基于InSAR與多源數(shù)據(jù)的三維形變場獲取研究與應(yīng)用

郭利民

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

基于InSAR與多源數(shù)據(jù)的三維形變場獲取研究與應(yīng)用

郭利民

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

中圖分類號：P315.72＋5；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.008

合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（Interferometry Synthetic Aperture Radar，InSAR）近幾十年來得到迅猛發(fā)展，在獲取地面形變信息方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，使得人類可以在太空對地表進(jìn)行長時(shí)間大范圍的監(jiān)測。但是，InSAR獲取的形變不是地表的真實(shí)變形，而是變形的垂直向、東西向、南北向分量在衛(wèi)星視線方向上的投影，即存在視線向（Line of Sight，LOS）模糊問題。對于地震、地殼運(yùn)動、工程建設(shè)等變形特征的認(rèn)識，需要提取地表運(yùn)動的三維特征，這不僅對深刻理解斷層運(yùn)動方式、形變特征，分析地震發(fā)生機(jī)制有十分重要的作用，而且對人們有效監(jiān)測及預(yù)報(bào)地面沉降、塌陷等災(zāi)害同樣具有重要的實(shí)用價(jià)值。

本文詳細(xì)分析了InSAR形變監(jiān)測的視線向模糊問題及可能的三維形變場解決方案。根據(jù)InSAR和GPS的技術(shù)特點(diǎn)，分別提出和改進(jìn)了InSAR與GPS結(jié)合插值處理模型、多波段InSAR與多孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（Multiple－aperture SAR Interferometry，MAI）結(jié)合直接解算模型和聯(lián)合PSInSAR與GPS震間微小三維場模型。在此基礎(chǔ)上，以汶川地震、玉樹地震及海原斷裂帶為研究對象，獲取了同震和震間三維形變場，并詳細(xì)分析和論述了形變場特征，取得了一些新的認(rèn)識。

本文研究工作主要取得了如下成果和認(rèn)識：

（1）分析GPS三維形變分量和InSAR視線向觀測值之間的投影關(guān)系，探討了重軌In－SAR形變測量的局限性，即視線向模糊問題。針對各自的觀測特點(diǎn)，采用多波段InSAR、GPS、MAI等觀測手段及之間的結(jié)合，能夠在空間域和觀測優(yōu)勢方向上互相補(bǔ)充，不但可提高觀測精度，而且可獲取地表豐富的三維形變場信息。通過分析和研究，本文提出和改進(jìn)了3個(gè)三維形變場獲取模型。

①提出基于InSAR與GPS結(jié)合獲取三維形變場的插值處理模型。選取部分質(zhì)量較好的GPS觀測值，通過投影至衛(wèi)星觀測視線向，對同名點(diǎn)InSAR視線向觀測量進(jìn)行校正；利用GPS水準(zhǔn)觀測精度高這一優(yōu)勢，利用盡可能多的GPS水平觀測數(shù)據(jù)，通過插值方法獲取地表水平形變場；最后結(jié)合InSAR一維視線向觀測值，獲取同震三維形變場垂直方向分量?？紤]到斷層上盤或者下盤的形變矢量的大小和方向變化呈有序穩(wěn)定狀態(tài)，插值過程中先對地表

水平形變矢量的大小和方向進(jìn)行插值，然后再進(jìn)行EW和NS向分解，這比直接對EW和NS向形變進(jìn)行插值更接近真實(shí)的形變特征。

②改進(jìn)多波段InSAR與MAI結(jié)合直接解算模型。直接利用不同SAR衛(wèi)星的3種不同視線向的形變場，構(gòu)建三維形變解算模型進(jìn)行解算。其優(yōu)勢是具有較高的可信度，避免了模擬、假設(shè)等方法帶來的不確定因素。缺點(diǎn)是需要不同SAR衛(wèi)星，在一些研究區(qū)數(shù)據(jù)無法保障。

③提出PSInSAR與GPS震間微小三維場插值模型。針對地表微小形變運(yùn)動提出PSIn－SAR與GPS聯(lián)合獲取三維震間形變場模型。采用PSInSAR方法獲取研究區(qū)的地表微小形變量，結(jié)合GPS水平形變觀測，依據(jù)插值算法，提出了獲取震間三維形變場模型。

（2）通過InSAR技術(shù)獲取了汶川、玉樹地震的同震形變場，分析了地震同震地表形變特征。

首先，通過InSAR獲取的汶川地震發(fā)震斷層周圍約450km×500km區(qū)域的同震形變場，形變場反映出汶川地震地表同震形變場的分布特征，即干涉條紋以北東向發(fā)震斷層（映秀—北川斷裂）為中心，且呈包絡(luò)狀分布。形變場南側(cè)甚至到達(dá)樂山、重慶一帶，北側(cè)到南坪、武都、康縣。從干涉條紋的分布格局可以看出，發(fā)震斷層兩側(cè)干涉條紋有多次起伏，且有一定的兩盤不對稱性，這說明位錯量沿?cái)鄬臃植际遣痪鶆虻摹Ｔ诎l(fā)震斷層南西端映秀鎮(zhèn)附近，出現(xiàn)了排列細(xì)密的同心干涉條紋，說明這一帶的形變強(qiáng)度非常大。北川縣城南東側(cè)，有平行于斷層密集的干涉條紋包絡(luò)，表明該段發(fā)震斷層有較大的地表位錯量。在汶川地震震中位置，條紋開始包絡(luò)震中，表明震中附近是發(fā)震斷層的西端點(diǎn)。在青川附近，條紋已包絡(luò)了發(fā)震斷層，顯示出了斷層?xùn)|端形成的形變場格局。發(fā)震斷層附近，斷層兩側(cè)均表現(xiàn)為局部抬升，且沿?cái)鄬有巫兞糠植己懿痪鶆颍憩F(xiàn)出較強(qiáng)的分段性。

玉樹地震獲取的InSAR形變場條紋圍繞甘孜—玉樹斷裂北西向展布的橢圓狀干涉條紋，而且條紋在斷層兩側(cè)基本呈對稱分布。反映斷層兩盤形變梯度和形變量大體相當(dāng)，沒有明顯形變突出的主動盤，這也正是剪切走滑斷層運(yùn)動所具有的形變場特征。在形變場的西部和東部圍繞斷層跡線有兩個(gè)局部形變條紋環(huán)，而在這兩個(gè)局部形變之間有一小段未發(fā)生地表破裂的弱形變區(qū)。由形變條紋分布，我們可初步判定發(fā)震斷層長約76km；東段約32km的斷層滑動到達(dá)地表，形成較為明顯的地表破裂分布；西段則形成較為連續(xù)的形變條紋。InSAR形變場整體分布特征與野外調(diào)查及偏移量追蹤的結(jié)果均較為吻合。

（3）應(yīng)用基于InSAR與GPS三維插值處理模型，獲得汶川地震三維同震形變場，分析了三維形變特征，特別是斷層垂直形變特征。

通過三維形變場可以看出，發(fā)震斷層南段向北運(yùn)動明顯，有一定的右旋走滑分量，龍門山發(fā)震斷層的逆沖分量由南向北逐步遞減，其主要逆沖形變量集中在映秀—連山坪、茶坪—北川縣城—南壩區(qū)段。同時(shí)注意到，在映秀鎮(zhèn)—連山坪一帶出現(xiàn)了東向位移極大區(qū)域，斷層上盤東向位移量達(dá)到了5.85m，斷層下盤向西位移量大約為1m。而在茶坪—北川縣城—南壩區(qū)段，斷層下盤向西位移量達(dá)到了－2.80m，斷層上盤向東位移量為2.9m。發(fā)震斷層南段上盤向東運(yùn)動占絕對優(yōu)勢，而發(fā)震斷層中北段，則轉(zhuǎn)換為發(fā)震斷層上下盤對沖位移為主。斷層兩側(cè)垂直形變衰減較快，橫跨斷裂帶形變量大于30cm的寬度不超過50km；沿發(fā)震斷層附近垂直形變高值區(qū)分布不均勻，主要集中分布在發(fā)震斷裂的南段、中段和北端。

（4）應(yīng)用多波段InSAR與MAI結(jié)合直接解算模型，獲得玉樹地震斷層分布特征及震區(qū)三維形變特征。

利用ALOS和ENVISAT數(shù)據(jù)差分干涉得到的形變場及ALOS數(shù)據(jù)采用MAI方法得到