D InSAR技術(shù)對(duì)地震同震形變場(chǎng)的研究

胡 波,汪漢勝

(1.中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所動(dòng)力大地測(cè)量學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430077;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049)

D InSAR技術(shù)對(duì)地震同震形變場(chǎng)的研究

胡 波1,2,汪漢勝1

(1.中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所動(dòng)力大地測(cè)量學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430077;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049)

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(D InSAR)可用于監(jiān)測(cè)厘米級(jí)或更微小的地表形變,以揭示許多物理現(xiàn)象,如地震形變、火山運(yùn)動(dòng)、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(duì)地觀測(cè)技術(shù),具有不受時(shí)間和空間的限制、對(duì)地物具有一定的穿透性等傳統(tǒng)測(cè)量所不可比擬的優(yōu)勢(shì),已得到較為廣泛的應(yīng)用。簡(jiǎn)要介紹D InSAR技術(shù)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(chǎng)。

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量;地震形變;地面沉降;同震形變場(chǎng)

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)(D InSAR)是以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)影像的相位信息獲取地表變化信息的技術(shù),是合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星應(yīng)用的一個(gè)拓展。雷達(dá)圖像的差分干涉圖可用于監(jiān)測(cè)厘米級(jí)或更微小的地球表面形變。1989年 Grabriel等首次論證了D InSAR技術(shù)可用于探測(cè)厘米級(jí)的地表形變,并用Seasat L波段SAR數(shù)據(jù)測(cè)量美國(guó)加利福尼亞州東南部的英佩瑞爾河谷(Imperial Valley)灌溉區(qū)的地表形變[1]。但他的工作沒(méi)有得到足夠的重視,直到1993年M assonnet等人利用ERS1/2 SAR數(shù)據(jù)采集了1992年的Landers地震(M=7.2)的形變場(chǎng),并將D InSAR的測(cè)量結(jié)果與其它類型的測(cè)量數(shù)據(jù)以及彈性形變模型進(jìn)行比較,結(jié)果相當(dāng)吻合,研究成果發(fā)表在《Nature》上,引起了國(guó)際地震界的震驚[2-4]。D InSAR從此發(fā)展成為一種專門監(jiān)測(cè)地表形變的新技術(shù),尤其在研究地震形變,火山運(yùn)動(dòng),冰川漂移,地表沉降以及山體滑坡等方面表現(xiàn)出極好的應(yīng)用前景。

1 D InSAR技術(shù)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(shù),通過(guò)多項(xiàng)式擬合得以去除。對(duì)于地形相位,需要利用多余的SAR觀測(cè)數(shù)據(jù)或已知的DEM,通過(guò)二次差分處理消除。根據(jù)去除地形相位采用的數(shù)據(jù)和處理方法的不同,D InSAR技術(shù)主要分為二軌法和三軌法,前者利用外部高精度地面數(shù)字高程模型來(lái)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(chǎn)生的,主要獲取地形相位,另外一幅干涉圖是由2個(gè)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(guò)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(shù)的基本原理。

二軌法首先利用一對(duì)跨越形變期的SAR影像進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(jìn)而計(jì)算出地表的形變量[7-9]。

2 實(shí)驗(yàn)研究

為了測(cè)試D InSAR技術(shù)探測(cè)地震同震形變場(chǎng)的能力,以伊朗Bam地震為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2003-12-26,伊朗東南部Bam地區(qū)發(fā)生了強(qiáng)度為6.6級(jí)的強(qiáng)烈地震,歐空局ENV ISA T衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到Bam地震發(fā)生的全過(guò)程,因此,采用歐空局 ENV ISA T提供的兩幅SAR影像,成像時(shí)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(shù)如表1所示。

表1 Bam地震SAR影像資料

差分干涉數(shù)據(jù)處理主要采用荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)的Do ris軟件進(jìn)行,經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)、重采樣、生成干涉圖。去平地效應(yīng)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(guò)利用該地區(qū)的SRTM 3數(shù)據(jù)模擬在SAR干涉像對(duì)的空間基線條件下地表起伏所對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到干涉像對(duì)的坐標(biāo)系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)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(guò)采樣。圖3為從影像過(guò)采樣圖。

圖3 從影像過(guò)采樣圖

3)主從影像的配準(zhǔn)。圖4為主從影像配準(zhǔn)圖。

配準(zhǔn)的目的就是找出主輔影像上的同名點(diǎn),將它們對(duì)應(yīng)起來(lái),為計(jì)算干涉相位做準(zhǔn)備。配準(zhǔn)的基本步驟包括3步:①粗配準(zhǔn);②像元級(jí)配準(zhǔn);③精配準(zhǔn)。配準(zhǔn)后根據(jù)匹配模型對(duì)輔影像進(jìn)行重采樣或內(nèi)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(zhǔn)后的主從影像數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)共軛相乘,即對(duì)圖像每點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅度進(jìn)行平均處理,把相位做差處理,然后將計(jì)算結(jié)果灰度化顯示出來(lái),即生成相干圖和復(fù)干涉圖。

5)去平地效應(yīng)、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(diǎn)也會(huì)存在橢球相位,這與參考橢球面有關(guān)。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(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)生成的同震形變干涉圖,圖中每個(gè)彩色條紋表示2.8 cm的雷達(dá)視線向位移值,東北象限內(nèi)有10個(gè)干涉條紋,表示衛(wèi)星視線向地表形變(沉降)約為28 cm,東南象限有7個(gè)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(shù)據(jù)嚴(yán)重失相關(guān)引起的。將得到的差分干涉結(jié)果與國(guó)際上幾個(gè)著名研究機(jī)構(gòu)公開發(fā)表的結(jié)果相一致,分別如圖10、圖11、圖12所示,因此,D InSAR技術(shù)將為今后的地震和板塊運(yùn)動(dòng)研究提供新的技術(shù)手段。

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出,利用D InSAR技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出大面積區(qū)域內(nèi)的地震形變場(chǎng),與常規(guī)監(jiān)測(cè)方法相比,D InSAR技術(shù)不僅省時(shí)省力,而且花費(fèi)較少。結(jié)果表明,D InSAR技術(shù)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(yīng)用前景。但是作為一種新興的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù),D InSAR技術(shù)在很多方面還存在一些不足,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),雖然實(shí)驗(yàn)采用的兩副數(shù)據(jù)相干性較好,但制約D InSAR技術(shù)的時(shí)空去相關(guān)和大氣效應(yīng)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(jìn)一步的研究。

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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(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40825012);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40574010);中科院優(yōu)博專項(xiàng)基金(0405061037)

胡 波(1983-),男,博士研究生.

[責(zé)任編輯劉文霞]