的空間基線為156.601米，遠(yuǎn)小于臨界基線6393.122米，D-InSAR做地表形變時(shí)，基線越小則形變的變化越敏感，所以同等條件下選擇基線越小的做D-InSAR。

②干涉圖生成。對(duì)雷達(dá)影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)之后，就可以計(jì)算出每一同名點(diǎn)上的相位差，生成干涉條紋圖。

③濾波與相干性計(jì)算。斑點(diǎn)噪聲的存在使得SAR圖像信噪比下降，嚴(yán)重時(shí)使圖像模糊，甚至圖像特征消失。因此，要想得到比較精確的地表形變相位必須削弱噪聲相位的影響，做濾波處理。

④相位解纏。在干涉處理中只能獲得[-π，π]的纏繞相位，為了得到與地形高程直接關(guān)聯(lián)的真實(shí)相位，必須通過(guò)解纏算法來(lái)恢復(fù)實(shí)際相位，相位解纏的準(zhǔn)確性直接影響地表形變監(jiān)測(cè)結(jié)果。

⑤軌道精煉和重去平。在干涉相位中，參考橢球面的相位貢獻(xiàn)表現(xiàn)為平行的條紋，垂直基線越長(zhǎng)，干涉條紋就越密集；而地形坡度越大，地形引起的干涉條紋越密集，地形變化越大，干涉條紋曲率變化越明顯。進(jìn)行軌道精煉和相位偏移的計(jì)算，消除可能的斜坡相位，對(duì)衛(wèi)星軌道和相位偏移進(jìn)行糾正。

⑥將經(jīng)過(guò)絕對(duì)校準(zhǔn)和解纏的相位，結(jié)合合成相位，轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫償?shù)據(jù)以及地理編碼到制圖坐標(biāo)系統(tǒng)，而這里得到的形變是LOS方向的形變。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明D-InSAR技術(shù)能監(jiān)測(cè)到在垂直方向厘米級(jí)的垂直變形，此次地震造成的垂直形變?yōu)槔迕准?jí),且地表形變主要分布在震中(39.14°N，83.87°E)的東北方向，垂直形變量在-0.09m到0.16m之間。從形變圖上可以看出，阿克陶地震造成了一條西北-東南走向的斷層，將此次地震造成的形變分為兩部分，即:斷層的北部為發(fā)生沉降，最大沉降點(diǎn)位于震中的東北側(cè)；斷層南部則發(fā)生抬升，最大抬升點(diǎn)就在震中附近。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出：利用DInSAR技術(shù)通過(guò)二軌模式進(jìn)行二次差分處理監(jiān)測(cè)地表形變具有比GPS測(cè)量更高的垂直形變觀測(cè)精度，更好的空間延續(xù)性和無(wú)需建立地面接收站等特性，而DInSAR具有全天時(shí)、全天候、覆蓋廣、分辨率高以及地表垂直形變靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，使其在區(qū)域地表微小形變檢測(cè)中得到廣泛地關(guān)注。但是利用DInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地表形變過(guò)程中，不可避免地會(huì)受到一些因素的干擾而影響最終的差分千涉結(jié)果，如在長(zhǎng)時(shí)間的微量地表形變檢測(cè)中，時(shí)—空去相干和大氣延遲的影響大大制約了DInSAR技術(shù)的發(fā)展。尤其對(duì)微小形變監(jiān)測(cè)、大氣擾動(dòng)引起的相位誤差和地表形變引起的相位變化甚至在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，因此，為了使結(jié)果更接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、提高最終結(jié)果的精度，必須對(duì)這些因素進(jìn)行分析研究，以便在試驗(yàn)研究過(guò)程中，盡量使這些因素產(chǎn)生的誤差達(dá)到最小。

[1]王超,張紅，劉智.星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[2]廖明生,林暉.雷達(dá)干涉測(cè)量學(xué):原理與信號(hào)處理基礎(chǔ)[M].北京:測(cè)繪出版社,2003.

[3]Gabriel A K,Goldstein R M,and Zebker H.A.Mapping small elevation changes over large areas:differential radar interferometry[J],Journal of Geophysical Research,1989,94(B7):9183-9191.

[4]Massonnet D,Rossi M,CarmonaC,et al.The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry[J].Nature,1993,364(6433):138-142.

[5]劉國(guó)祥,丁曉利，李志偉等.使用衛(wèi)星雷達(dá)差分干涉技術(shù)測(cè)量赤臘角機(jī)場(chǎng)沉降場(chǎng)[J].科學(xué)通報(bào),2001,46(14)

李成繞(1991-)，男，漢，云南，成都理工大學(xué)，碩士，研究方向3S技術(shù)及應(yīng)用。