多源衛星遙感數據驅動地震災害應急制圖研究
——以2022年青海門源MW6.7地震為例

王 杰 張雙成,3 吳 桐 司錦釗,3 朱 武,3 李振洪,3

1 長安大學地質工程與測繪學院,西安市雁塔路126號,710054 2 地理信息工程國家重點實驗室,西安市雁塔路中段1號,710054 3 西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室,西安市雁塔路126號,710054

地震作為一種破壞范圍廣、突發性強、形變量大的突發性自然災害,特別是一些強震,如1976年我國唐山MW7.8地震、2004年印度洋MW9.2地震、2010年海地MW7.0地震等,會對人類安全和社會經濟造成巨大損失[1-5]。地震震源參數包括發震斷層的長度、寬度、深度、傾角、走向、震源位置、震級等幾何參數,以及滑動角、滑動量等運動參數[6]。這些參數不僅可以用來分析地震區域應力觸發并進行危險性評估,還能夠為地震應急救援方案的制訂和救援工作的高效開展提供關鍵的震情信息。近年來以衛星遙感為代表的對地觀測技術及各種數據處理技術的蓬勃發展,為地震災害應急響應工作提供了便捷、經濟的手段,極大提高了地震災害應急響應的高效性。

北京時間2022-01-08 01:45我國青海省門源縣(37.77°N,101.26°E)發生MW6.7地震,這是該地區繼1986-08-26和2016-01-21兩次地震后的又一次強震[7-8]。此次地震構造背景較為復雜,主要發生在青藏高原東北緣冷龍嶺斷裂、托萊山斷裂和肅南-祁連斷裂的階區部位(圖1),目前已有大量學者對本次地震進行詳細研究[9-11]。據相關統計,此次地震事件預計財產損失近億元。

圖1 2022-01-08門源地震區域地震構造[13]Fig.1 Seismic structure of Menyuan earthquake area on January 8, 2022[13]

震后應急響應專題圖的制作旨在快速準確地獲取震區災情近實況信息,為科學救災、救援行動部署及物資調配等應急行動提供參考支撐,進而有效減少地震損失。

1 地震災害應急制圖策略

地震災害應急制圖需要將地震災害應急場景與數據處理、制圖過程相聯系[12],將震情數據信息專題化、結構化地呈現給決策部門。在實際數據處理和應急制圖工作中,要遵循快速準確的原則,首先選取具有時效特征的應急數據;然后根據不同類型遙感數據的特點優勢及不同數據處理技術的適用范圍,對地震破壞信息進行綜合快速提取。因此本文綜合多源數據、多種數據處理手段,擬采取的數據處理策略流程及預期數據產品如圖2所示。

2 2022年門源地震應急衛星遙感數據來源

本次門源地震災害應急制圖研究所使用的數據為地震前后的Sentinel-1A雷達遙感影像和地震前后高分一號、高分七號光學遙感影像,各類影像覆蓋范圍如圖3所示。此外,在InSAR數據處理過程中使用了由歐洲航天局(ESA)提供的Sentinel-1A精密軌道數據及美國航天航空局(NASA)提供的SRTM 30 m分辨率數字高程模型等輔助數據。

圖3 應急遙感影像覆蓋范圍示意圖Fig.3 Schematic diagram of emergency remote sensing image coverage

3 門源地震引發地表損毀產品快速獲取

3.1 高分系列光學遙感影像用于設施損毀、地表斷裂產品獲取

針對門源地震所引發的地表破裂及道路、設施損毀,快速收集地震前后GF1、GF7等影像資料,利用變化檢測、人工目視解譯進行快速分析,對此次地震引發的地面破裂和道路損毀信息空間分布進行提取,最終形成應急產品(圖4)。地震引發的地表破裂長度約為20 km,大致沿NWW-SEE方向延伸。部分地表破裂局部細節如圖5所示。

圖4 2022年門源地震周邊國產高分光學遙感影像目視解譯產品Fig.4 Domestic high-resolution optical remote sensing image visual interpretation products around the 2022 Menyuan earthquake

圖5 部分地表破裂局部細節Fig.5 Partial detailed diagram of surface rupture

北部3條地表破裂在光學遙感影像中的特征較清晰,有較強的空間連續延伸性,總體呈現出西低東高的特征。震后的光學遙感影像中存在明顯積雪錯段、鋸齒狀斷裂和大量不規則斷裂(圖5右下)。此外,北部中段的永安河地表破裂與關鍵交通路線距離較近,從而引起公路路面破裂(圖5右上),在強震作用下蘭新高鐵部分路段發生明顯扭曲變形(圖6)。

圖6 地震前后蘭新高鐵影像Fig.6 Image of Lanzhou-Xinjiang high speed railway before and after theearthquake

3.2 Sentinel-1A SAR影像用于地表形變、地表斷裂產品獲取

圖7(a)和圖7(e)分別為利用D-InSAR方法得到的門源地震升、降軌LOS向地表形變產品,地表破裂表現為近乎筆直的北西向色變帶。升、降軌D-InSAR解得最大LOS向形變量分別為-49.15 cm、58.52 cm。同軌道同震形變場在斷裂帶南北盤表現出相反方向,表明本次地震主要以水平位移為主。此外,選取與解譯斷裂帶近似垂直的3條剖線AA′、BB′、CC′進行分析,升、降軌結果分別如圖7(b)～(d)、圖7(f)～(h)所示。同一觀測模式下的剖線分析結果表現出的形變特征較為一致,地表斷裂附近形變量發生跳躍變化。

強震產生的較大形變梯度超出D-InSAR技術的觀測能力時會造成非相干,因此為獲得地表斷裂附近斷層破裂及形變的詳細信息,采取像素偏移量追蹤技術(POT)計算得到東西向形變(圖8(a))和LOS向形變(圖8(b)、(c))產品,揭示了斷層破裂跡線的形態與變化特征,從而獲取斷層附近m級大形變量。

圖8 多源遙感影像POT技術獲取的門源地震周邊地區地表形變及地表破裂Fig.8 Surface deformation and surface rupture in the area surrounding the Menyuan earthquake obtained by POT technology of multi-source remote sensing image

4 門源地震震源參數產品快速獲取

為更好地服務于地震災害應急救援工作,需要進一步得到此次地震的震源及破裂面的幾何、運動學參數。通過Okada彈性半球空間位錯模型,對此次地震進行建模,以獲得震源參數產品。為得到最優參數解,聯合升、降軌LOS向形變進行反演。利用添加光滑約束的最小二乘算法求解的門源地震震源參數產品有:震中位置為37.38°N、101.28°E;震源深度為11.9 km;震級為MW6.6;節面Ⅰ走向104°、傾角85°、滑動角13°,節面Ⅱ走向13°、傾角88°、滑動角171°。總體來看,本次地震為左旋走滑事件,同震破裂到達地表,反演結果與USGS、GCMT等機構公布的參數較吻合。但與其他機構所公布結果之間仍存在一定的偏差,主要原因一是地球物理反演問題本身具有多解性[14],二是不同類型的觀測數據以及其中所包含的隨機誤差等因素會造成震源機制解的不唯一性。

5 結 語

本文以2022-01-08青海門源地震作為研究對象,針對2022年門源地震提出一種多源衛星遙感數據驅動地震災害應急制圖的技術流程,能夠快速提供與災情相關的多類型專題地圖產品,為震后快速應急響應、緊急救援提供高效支撐。

目前全球衛星遙感技術正處于飛速發展時期,未來一段時間內,遙感衛星的種類和數量會大幅增長,為地震災害應急提供切實的數據保障,從而促進地震等災害的應急響應能力。本文對衛星遙感技術成熟應用于地震災害應急響應提出以下展望:1)覆蓋范圍廣、重訪周期短、空間分辨率高是地震災害應急遙感數據的重要發展方向;2)基于多源遙感數據借助多種數據處理技術,實現地震災情信息快速、自動、精細、準確地提取也是地震災害數據應急處理的重要發展方向之一。

致謝：歐空局提供Sentinel-1A SAR影像及對應的精密軌道數據,中國資源衛星應用中心提供GF-1、GF-7光學遙感影像,NASA和NIMA提供SRTM數據,在此一并表示感謝!