地震地殼形變InSAR測量中的關鍵技術研究

段寶林

摘? 要：在地震地殼形變監測工作中，InSAR測量技術發揮出了重要作用。其測量結果可以廣泛應用于研究地震動力學機制及地震斷層幾何學特征方面，為進一步認識到斷層活動、巖石圈動力規律等奠定下了堅實的基礎。本文主要分析了InSAR測量在地震地殼形變研究中的關鍵技術，使InSAR技術能夠更加合理的應用到地震地殼形變檢測工作中。

關鍵詞：地震地殼形變? InSAR? 關鍵技術? 時序分析

中圖分類號：P237? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0045-03

Abstract： InSAR has played an important role in crustal deformation monitoring. The measurement results can be widely used in the study of seismic dynamic mechanism and seismic fault geometry characteristics， and lay a solid foundation for further understanding of fault activity and lithosphere dynamic law. This paper mainly analyzes the key technologies of InSAR measurement in the study of seismic crustal deformation， so that InSAR technology can be more reasonable applied to the detection of seismic crustal deformation.

Key Words： Earthquake crustal deformation; InSAR; Key technology; Time series analysis

InSAR是一種用以測量地面高度及地表形變特征的技術，具有極高的測量精度。InSAR時序分析方法選取了某些SAR數據干涉對組合，通過建模、DEM誤差等，能夠觀察出地面形變在長時間內的累積情況。InSAR技術因使用方法簡單、作業效率極高，可適應極端環境下的測量任務，通過將InSAR所獲取到的地面形變數據與相關資料相結合，可以實現更為精確的地震預報，對于當今的地震原理研究有著深刻影響。

1? 地震地殼形變InSAR測量中的關鍵技術

1.1 大氣校正及其對時序分析流程改進

在應用InSAR測量地震地殼形變時，往往會因較強的大氣效應影響到測量結果的精確度。距離震中區域的形變量較大，干涉條紋不易受到大氣影響，使得各項數據較為穩定，因此往往會在此種狀況掩蓋效應下，忽視了大氣效應的干擾。但在研究中，可以明顯觀察到大氣效應所產生的影響，今后需在此方面加強相應的研究力度。

InSAR時序分離出的大氣相位與GNSS數據等不盡相同，使得在判定大氣狀況是不能僅依靠此類方法。在使用InSAR時序分析方法用以分析大氣狀況較為復雜且地表波動較大的區域時，因受到傳統時序分析方法較為狹隘的影響，使得大氣狀況判斷出現偏差，形變測量誤差較大。造成此現象的因素主要有如下兩方面。

首先，由于大氣的周期性運動，使得大氣相位不再具有“時域高頻”的相關特征;在大氣較厚并且分布不均時，往往會導致時空濾波處理無法進行。現代研究表明，在大氣垂直與DEM較為密切時，其時空濾波雖已經過相應處理，但會殘留一定的大氣相位，極易對監測造成干擾。其次，InSAR時序分析需借助于高相干點獲取各類信息，大氣相位分離主要依靠PS點，在分析范圍擴大的情況下，使得此方式的精準度無法保障。

InSAR時序分析獲取相位信息主要依靠高相干點，PS點具有的密度質量、質量可保障大氣相位分離的精準度。在測量范圍擴大的情況下，往往會受到相干性的影響，導致自身精準度下降。如僅采取濾波的方式對大氣相位進行處理具有較大的局限性。這主要表現在以下兩方面。

首先，會導致出現誤判的情況。在進行濾波處理時，由于大氣相位處理不徹底，將會產生誤判，將某些非形變問題作為地表形變處理。另外如處理過多，使得某些關鍵信息丟失，無法完整解讀地質運動的基本情況。其次，因大氣條紋與軌道條紋具有重合性特征，降低了基線的重估精準度，在流程處理環節出現較為嚴重的誤差，無法獲取到精確的結果。為進一步提升InSAR時序分析形變測量應對多種環境的能力，應將大氣校正作為關鍵流程予以重視。

由于大氣校正具有諸多優勢，使其在InSAR時序分析形變測量中的應用愈發廣泛。隨著技術的發展，現今已出現了采取模擬大氣相位的方法優化PS-InSAR，從而進一步強化了大氣相位估計的準確性，使形變測量更加合理。在PS-InSAR中加入ECMWF大氣數值模式后，將地形相位去除，利用ECMWF模擬大氣垂直層流分量，從干涉圖中將其去除，然后采取時空濾波去除水平湍流大氣相位。除上述方法外，還可以在InSAR時序分析中采用基于GNSS數據的大氣校正的方法，能夠顯著提升監測能力。在此過程中，應借助于專業化軟件，使大氣校正法更為有效。GACOS處理軟件是使用效果較好的軟件之一，其采用了ECMWF大氣產品及GNSS數據，可快速生成高精度大氣對流延遲相位，實現InSAR大氣校正目的。GACOS因覆蓋范圍極為廣泛、不受時間及空間的限制、生成SAR數據及時、性能評價便捷等優勢，在業內有著極高的應用前景。

1.2 三維形變信息提取

在實際應用中，InSAR可與GNSS、Offset Tracking等內容相互配合，從而推導出地表三維形變信息。但由于其精確度較低，往往不能適用于精度要求較高的場景中。造成此種狀況的原因在于以下3方面。

（1）Offset Tracking等技術自身精確度難以滿足實際使用要求;（2）GNSS的數據相對較少，不具備整體覆蓋的能力;（3）SAR系統的主要工作內容不是地表三維形變信息的獲取。從上述內容中可見，三維形變信息提取的關鍵因素在于獲取到足夠且精確的數據。為實現此目標，要加大大軌道傾角SAR衛星系統的研究力度，并且將獲取地表三維形變信息作為主要功能，扭轉SAR衛星系統對三維形變信息提取工作不力的局面。

1.3 大范圍形變監測

（1）ScanSAR時序分析。

在SAR系統中，ScanSAR的應用最為廣泛。雖然ScanSAR有著極強的數據覆蓋能力，但由于數據干涉效果不佳，加之其自身分辨率不能得到保障，使得其應用具有一定的局限性。產生此問題的根源在于，星載SAR系統在設計之初即存在Burst不能同步的現象，造成數據干涉相干性不強。另外由于ScanSAR模式分辨率較低，使高相干目標明顯不足。

（2）InSAR形變結果拼接。

在地殼形變監測中，因觀測區域的差異，需對干涉測量結果進行拼接處理。可通過以下策略開展此項工作：首先，在InSAR處理時需采取參考點才能夠完成，因此應考慮參考點對監測結果的影響，制定出選擇參考點的標準。其次，需厘清InSAR處理參考點的關系，通過建立起傳遞理論模型，使其形成統一性。由于空間坐標系存在偏差，當SAR影像重疊部分的高程差不明顯時，可將其中一幅SAR影像作為主影像，采取多項式法統一其它SAR影像。如高程差較為顯著，可將待拼接的SAR影像放置于同一坐標系中。

1.4 高相干目標選取

在InSAR時序分析中，通常采取多幅SAR影像用來獲取高相干目標的形變信息，保證形變結果的準確性。高相干目標在大氣相位分離、相位解纏精度方面有著較大作用，其數量直接影響到精確度。

InSAR時序分析受到多種因素的共同作用，要重點關注高相干點的數量級密度問題。如在大范圍區域且缺少足夠植被的情況下，則在選取高相干點時出現較多難點。由于當前InSAR時序分析在選取高相干點時采取了統一的參數閾值方法，如將其應用于較大范圍時，極易出現PS點分布不均的現象，使得某些區域內的計算結果失真。現今出現了SqueeSAR技術及StaMPS方法。經長期觀察可見，上述兩種方法在地表形變監測有著較好的應用空間。其中，SqueeSAR技術采用了雙樣本KS檢驗法，選擇受時間失相干影響較小的統計像元，使得高相干目標的質量與密度均得到了顯著提升。StaMPS方法將PS按照散射體進行對待，以相位穩定性作為重要指標，在提取高相干目標時，利用了相位空間與振幅離差之間的關聯性。

某些區域中的自然地表相干性條件較差，使得穩定高相干像元數量不足。針對此種狀況，應采用InSAR時序分析選點的自適應法，及時調整自身閾值，達到穩定識別高相干像元的目的。要制定出相應的策略，依據所處環境，將閾值參數設定在合理范圍內。要及時評價結果的差異性，使形變測量范圍得以增大，最后還應繪制出相應的分布圖，使結果更為形象直觀。

1.5 大數據背景下數據處理方法

隨著信息科技、大數據技術、衛星發射等行業取得巨大進步，在地震地殼形變監測中應及時引入多種方法，充分利用各類檔案數據，使數據處理更為高效、準確，不斷提升應急響應的效率。由于地震地殼形變監測過程中會產生大量的數據資料，為確保觀測過程的連貫性，其InSAR時序分析數據處理方式需加以改進。針對新獲取到的數據資料，InSAR時序分析數法可將其及時加入到數據庫中，而無需從初始端進行操作。另外由于數據累積量及監測任務逐漸增大，會影響到計算機的運行速度，從長遠角度出發，應及時將繁多的數據遷移到云端，提升計算機的效能。

在星載SAR技術日益成熟的背景下，加之衛星重訪周期的時間越來越短，使得SAR的空間分辨率得以大幅提升。基于衛星重訪周期時間被縮短的狀況，從而有機會能夠在極短的時間內獲取到足夠多的資料，但大量的數據使得計算機處理速度緩慢。在InSAR時序分析方法中，往往僅依靠對已存儲的信息進行處理，由于地殼形變監測具有顯著的連貫性，使得其數據處理滯后性嚴重，無法適應現今對數據資料的大量需求。在今后的工作中，應重點研究利用較短重訪周期下SAR數據的方法，將其運用到InSAR時序分析中，從而在地震地殼形變監測中發揮出重要作用，實現實時動態式的監測。正是由于存在此類問題，因此需在InSAR時序分析技術采取漸進方法，使傳統模式下的數據集中處理轉變成為增量式處理模式，發揮出大數據技術的作用。在處理技術不斷發展的狀況下，現已出現了漸進式SBAS處理方法，可提升Sentine-lA星載SAR干涉數據的收集能力，從而獲取到SAR數據。此方法能夠依據現有的形變監測數據，推導出當前的形變結果，摒棄了傳統模式下需再次從初始端進行操作的弊端，極大提升了時序分析的準確性及效率。

2? 結語

通過上文分析可見，在地殼形變監測中，InSAR技術在其中發揮出了重要作用，在地震全過程中均可以監測地殼形變的發生規律。我國的空間立體觀測技術在衛星發射技術的引領下，現已取得了較為滿意的成績。尤其隨著SAR測繪衛星和形變監測衛星陸續投入使用，使得InSAR技術已成為當前的熱點研究領域。SAR系統不同于光學衛星，其自身功率有限，不能實現實時且長期的對地成像。要按照既定計劃，選取重點觀測區域，從而獲得某一區域內充足的數據資料，為后續進一步研究提供了數據支持。基于實際應用的考慮，將來可在SAR系統中設置不同任務的優先級別、成像時間于運行周期之間的時長關系等。

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