干涉基線對(duì)地震形變場(chǎng)的影響——以瑪尼地震同震-震后形變場(chǎng)為例

屈春燕 單新建 張國(guó)宏 宋小剛 張桂芳 劉云華 郭利民

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

作為一種新型的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，D-InSAR對(duì)地表形變具有很高的敏感度，可用于測(cè)量cm級(jí)甚至mm級(jí)的地表相對(duì)形變量。這為地震同震-震后形變場(chǎng)乃至震間微小地殼形變場(chǎng)的觀測(cè)提供了前所未有的新途徑。這一點(diǎn)已被國(guó)內(nèi)外多個(gè)震例的研究結(jié)果所證實(shí)(Massonnet et al.，1994;單新建等，2004;Michael et al.，2006;Wang et al.，2007;Shan et al.，2007;許才軍等，2008)。不過(guò)目前該技術(shù)盡管在理論上很完善，但在實(shí)際應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理過(guò)程中仍有許多不確定因素和技術(shù)問(wèn)題需要深入研究和解決。這主要是由于D-InSAR形變觀測(cè)受許多因素的影響，而干涉基線是眾多影響因素中最為重要和關(guān)鍵的一個(gè)。一方面干涉基線的大小對(duì)像對(duì)的相干性起決定性作用，限制著有效干涉對(duì)的數(shù)量和干涉測(cè)量的可行性;另一方面干涉基線估計(jì)的準(zhǔn)確性又直接影響形變觀測(cè)結(jié)果的精度和可靠性(孟祥東等，2008;何平等，2009)。因?yàn)樵诟缮嫦辔坏牟罘痔幚磉^(guò)程中，參考橢球面相位(平地相位)和地形模擬相位的計(jì)算與去除都需要根據(jù)干涉基線進(jìn)行。如果干涉基線不能被準(zhǔn)確地估計(jì)，就會(huì)造成平地相位殘留和地形相位的殘留，而這些殘留的相位成分將被誤認(rèn)為形變分量，這就勢(shì)必降低形變測(cè)量結(jié)果的可靠性。因此，研究干涉基線對(duì)地震形變場(chǎng)探測(cè)的影響，探索最優(yōu)基線估計(jì)方法是非常重要且必要的工作。

1997年西藏瑪尼7.9級(jí)地震是D-InSAR干涉測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于地震形變場(chǎng)探測(cè)的典型成功案例。由于瑪尼震區(qū)氣候干燥，地表裸露，地形相對(duì)平坦，去相干因素少，因而雷達(dá)數(shù)據(jù)的相干性保持得很好。自1997年瑪尼地震發(fā)生以來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者利用D-InSAR技術(shù)研究和提取了瑪尼地震的同震干涉形變場(chǎng)，但綜合分析前人的研究成果不難發(fā)現(xiàn)，不同學(xué)者得出的斷層兩盤相對(duì)LOS向位移有明顯差異(單新建等，2004;Wang et al.，2007;Shan et al.，2007;許才軍等，2008)。這與不同學(xué)者所用的SAR數(shù)據(jù)源、處理軟件及處理方法等的不同有關(guān)，但也可能與干涉基線的估計(jì)方法及相位誤差的去除程度不同有關(guān)。比如基于SAR圖像本身攜帶的粗略軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行基線估計(jì)所得到的結(jié)果與基于DEOS精密軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行基線估計(jì)得到的結(jié)果就會(huì)有明顯差異。前者會(huì)造成較大的軌道和地形殘留相位，致使差分條紋密集而觀測(cè)結(jié)果偏大。為此，本文以瑪尼地震同震-震后的ERS2干涉數(shù)據(jù)為例，對(duì)比分析了基于粗略軌道數(shù)據(jù)、精密軌道數(shù)據(jù)、干涉條紋頻率及地面控制點(diǎn)等多種基線估計(jì)方法及其對(duì)同震-震后形變場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果的影響，這對(duì)完善InSAR技術(shù)在地震形變場(chǎng)探測(cè)中的應(yīng)用具有重要意義。

1 干涉基線及其估計(jì)方法

1.1 干涉基線對(duì)參考相位和地形相位的影響

干涉基線定義為兩副天線的空間或時(shí)間的矢量幾何關(guān)系，是InSAR觀測(cè)中一個(gè)非常重要且關(guān)鍵的參數(shù)(鄭芳等，2005;孟祥東等，2008;何平等，2009)。其重要性就在于:一方面，基線和2次SAR成像的斜距構(gòu)成一個(gè)三角形，使2次觀測(cè)生成的圖像對(duì)之間具有了相干性，使干涉測(cè)量得以進(jìn)行;另一方面，基線又是導(dǎo)致圖像對(duì)相干性降低的重要根源，基線越大，兩幅圖像之間的相干性越弱。同時(shí)，基線也是影響形變測(cè)量精度的主要因素。因?yàn)檐壍?參考面)相位和地形相位的計(jì)算與去除都直接依賴于干涉基線，若基線估計(jì)不準(zhǔn)確，造成的軌道殘留相位和地形殘留相位就會(huì)混入形變相位中，從而降低形變觀測(cè)結(jié)果的精度和可靠性。

圖1所示為重軌InSAR干涉觀測(cè)的原理示意圖(何平等，2009)。圖中S1，S2為衛(wèi)星2次觀測(cè)的天線中心位置，ρ1為S1到地面點(diǎn)P的距離，ρ2為S2到地面點(diǎn)P′的距離，D為P到P′的距離，P0為點(diǎn)P在參考表面上的投影點(diǎn)，he為P0到P點(diǎn)的距離，θ為S1的視角，B為基線長(zhǎng)度，α為基線B在水平方向的夾角，θ0為P0的視角，δθ=θ-θ0，Δρ為視距地表形變量。在忽略大氣相位和噪聲相位的理想情況下，從2幅配準(zhǔn)后的SAR圖像經(jīng)干涉處理得到的初始干涉相位由3部分組成，用公式表示為

式(1)中φref為參考橢球面引起的相位貢獻(xiàn)量(參考相位);φtopo為參考面以上地形起伏產(chǎn)生的相位貢獻(xiàn)量(地形相位);φdef為地表形變相位，若無(wú)形變，則該項(xiàng)為零。根據(jù)干涉觀測(cè)原理，上式中右3項(xiàng)可表達(dá)為下列關(guān)系式(孟祥東等，2008):

圖1 干涉測(cè)量及干涉基線幾何示意圖(何平等，2009)Fig.1 Sketch map for principle of SAR interferometric measurement(after HE Ping et al.，2009).

圖2 不同波段衛(wèi)星的參考相位誤差及模擬地形相位誤差與干涉基線誤差的關(guān)系(何平等，2009)Fig.2 Relation between phase errors and interferometric baseline for SAR data with different wave bands(after HE Ping et al.，2009).

1.2 干涉基線的估計(jì)方法

為了獲得更好的基線估計(jì)，GAMMA等常用干涉SAR處理軟件均提供了多種基線估計(jì)的算法，這些算法包括從軌道狀態(tài)矢量估計(jì)基線，從SLC的配準(zhǔn)偏移量估計(jì)基線，從干涉相位本身(干涉條紋頻率)來(lái)估計(jì)基線，從地面控制點(diǎn)利用最小二乘法估計(jì)基線等。實(shí)際應(yīng)用表明，這些方法中有的對(duì)平行基線的估計(jì)效果好，有的對(duì)垂直基線的估計(jì)效果好，而將這些方法的2種或多種聯(lián)合使用往往能獲得最佳基線估計(jì)。

1.2.1 基于粗/精軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)的基線估計(jì)

衛(wèi)星軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)是指成像瞬間衛(wèi)星的位置坐標(biāo)(XS，YS，ZS)和速度矢量(VX，VY，VZ)。一般說(shuō)來(lái)，ERS-1/2和ENVISAT的影像頭文件中都附帶了5個(gè)時(shí)刻的粗略軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)，其綜合精度在1m左右。據(jù)此可以進(jìn)行干涉基線估計(jì)。另外，國(guó)際上有些機(jī)構(gòu)如ESOC(European Space Operations Centre)、DEOS(Delft Institute for Earth-Oriented Space Research)和 DORIS(Delft Object-orien-ted Radar Interferometric Software)等從事ERS-1/2和ENVISAT衛(wèi)星的定軌服務(wù)，可以提供更多個(gè)成像時(shí)刻的精密軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)。但由于所采用的計(jì)算模型和定軌方案等的差異，不同機(jī)構(gòu)算得的軌道參數(shù)精度是不一樣的。據(jù)相關(guān)研究和分析，荷蘭Delft大學(xué)DEOS提供的精密軌道數(shù)據(jù)精度較高，軌道徑向精度達(dá)到5～6cm，法向精度優(yōu)于20cm。根據(jù)精密軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)可得到更為精確的干涉基線估計(jì)。

1.2.2 基于干涉相位的基線估計(jì)

通過(guò)對(duì)干涉相位做距離向傅里葉變換(FFT)，計(jì)算干涉相位變化的瞬時(shí)頻率，利用2個(gè)距離向位置對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)頻率聯(lián)立方程來(lái)計(jì)算垂直基線和平行基線(孟祥東等，2008;何平等，2009)。這種方法對(duì)垂直基線的估計(jì)精度優(yōu)于平行基線，尤其在地形平坦的地方可以獲得精確的垂直基線估計(jì)。但在干涉相位噪聲較大以及觀測(cè)區(qū)域山地覆蓋面積較大等非理想情況下，基線估計(jì)精度會(huì)明顯下降。因此，一般選擇圖像中比較平坦的區(qū)域進(jìn)行FFT基線估計(jì)，而且FFT變換的窗口大小也要根據(jù)地形起伏情況適當(dāng)調(diào)整。一個(gè)較大的FFT變換窗口往往會(huì)降低垂直基線的估計(jì)精度。在缺乏軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)或軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差時(shí)，這種基于干涉相位傅里葉變換的基線估計(jì)方法顯得尤為重要。另外，利用這種方法消除去平地效應(yīng)后的干涉紋圖中殘留的軌道相位誤差也是很有效的。

1.2.3 基于地面控制點(diǎn)的最小二乘基線估計(jì)

通過(guò)基于地面控制點(diǎn)的最小二乘基線估計(jì)方法對(duì)初始基線進(jìn)行優(yōu)化和精校正，進(jìn)而獲得高精度的基線估計(jì)值。這種方法需要選取至少20個(gè)地面控制點(diǎn)的高程，這些地面控制點(diǎn)可以從地形圖或DEM上獲取，也可以是GPS的實(shí)測(cè)值。人工角反射器可作為理想的地面控制點(diǎn)。控制點(diǎn)應(yīng)在圖像上均勻分布，而且要盡量分布于不同高程的平坦區(qū)域上。

2 瑪尼地震概況及干涉數(shù)據(jù)處理方法

2.1 瑪尼地震概況

1997年11月8日，在西藏自治區(qū)那曲地區(qū)瑪尼鄉(xiāng)發(fā)生了MS7.9地震，稱為瑪尼地震。震中位于35.2°N，87.3°E?，斈岬卣鸢l(fā)生在藏北高原北部長(zhǎng)達(dá)270km的瑪爾蓋茶卡斷層附近(徐錫偉等，2000;單新建等，2004)。野外考察資料表明(徐錫偉等，2000)，瑪尼地震的地表同震破裂帶長(zhǎng)120km，以左旋剪切為主，最大左旋位移量達(dá)4.5m，其東西兩側(cè)水平位移為2～3m，最大地裂縫帶寬度為300～400m?；诘卣鸩ㄐ钨Y料的震源參數(shù)反演結(jié)果也表明，斷層性質(zhì)為左旋-逆走滑斷層，破裂方式為由西向東(許力生，1999)?，斈岬貐^(qū)氣候干燥，地表裸露，地形相對(duì)平坦，去相干因素少，SAR圖像的相干性高，是開(kāi)展InSAR干涉形變場(chǎng)觀測(cè)研究的理想場(chǎng)地和理想數(shù)據(jù)源。因此，本文以瑪尼地震同震和震后干涉數(shù)據(jù)為例來(lái)討論干涉基線對(duì)地震形變場(chǎng)的影響。

2.2 干涉數(shù)據(jù)選取及處理

對(duì)于同震形變場(chǎng)觀測(cè)，應(yīng)盡量選擇垂直基線小的干涉對(duì)，這樣既能保證高質(zhì)量的相干性，又能弱化地形相位的影響。同時(shí)，震前-震后的時(shí)間間隔也要盡可能的短，以減少震后彈性回跳形變的混入及余震的影響。而對(duì)于震后形變場(chǎng)的觀測(cè)，成像時(shí)間間隔要適當(dāng)延長(zhǎng)。據(jù)此我們選擇了覆蓋瑪尼震區(qū)的6景ERS2雷達(dá)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)模式為vv極化、IS2成像模式的降軌數(shù)據(jù)。震前2景，震后4景，構(gòu)成2個(gè)同震干涉對(duì)和4個(gè)震后干涉對(duì)。各干涉對(duì)的雷達(dá)數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示，數(shù)據(jù)覆蓋范圍如圖3a所示。從表1可以看出，各干涉對(duì)的垂直基線都很小，最大的也只有150m，而相應(yīng)模糊高則比較大，這可以有效抑制地形殘余相位的影響。

表1 選用的ERS－2雷達(dá)數(shù)據(jù)參數(shù)Table 1 ERS-2 radar data parameters selected

圖3 不同基線條件下的同震干涉紋圖Fig.3 The coseismic interferograms with different baseline corrections.

對(duì)于選定的干涉數(shù)據(jù)對(duì)，我們采用2-pass+外部DEM的干涉處理算法，以GAMMA軟件為處理平臺(tái)。采用美國(guó)宇航局發(fā)布的空間分辨率為3弧秒的SRTM DEM去除干涉相位中的地形相位分量。SRTM DEM數(shù)據(jù)標(biāo)稱的絕對(duì)高程誤差＜16m(單新建等，2004)。本文所使用干涉像對(duì)的最大空間垂直基線為150m，按照相應(yīng)的模糊高換算，理論上由DEM誤差引入的相位誤差約7.6mm，相當(dāng)于1/4個(gè)干涉條紋周期。實(shí)際上3弧秒空間分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)在地形平坦區(qū)域的精度要高于地形起伏的山區(qū)，在平原區(qū)其絕對(duì)高程誤差＜5m。而位于藏北高原上的瑪尼震區(qū)地形起伏不大，相對(duì)高差小，按照5m的高程精度換算，由DEM誤差引入的相位誤差僅為2.4mm，相當(dāng)于1/12個(gè)干涉條紋周期。這樣小的量級(jí)對(duì)于數(shù)十cm的同震形變場(chǎng)是沒(méi)有什么影響的，對(duì)于數(shù)cm量級(jí)的震后形變場(chǎng)也是可以忽略不計(jì)的。

另一方面，大氣相位影響也不是瑪尼震區(qū)的主要誤差源。Zebker等(1994)的試驗(yàn)研究表明，在空間垂直基線為100～400m的條件下，大氣狀況發(fā)生20%的相對(duì)濕度變化，將導(dǎo)致10～14cm的形變誤差。而對(duì)于氣候干燥、地表裸露的瑪尼震區(qū)，大氣濕度相對(duì)變化很小，大氣相位誤差也應(yīng)很小。小量級(jí)的大氣相位通過(guò)多視處理和空間濾波已基本去除。即使有明顯的殘余大氣相位，也可以通過(guò)同一地區(qū)不同干涉對(duì)的對(duì)比及其殘余相位的空間分布位置和形態(tài)加以識(shí)別和去除。因?yàn)榇髿庀辔蛔兓哂懈叨鹊臅r(shí)間不相關(guān)性，其在不同干涉對(duì)上的出現(xiàn)是不同的。其次，大氣相位變化獨(dú)立于活動(dòng)構(gòu)造，大氣引起的干涉條紋是區(qū)域狀分布的，而地震引起的形變條紋總是圍繞發(fā)震斷層展布。根據(jù)這些我們可以判斷和去除大氣相位。

本文分析認(rèn)為，干涉基線誤差導(dǎo)致的軌道殘留相位是地震形變場(chǎng)觀測(cè)的主要誤差因素，而且難以識(shí)別，因?yàn)檐壍酪蛩赜绊懨總€(gè)像元，軌道殘留相位與形變相位復(fù)合使差分條紋密集，很容易被誤認(rèn)為形變條紋，從而導(dǎo)致形變觀測(cè)結(jié)果的整體性偏差。因此，本文處理過(guò)程中著重探索干涉基線誤差對(duì)瑪尼地震同震和震后形變場(chǎng)的影響，對(duì)比分析基于粗略軌道數(shù)據(jù)、精密軌道數(shù)據(jù)、干涉條紋頻率及地面控制點(diǎn)等多種不同基線估計(jì)條件下的干涉形變場(chǎng)圖像特征。相位解纏采用MCF最小費(fèi)用流解纏算法，先對(duì)高質(zhì)量的區(qū)域進(jìn)行解纏，得到可靠的解纏相位值，然后以這些可靠相位值為模型，通過(guò)插值實(shí)現(xiàn)對(duì)其他低相干區(qū)域的解纏。在解纏前對(duì)纏繞差分相位進(jìn)行了多次窗口逐漸減小的自適應(yīng)濾波以改善相位解纏質(zhì)量。最后處理得到的結(jié)果如圖3～7所示。

3 不同基線估計(jì)的瑪尼地震同震干涉形變場(chǎng)

3.1 粗/精軌道數(shù)據(jù)估計(jì)的同震形變干涉紋圖

圖3為處理得到的瑪尼地震同震形變干涉紋圖。其中，圖3a為SAR圖像覆蓋范圍和研究區(qū)構(gòu)造背景。圖3b為基于粗軌數(shù)據(jù)估計(jì)基線的處理結(jié)果，3c為基于精軌數(shù)據(jù)估計(jì)基線的處理結(jié)果。圖3b中，在斷層附近干涉條紋沿?cái)鄬幼呦虺拾j(luò)線狀分布，條紋很密集。在斷層兩側(cè)40～50km以外的區(qū)域，干涉條紋密度降低，條紋走勢(shì)逐漸偏離斷層走向，形成斜交于發(fā)震斷層的扇形條紋，而且是斷層上盤干涉條紋向西突出，下盤向東突出，形成類似左旋扭動(dòng)的態(tài)勢(shì)。圖3c中，不論是斷層附近還是斷層遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，干涉條紋都沿發(fā)震斷層走向呈包絡(luò)線狀分布，只是越靠近斷層條紋越密集，越遠(yuǎn)離斷層，條紋越稀疏，而且衰減得比較快，看不出明顯的左旋運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。很明顯圖3c較真實(shí)地揭示了瑪尼地震的同震形變場(chǎng)，而圖3b中則含有較多的軌道殘余條紋，在斷層附近由于地震引起的形變相位占主導(dǎo)地位，因此二者復(fù)合后形成的條紋仍然呈包絡(luò)發(fā)震斷層的形態(tài)分布，而在遠(yuǎn)離斷層的上下盤遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，由于地震引起的形變相位減少，二者復(fù)合后便形成斜交于發(fā)震斷層的扇形條紋。條紋顯示的左旋扭動(dòng)態(tài)勢(shì)并非意味著發(fā)震斷層的左旋走滑運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，形變干涉條紋只能定性反映形變場(chǎng)的整體分布范圍和形變梯度的變化趨勢(shì)，而斷層兩盤的相對(duì)形變方向和具體形變量要通過(guò)相位解纏后的數(shù)值化干涉位移場(chǎng)才能確定?？梢?jiàn)，在進(jìn)行地震形變場(chǎng)提取時(shí)必須進(jìn)行精軌數(shù)據(jù)的基線矯正，否則殘留的軌道相位會(huì)使觀測(cè)結(jié)果明顯偏大，甚至引起錯(cuò)誤解釋。

圖4 瑪尼地震震前、同震和震后相干圖Fig.4 The pre-seismic(a)，co-seismic(b)，and post-seismic(c)coherence maps of Mani earthquake.

圖5 精密軌道校正后的同震干涉位移(白色虛線示剖面位置)Fig.5 Co-seismic interferometric displacement after correction of fine orbit state vectors.

從圖3c也可以看出，瑪尼地震同震形變場(chǎng)主要集中于距斷層40～50km的近場(chǎng)區(qū)域，在這一區(qū)域以外形變衰減得很快。這正與圖4顯示的結(jié)果相一致。圖4所示為瑪尼地震震前、同震和震后的相干圖?？梢钥闯稣鹎啊⒄鸷笙喔尚远己芎?，而在同震相干圖上沿發(fā)震斷層走向出現(xiàn)了顯著的低相干區(qū)域，而且是圍繞發(fā)震斷層條帶狀分布。與圖3c所示的同震干涉紋圖對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)低相干帶正反映了同震形變場(chǎng)波及的主要區(qū)域。可見(jiàn)相干圖也包含了豐富的形變信息，根據(jù)相干圖可以分析判斷地震形變場(chǎng)的影響范圍和主破裂帶的空間位置。

3.2 精軌基線校正后的干涉位移場(chǎng)

圖5所示為對(duì)精軌校正后的干涉紋圖(圖3 c)進(jìn)行相位解纏得到的數(shù)值化干涉位移場(chǎng)。圖5表明，瑪尼地震造成的同震形變主要集中在斷層兩側(cè)距離斷層40～50km的條帶狀區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域以外隨著斷層兩側(cè)距離的增加，形變梯度大幅下降，形變衰減較快。在斷層北盤LOS向位移為負(fù)值，表示形變方向?yàn)槌两祷蛳蛭鬟\(yùn)動(dòng)。在斷層南盤LOS向位移為正值，表示形變方向?yàn)槁∩蛳驏|運(yùn)動(dòng)。由于震后野外考察、震源機(jī)制解及基于波形資料的震源參數(shù)反演結(jié)果都一致表明瑪尼地震的斷層運(yùn)動(dòng)性質(zhì)為左旋走滑，因此，可以判斷斷層北盤和南盤分別向西和向東運(yùn)動(dòng)，反映的也正是左旋走滑運(yùn)動(dòng)方向，與野外考察等其他結(jié)果一致。

由于LOS位移反映的是每個(gè)像元所在位置沿斜距向的位移(衛(wèi)星到地面觀測(cè)單元之間距離的變化)，是真實(shí)地表位移在斜距方向上的投影，而野外考察得到是斷層兩側(cè)的相對(duì)位錯(cuò)量。二者缺乏直接可比性。為此，我們將LOS向位移分別折算成垂直位移和沿?cái)鄬幼呦虻乃轿灰疲?種位移分別如圖5 a，b，c所示。為了更清楚地揭示斷層兩側(cè)的相對(duì)位移大小和位移梯度衰減情況，我們構(gòu)建了1條跨斷層位移剖面，剖面位置如圖5中的白色虛線所示，剖面上的位移曲線如圖6所示。綜合圖5和圖6，可以看出垂直位移與LOS向位移的大小接近，其在斷層兩盤的最大相對(duì)變化量達(dá)2.0m。而沿?cái)鄬幼呦虻乃轿灰埔黠@大于LOS向位移，其在斷層南北兩盤的最大相對(duì)位移約4.5m。這正與野外考察結(jié)果相一致。圖6中沿?cái)鄬铀谖恢玫幕疑W(wǎng)狀條表示緊鄰斷層兩側(cè)干涉條紋紊亂不連續(xù)的區(qū)域，這一區(qū)域的位移是插值解纏的結(jié)果，可能不可靠。

圖6 跨斷層同震干涉位移剖面圖Fig.6 The profile of co-seismic displacement across fault.

4 不同基線估計(jì)的瑪尼地震震后干涉形變場(chǎng)

為反映震后形變的緩慢變化過(guò)程，選擇了震后不同時(shí)間間隔的2個(gè)干涉對(duì)，一個(gè)是19971202-19990406，從震后24d到震后508d，時(shí)間跨度為484d。以下簡(jiǎn)稱震后干涉對(duì)1。另一個(gè)是19980421-19990406，從震后163d到震后508d，時(shí)間跨度為345d。以下簡(jiǎn)稱震后干涉對(duì)2。由于震后形變遠(yuǎn)小于同震形變，因此，需采用更為嚴(yán)格的誤差控制措施。為考察不同基線估計(jì)方法對(duì)震后形變場(chǎng)的影響，我們首先對(duì)2個(gè)震后干涉對(duì)進(jìn)行基于粗/精軌道數(shù)據(jù)的基線估計(jì)與差分處理，得到的結(jié)果如圖7 a，7b和7d，7e所示。其中，圖7a，7b表示震后干涉對(duì)1，圖7d，7e表示震后干涉對(duì)2。很顯然基于粗軌數(shù)據(jù)基線估計(jì)得到的差分干涉紋圖(圖7 a，7d)中含有大量軌道殘留相位，在斷層附近由于形變相位的作用使差分干涉條紋發(fā)生了左旋彎曲，而在斷層兩盤震后形變量很小甚至沒(méi)有，主要是軌道殘留條紋。基于精軌數(shù)據(jù)基線估計(jì)的結(jié)果(圖7 b，e)，雖然差分條紋有所減少，但仍具有明顯的線性趨勢(shì)，說(shuō)明相對(duì)于數(shù)cm量級(jí)的震后微小形變，基線誤差引起的軌道殘留相位依然是顯著的，還需進(jìn)一步提高基線估計(jì)的精度。為此，我們利用GAMMA軟件提供的算法，進(jìn)行了基于干涉條紋頻率的基線矯正和基于地面控制點(diǎn)的基線優(yōu)化，以去除多余的趨勢(shì)性條紋，得到的結(jié)果如圖7 c，f所示。

圖7 不同基線條件下的震后形變干涉紋圖Fig.7 Post-seismic interferograms with different baseline corrections.

從圖7c上可以明顯看出有2條NE的干涉條紋，其分布位置正好與發(fā)震斷層走向一致，而且緊靠發(fā)震斷層。因此，我們認(rèn)為這是震后形變場(chǎng)的反映。每個(gè)條紋表示2.8cm的LOS形變量，2個(gè)條紋代表5.6cm的形變量。在斷層的上下盤有片狀色塊，分析認(rèn)為這可能是局部大氣影響，而不是地震形變，而且它也不影響對(duì)地震形變場(chǎng)的判斷。從圖7f上可以明顯看出有1條沿?cái)鄬幼呦蚍植嫉腘E干涉條紋，我們認(rèn)為這是震后形變的反映，它代表2.8cm的LOS形變量。綜合分析2個(gè)不同時(shí)間跨度的震后形變觀測(cè)結(jié)果(圖7 c，7f)，可以看出瑪尼地震的震后形變特征是:1)震后形變場(chǎng)的影響范圍很小，集中在斷層沿線10～20km寬的長(zhǎng)條區(qū)域內(nèi);2)震后形變方向與同震形變方向相同，仍然顯示左旋運(yùn)動(dòng)趨勢(shì);3)從震后24d至508d的形變量達(dá)到5.6cm，而從震后163d至508d的形變量約2.8cm。說(shuō)明震后形變?cè)跀?shù)cm的量級(jí)上，而且隨著時(shí)間推移，形變幅度逐漸減小。

5 討論與結(jié)論

(1)作為一種新型的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，D-InSAR對(duì)地表形變具有很高的敏感度，可進(jìn)行cm級(jí)甚至mm級(jí)的相對(duì)形變測(cè)量。這對(duì)地震同震-震后形變場(chǎng)乃至震間微小地殼形變場(chǎng)的觀測(cè)都是很有意義的。但D-InSAR形變測(cè)量的誤差因素很復(fù)雜，理論上，任何使2次重軌觀測(cè)的雷達(dá)波產(chǎn)生相位延遲的因素，如衛(wèi)星軌道狀態(tài)、地形起伏、大氣非均勻變化，地物介電常數(shù)變化等都對(duì)干涉相位有一定貢獻(xiàn)。要準(zhǔn)確提取地震引起的地表形變相位，需扣除其他所有因素的相位貢獻(xiàn)量。實(shí)際應(yīng)用中通常考慮的是軌道相位、地形相位和大氣相位這3種誤差源。由于這些誤差與所用數(shù)據(jù)的垂直基線、觀測(cè)環(huán)境地形起伏狀況、地表覆蓋類型及大氣變化等密切相關(guān)，因而具有很大的隨機(jī)性。目前尚缺乏有效、公認(rèn)和通用的誤差去除方法，需要研究者根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)處理情況結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷和去除。這就導(dǎo)致了研究結(jié)果的差異性和精度的不確定性。尤其在測(cè)量震后及震間微小形變時(shí)顯得尤為突出。因此，如何建立有效的誤差去除與控制機(jī)制，提高干涉形變觀測(cè)的精度和可靠性是InSAR技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展要突破和解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

(2)選取合適的數(shù)據(jù)集和處理方法，InSAR技術(shù)能夠提供直觀、定量高精度的同震形變及震后形變信息。本文以ERS2 SAR圖像為數(shù)據(jù)源，以1997年11月8日的西藏瑪尼地震為例，對(duì)比分析了不同基線估計(jì)條件下的同震-震后形變場(chǎng)，探討了干涉基線對(duì)地震形變觀測(cè)的影響。結(jié)果顯示，基于ERS2 SAR圖像本身攜帶的粗略軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)估計(jì)基線會(huì)造成較多的軌道殘留相位，致使差分干涉條紋密集且形態(tài)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，易導(dǎo)致對(duì)形變場(chǎng)的錯(cuò)誤解釋。因此，必須利用精密軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉基線估計(jì)。有時(shí)還需要進(jìn)行基于干涉條紋頻率的基線矯正，以去除多余的趨勢(shì)性相位。但這種方法并非普遍適用，需根據(jù)干涉條紋形態(tài)及其與斷層的關(guān)系，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷。過(guò)度去除會(huì)造成形變相位的損失。本文處理得出的瑪尼地震同震形變場(chǎng)沿?cái)鄬幼呦虻哪媳北P最大相對(duì)左旋位移約4.5m，與野外調(diào)查的結(jié)果一致。得出的震后形變場(chǎng)主要集中在斷層附近10～20km的狹長(zhǎng)條形區(qū)域內(nèi)，震后508d的累積形變量至少達(dá)5.6cm，隨著時(shí)間延續(xù)，震后累積形變量增加。如能獲取到更多的震后時(shí)序干涉數(shù)據(jù)，則可以研究震后形變場(chǎng)的時(shí)間演化過(guò)程。

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