利用ALOS數據獲取汶川MS8.0地震的震前形變

王慧玲，張永志，郭大同，高 陽，尹 鵬

(1. 長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710064; 2. 長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

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利用ALOS數據獲取汶川MS8.0地震的震前形變

王慧玲1，張永志1，郭大同2，高 陽1，尹 鵬1

(1. 長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710064; 2. 長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

利用合成孔徑雷達干涉測量的短基線技術對汶川震前的地表形變進行面狀監測。獲取的是日本衛星L波段的ALOS PALSAR傳感器拍攝的衛星數據。在Gamma軟件處理下，將2007年6月至2008年5月的時隔320 d的6景數據，利用stacking技術得到汶川震中地區在震前一年內的變形速率。變形特征表明，沿著汶茂斷裂帶呈“凸”字形分布特征，斷裂帶處最大隆升值達24 cm，斷層兩側出現下降的趨勢，在綿虒鎮附近達到最大沉降值22 cm。與前人用D-InSAR所做出的研究結果相比，二者具有很好的一致性。

汶川地震；形變；SBAS_InSAR；ALOS數據

2008年5月12日四川省汶川縣(31.0°N，103.4°E)MS8.0地震，是近年來破壞程度和強烈程度最為嚴重的一次[1]。地殼運動的實質是地球內部構造應力作用下引起的地殼一些相對運動(包括垂直運動和水平運動等)。從預變應變建立到同震移位，進一步到后震彈性恢復，地震周圍地表變速變形，甚至達幾十厘米[2]。本文利用小基線技術對汶川地區震前進行變形監測研究，得到一年之內汶川地區地面的形變速率，并將研究結果與前人結果進行對比，探討地震前地表形變呈現的規律。

汶川地震震區海拔高，地勢險峻，利用水準測量和布設GPS形變觀測點的方法較困難，很難獲取研究區域內長時間的形變情況，即使獲取到部分圖像，也不是連續的[3]。曾有人通過分析獲取到的斷層和GPS觀測資料，得到了與經驗和理解相悖的結果，因為在地震爆發前期，無明顯的變化結果，且越靠近震中，變化越不明顯[4]。顯然，這是與現實不符的。

D-InSAR是近幾年發展起來的一種用于地形和地面變形測繪的強大技術，有著全天候和晝夜成像的能力以及寬空間覆蓋高分辨率和高測量精度的特點[5]。2004年,李震等采用該技術對青藏公路沿線進行形變監測，所得結果與實地監測控制點形變數據非常吻合[6]；但是，該技術因為監測精度受時間和空間相關性以及大氣延遲的影響，只能得到單個變形成果，不能得到研究區域表面變形的時間演化情況[7]。

基于此，部分國際學者提出了基于D-InSAR的時序InSAR技術(multi-temporal InSAR)，通過對大量數據在高相位點目標的分析，獲得了研究區地表面變形速率和變形時間序列[8]。短基線集(SBAS-InSAR)技術通過多干涉對組合對多個解纏相位圖進行最小二乘求解，可以有效消除或削弱解纏粗差和大氣延遲誤差的影響，高精度地獲取地面形變量[9]。此外，該方法無需大量SAR影像，是一種非常有效的InSAR處理方法，在大城市地面沉降、火山緩慢變化、斷層蠕動等方面表現出了極大的潛力和優勢[10]。本文嘗試利用該技術提取汶川震前震中位置的形變時間序列，以探究發震前期活動的狀態。

1 SBAS-InSAR技術

1.1 SBAS-InSAR技術原理

SBAS-InSAR是由Berardino和Lanari等研究人員提出的一種不同于PS-InSAR的時間序列分析方法，可以較好地克服空間去相干[11]。SBAS-InSAR采用了奇異值分解(SVD)法求解形變速率，使較大空間基線分開成孤立SAR數據集連接起來，大大提高了觀測采樣率[12]。

圖1為SBAS-InSAR數據處理流程。

圖1 SBAS-InSAR技術處理流程

SBAS-InSAR方法是基于時間序列SAR數據生成的小基線差分干涉圖集，它可以利用平時通用的InSAR處理軟件獲得的差分干涉圖來得到地表相干目標的形變速率和時間序列[13]。小基線技術的關鍵特征在于充分利用獲取的SAR數據，因此提高了形變量測的時間采樣頻率和研究區域的空間覆蓋率。SBAS-InSAR應用于影像覆蓋范圍內所有表現出足夠高相干性的像元，因此算法是很穩健的[14]。

1.2 Stacking原理

Stacking方法數學模型為

2 SBAS-InSAR監測與分析

2.1 SAR影像的選取

本次試驗選用由美國宇航局NASA測得的SRTM數字高程模型(如圖2所示)作為地形數據。SRTM系統覆蓋面積之廣、采集數據量之大、精度之高在測繪史上是前所未有的。該模型的地面分辨率為3 m，垂直和水平精度分別為16和20 m，選用WGS-84坐標系為平面基準，高程基準是EGM96。

圖2 龍門山部分地區地形圖虛線矩形框為研究區域位置

本文選擇23.6 cm的L波段數據，較常規5.6 cm的C波段數據信號更好，獲得的數據信噪比更高。由于衛星上直接獲得的raw數據不能夠在Gamma終端下運行，必須將通過互聯網獲得的衛星精密星歷，轉換成軟件可以處理的單視復影像圖(SLC Image)。

為達到最佳配準精度，本次試驗選取時間居中的一景影像為主影像，其余7幅影像與其進行配準，查看配準結果發現，其中兩幅數據由于大氣和噪聲影響，配準效果較差，達不到研究要求，將這兩幅剔除。故本次試驗能夠完全配準的只有6幅影像。表1是所用影像的基本參數。

表1 所用SAR影像的基本參數

2.2 時間序列技術處理

選中20070920為主影像，6幅影像兩兩干涉生成12幅干涉圖，但由于其中3幅不滿足研究要求，故而只有9幅。接著對干涉圖多視處理來增強圖像相干性和檢測較大尺度的形變信息。多視因子設為12：28。采用兩次自適應濾波法，去除由于失相關引起的微小形變，從而達到提高信噪比的目的[14]。兩次濾波窗口分別設為256、128，濾波因子設為0.5。數據處理過程中，許多失相干因素的影響會間斷地獲取干涉相位，使得相位周期性和趨勢性受到破壞，增加相位解纏的難度，更甚的是可能造成相位解纏出錯。而小基線多干涉對組合可剔除相位解纏誤差。截至目前，相位解纏方法多達30多種。本次經過幾種方法對比，最后所用的是效果較好的最小費用流法，解纏時相干系數閾值設為0.7。

所選地區由部分山區和揚子地塊組成，而山區部分由于植被覆蓋率較高，大氣(水汽等)影響最后結果的真實性，故而為了使最后生成的時間序列和年平均形變速率更加精確，對影像進行了一次去大氣操作和兩次去趨勢操作。最后，用stacking技術獲取年平均形變速率圖。

2.3 InSAR監測震前變形剖面分析

龍門山斷裂帶由龍門山后山斷裂帶(汶川-茂縣-平武-青川)、主中央斷裂帶(映秀-北川-關莊)、龍門山主山前邊界大斷裂(都江堰-漢旺-安縣)3條主斷裂帶組成[15]。為了進一步對該地區的震前變形活動進行空間域的分析，根據斷裂帶走向和分布，提取了3條斷裂中變形較為明顯的汶川-茂汶斷裂帶以及主中央斷裂帶，作為南北剖面線(如圖3 H1H2所示)。

H1、H2為汶川-茂汶段裂帶的剖面線，L1、L2為主中央斷裂帶剖面線，圖4(a)為北側H1H2的剖面線形變圖，最大沉降值達到14 cm，最大隆升值達19 cm，相比于南側的L1L2(如圖4(b)所示)，變化較為凸出，而L1L2整體變化較為平緩，活動區域基本在10 cm左右。圖4(c)為兩條剖面的疊加圖，可以看出，汶茂斷裂帶比映秀-北川斷裂帶更為活躍，這也解釋了汶茂斷裂帶為主要斷裂帶，發生地震的嚴重程度要遠大于都江堰一帶。

圖3 汶川地區變形

V1—V6為垂直于H1H2的6條剖面線，其形變如圖5所示，從中可以看到V1剖面線地形沉降幅度最大，大約在24 cm內左右，并且在V1、V4、V6處出現了斑狀沉降區，而沿著汶茂斷裂帶出現了“凸”狀隆升區，最大隆升值甚至達到22 cm。在綿虒鎮附近沿著汶川一帶有大范圍的隆起，最大幅度可達18 cm，這也可能預示著此區域附近為地震初始破裂位置，與單新建等人在2015年的調查結果一致。汶川地震震前形變場的分布格局顯示，沿著斷層線呈現出“凸”狀形變變化特征,即以發震斷層為中心的隆起形變變化，遠離發震斷層兩盤均出現下沉。

圖4 平行于斷裂帶的剖面線形變圖

2.4 時間序列分析

針對同一剖面V3做時間序列，如圖5所示，得到6幅不同時間的形變圖。對每個時間段的V3剖面做形變圖，得到圖6。

從圖5可以看出，遠離斷裂帶處的地區有斑狀下沉區，而離斷層越近，上升特征越為明顯。在圖6(c)中，即2007年9月20日，達到了沉降最大值，大約24 cm。至V3西北方向剖面起點15 km處開始，出現了上升的趨勢。在大約剖面線和斷裂帶的交點，出現了急劇的上升。2008年2月，上升值達到了最大，大約在20 cm左右。隨后在斷裂帶的東南側，開始出現下降的趨勢。從圖6可以看出，是在距離西北端20 km處開始出現下降的特征。

圖5 時間序列圖

圖6 時間序列剖面

從圖6(b)和(c)中可以看出，2007年8月和9月斷裂帶的東南處也有大面積的隆起。而在2007年12月以后一直到地震前夕，變形則緩和了很多，推測與斷裂帶起伏運動有關系。從整體上看，同比雅安地震，汶川震中在地震爆發前一年變形較大，這也與后面汶川大地震的大爆發力以及大破壞力遙相呼應。

3 結 論

本文總結運用了InSAR的小基線技術，通過對汶川震中地區時間間隔為320 d的數據分析，提取了汶川一個條帶在震前一年的形變場，得到的震前垂直形變集中在為10～15 cm之內，個別嚴重變形區域可達20 cm。汶川-茂縣斷裂帶為主要隆升區域，綿虒鎮的西北端和汶川的東南段為主要沉降區域。較前人的研究結果變形略大，可能與選取數據包含了2/3的山區部分有關，山區植被多、水汽大，對變形結果有較大的干預。此外，對于其他地區震前活動(如北川、安縣、綿陽區域)，在InSAR形變圖上則不太明顯，推測與地震孕震規律有關。還需采用可以覆蓋龍門斷裂帶區較多的數據，進行長時間序列監測。而對于地面垂直變形原因與地震活動的具體關系，還需結合構造地質學與地震活動資料等進一步加以佐證。

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Pre-earthquake Deformation of Wenchuan MS8.0 Earthquake

by ALOS Data

WANG Huiling1，ZHANG Yongzhi1，GUO Datong2，GAO Yang1，YIN Peng1

(1. School of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. College of Highway Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In this paper, using the short baseline technique of synthetic aperture radar interferome, we try to monitor the ground deformation before Wenchuan earthquake. Under the gamma software, the deformation rate of Wenchuan epicentral area in one year before the earthquake was obtained by using stacking technique in June, 2008 and May, 2006. The deformation characteristics indicate that the maximum uplift value reaches 24 cm along the Wenmao fault zone and the two sides of the fault show a downward trend. The maximum sedimentation value reaches 22 cm in the vicinity of Mianyang Town. By comparing with the results of D-InSAR, the two are in good agreement. The trend of vertical deformation field before the earthquake may provide a scientific basis for earthquake prediction.

Wenchuan earthquake; deformation; SBAS_InSAR; ALOS data

王慧玲，張永志，郭大同，等.利用ALOS數據獲取汶川MS8.0地震的震前形變[J].測繪通報，2017(7)：39-44.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0220.

2016-11-29；

2017-03-08

國家自然科學基金(41374028)

王慧玲(1989—)，女，碩士生，研究方向為InSAR理論及其應用技術研究。E-mail：wanghuilingWHL@yeah.net

P237

A

0494-0911(2017)07-0039-06