2008年西藏改則地震多視角InSAR成果的三維形變解算及初步分析

王家慶 張國宏 單新建 張迎峰

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 2)中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180 3)中國石油大學(xué)(華東)，青島 266555

2008年西藏改則地震多視角InSAR成果的三維形變解算及初步分析

王家慶1，2)張國宏1)*單新建1)張迎峰1，3)

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 2)中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180 3)中國石油大學(xué)(華東)，青島 266555

2008年西藏改則MW6.4地震發(fā)生于青藏高原腹地拉薩塊體與羌塘塊體之間的張性活動(dòng)構(gòu)造帶上，是一次典型的正斷層破裂事件?；贗nSAR對SN向形變的極度不敏感性，文中利用結(jié)合先驗(yàn)條件的最小二乘迭代逼近法解算了改則地震的三維同震形變場。結(jié)果顯示： 主震斷層兩盤的垂直運(yùn)動(dòng)差異明顯，上盤存在明顯的沉降 “雙心”特征，量值分別為-41.4 cm、 -48.9cm，而下盤的最大隆升量僅5cm； 除余震斷層附近存在小量級(<5cm)的N向形變外，SN向形變總體趨勢向S； 三維形變場的整體以垂直形變?yōu)橹?，并集中于上盤，而水平形變具有明顯的EW向分離和E向旋轉(zhuǎn)特征； 所得到的各形變分量與模擬值的殘差標(biāo)準(zhǔn)差不超過6cm，說明此方法能夠用于獲取精度較高的三維同震形變場。整體上，三維形變場的分解結(jié)果與改則地震的張性破裂特征及其所處的EW向拉伸、 SN向壓縮構(gòu)造應(yīng)力背景呈現(xiàn)一致性特征。

2008年改則地震 InSAR 多視角 三維形變場

0 引言

2008年1月9日，西藏改則縣發(fā)生MW6.4強(qiáng)震，1周后發(fā)生了MW5.9地震，之后于1月23日再次發(fā)生MW5.5強(qiáng)余震，構(gòu)成了1次典型的主余型事件。根據(jù)GCMT震源機(jī)制解(表1)，MW6.4主震以正斷運(yùn)動(dòng)為主，MW5.9強(qiáng)余震是1次典型的正斷層破裂事件。從大的構(gòu)造背景看，改則縣地處青藏高原腹地拉薩塊體與羌塘塊體碰撞產(chǎn)生的班公湖-怒江縫合帶上(圖1)。青藏高原中部是調(diào)節(jié)印度-亞洲碰撞作用的1個(gè)重要區(qū)域，自第四紀(jì)以來，拉薩、 羌塘塊體就經(jīng)歷著高原強(qiáng)烈隆起階段近EW向的拉張過程，并發(fā)育了各具特色的張性活動(dòng)構(gòu)造，而分隔拉薩和羌塘塊體的班公湖-怒江縫合帶內(nèi)則分布著一系列不連續(xù)的近EW向右旋走滑斷裂(鄧起東等，2012)。改則地震震中位于EW向右旋走滑的洞錯(cuò)斷裂、 嘎色斷裂與NE向左旋走滑的依布茶卡-日干配錯(cuò)斷裂的交會(huì)處(Michael，2003，2006； 圖1)，處于1個(gè)EW向拉伸、 SN向壓縮的構(gòu)造環(huán)境中。研究改則地震同震形變場可作為分析青藏高原腹地NE向正斷層對EW向拉伸、 SN向壓縮的調(diào)節(jié)機(jī)制的基礎(chǔ)資料。

表1 不同機(jī)構(gòu)發(fā)布的改則地震震源機(jī)制解

Table1 Catalogued seismic solutions for the mechanism of 2008 Gaize earthquakes

信息來源經(jīng)度/(°)緯度/(°)深度/km震級MW方位角/(°)傾角/(°)滑動(dòng)角/(°)標(biāo)量地震矩M0/N·mHarvard①85．3232．3013．66．420646-755．02×1018Harvard85．2932．35125．919846-938．66×1017Harvard85．2232．3112．65．5———1．9×1017USGS②85．16632．28810．06．420550-755．81×1018USGS85．15832．3319．05．920055-907．18×1017USGS85．26232．34912．65．5———1．9×1017

① http: //www.globalcmt.org/CMTsearch.html.

② http: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes.

圖1 改則地震地區(qū)構(gòu)造背景圖Fig. 1 Tectonic background map of the Gaize earthquakes.藍(lán)、 黑和紅色虛線框?yàn)锳LOS-1 Track509、 Envisat Track427、 Envisat Track348 InSAR資料覆蓋范圍

① http: //www.globalcmt.org/CMTsearch.html.

② http: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes.

Sun等(2008)、 喬學(xué)軍等(2009)和張桂芳等(2009)均獲取了改則地震InSAR同震形變場，但各形變場的特征不盡相同，由此分析得出的斷層運(yùn)動(dòng)也略有差異。這是因?yàn)镮nSAR固有的視線向模糊度限制了對真實(shí)地表形變的表征，即一維LOS(Line of sight)向形變無法準(zhǔn)確反映監(jiān)測區(qū)的三維特征，且不同模式SAR數(shù)據(jù)代表著方向不同的形變。為此，Wright等(2004)提出通過直接分解多視角InSAR觀測資料獲得三維形變場，但由于SAR衛(wèi)星的近極地軌道特點(diǎn)和SAR垂直于飛行方向的右視掃描成像模式，InSAR對飛行方向位移即近SN向形變非常不敏感，SN向形變的解算誤差會(huì)非常大。王永哲(2012)和Hu(2014a)選擇將SN向形變忽略，只獲取垂直和EW向分量?；谄渌麛?shù)據(jù)或方法獲取的先驗(yàn)知識，使用最小二乘算法向先驗(yàn)條件迭代逼近，可以解算出符合實(shí)際的三維形變場。本文將在獲取多視角InSAR資料的基礎(chǔ)上，分別使用此方法和直接分解法重建改則地震的三維地表形變場，且對解算精度進(jìn)行評價(jià)，并綜合構(gòu)造背景分析三維形變場揭示的地震構(gòu)造意義。

1 數(shù)據(jù)收集與處理

為獲取較為完整的同震形變場，本文選取了盡可能覆蓋整個(gè)形變區(qū)且基線較短的數(shù)據(jù)(表2)。在時(shí)間尺度上，Track348像對的時(shí)間基線最短，Track509像對次之，而Track427的最長。此外，3組干涉像對記錄的形變事件不盡相同，Track348和Track427像對均覆蓋了MW6.4主震和MW5.9、MW5.5兩次余震，升軌PALSAR僅包含了主震和最大余震。

表2 改則地震SAR數(shù)據(jù)

Table2 SAR data for 2008 Gaize earthquakes

傳感器Track起止日期入射角/(°)方位角/(°)垂直基線距/m模式波段時(shí)間間隔/dENVISATASAR3482007-11-23/2008-02-012279191918降軌C70ENVISATASAR4272007-03-28/2008-02-064093498383升軌C315ALOS-1PALSAR5092007-10-16/2008-01-163935184493升軌L92

圖2 改則地震多視向形變場Fig. 2 Multi-LOS coseismic deformation field of Gaize earthquakes derived by InSAR.a、 b、 c分別為Track348、 Track427、 Track509 LOS向同震形變場； 黑色矩形為三維形變解算區(qū)

本文使用GAMMA軟件完成對干涉像對的數(shù)據(jù)處理，差分方法采用二軌法，使用SRTM4 DEM消除地形相位影響。處理過程中，升、 降軌差分干涉圖均存在由基線模型誤差引起的長波段信號，這部分誤差影響在經(jīng)過基于條紋頻率估計(jì)的基線精校正模型多次迭代后被大大削弱。從圖2 可以看出，地震引起的地表形變范圍約為33km×30km，呈2個(gè)EW界限分明、 形變符號相反的扇形區(qū)分布。其中西扇形區(qū)為相對衛(wèi)星下降的負(fù)值區(qū)，并有EW向展布的 “雙心”特征。同時(shí)，不同觀測模式下的形變特征存在著差異，如 “雙心”西側(cè)的正形變值區(qū)，只能在升軌模式形變場中觀察到。盡管三景干涉圖記錄的形變事件不完全一致，但除MW6.4主震和MW5.9強(qiáng)余震外，其他余震相對較小，對地表形變的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)(馮萬鵬等，2009； Elliottetal.，2010)。入射角相近的2升軌干涉像對所表現(xiàn)的相似形變特征也恰恰證明了這一點(diǎn)，本文則主要研究主震和MW5.9余震引起的形變。綜合震源機(jī)制解(表1)分析，改則地震的主震斷層應(yīng)是1條S25°W走向、 W傾且以正斷為主兼有少量左旋走滑的斷層；MW5.9余震的發(fā)震斷層應(yīng)位于主震斷層SW側(cè)，近乎平行于主震斷層，且為純正斷破裂。

2 三維同震形變場解算方法

InSAR觀測結(jié)果是三維形變在LOS向上的投影，兩者的幾何關(guān)系可用式(1)表示：

(1)

式(1)中，dLOS為LOS向觀測值； DU、DN和DE分別表示垂直向、 SN向和EW向形變，并約定分別以垂直向上、 N向、 E向?yàn)檎较?；θ為SAR入射角，α為衛(wèi)星飛行方位角(以N向起算順時(shí)針為正)。構(gòu)建矩陣式及約束條件式：

(2)

(3)

式(2)、(3)中，dn×1為n組視線向觀測值組成的矩陣，F(xiàn)n×3為投影系數(shù)矩陣，由SAR成像幾何條件確定； Wn×1為約束條件； B為條件系數(shù)陣。直接分解只需對式(2)進(jìn)行簡單的求逆運(yùn)算。本文解算方法則是在式(3)的約束下，最小二乘迭代解算式(2)。式(4)為解算結(jié)果D的協(xié)方差陣計(jì)算式：

(4)

式(4)中，QD、Qlos分別為三維形變和觀測值協(xié)方差陣； Nff=FTPF，Nbb=BNff-1BT； P為觀測值權(quán)陣。

由于發(fā)震斷層的走滑分量較小，且為近SN走向，可認(rèn)為改則地震引起的SN向形變非常小，相對于噪聲影響可以忽略不計(jì)。理論上，LOS向形變對垂直向位移的敏感度最高，而對SN向形變極度不敏感(Wrightetal.，2004)，則可以將SN向形變向極小逼近作為先驗(yàn)的初始約束條件，結(jié)合式(2)進(jìn)行最小二乘分解。依據(jù)三維分量對LOS形變的貢獻(xiàn)程度以及解算精度的高低，從解算結(jié)果中選擇可信度最高的分量作為約束條件，再用最小二乘解算出其他分量； 依此得到三維形變分量。

3 結(jié)果分析與評價(jià)

鑒于三景干涉圖對同震形變場的空間覆蓋都不同，這里只針對震中附近即圖2 中的黑色矩形區(qū)進(jìn)行三維形變解算。解算區(qū)面積較小且位于干涉圖中部，為減小計(jì)算量，不再考慮入射角的變化。根據(jù)式(2)、(3)，利用本文方法和直接分解法獲取的改則地震三維同震形變場如圖3 所示。

圖3 改則地震三維形變場Fig. 3 Full vector components of Gaize earthquakes.a、 b、 c和d、 e、 f分別為直接分解法和本文方法獲取的垂直(UP)、 SN(SN)、 EW向(EW)形變，分別以垂直向上、 N向、 E向?yàn)檎较颍?正斷層據(jù)Elliott等(2010)反演的斷層參數(shù)繪制，西側(cè)為余震斷層，東側(cè)為主震斷層；紅色線段a—b為穿過垂直向形變中心的剖線

圖4 垂直形變剖線圖Fig. 4 Vertical displacements profiles.

圖5 解算結(jié)果與模擬結(jié)果比較Fig. 5 Comparison of 3D deformation fields estimated from indirect solution and numerical simulation.a 本文方法獲取的三維形變場； b 模擬三維形變場； 底圖表示垂直向形變場，矢量箭頭表示水平形變，單位長度代表水平向形變0.05m； 黑色線段為Elliott 等(2010)反演的主余震斷層位置

表3 2種方法的解算誤差估計(jì)

Table3 RMSE of full vector components resolved by the two methods cm

本文方法獲取的垂直形變場(圖3d)中主震斷層兩盤沉降、 隆升運(yùn)動(dòng)分明，西北盤即上盤存在明顯的沉降 “雙心”特征，且分布在余震斷層的東、西兩側(cè)，量值分別為-41.4cm 與-48.9cm，下盤最大隆升量僅為5cm。但直接分解結(jié)果(圖3a)及其剖線(圖4 紅線)表明下盤不存在隆升形變。垂向形變剖線(圖4 藍(lán)線)中 “雙心”間的波峰(約35cm)則揭示垂向形變可能由2次或多次運(yùn)動(dòng)的疊加形成。除余震斷層附近存在小量級(<5cm)的向N運(yùn)動(dòng)外，整體形變趨勢向S，且主震斷層上盤相對下盤向S運(yùn)動(dòng)(圖3e)，較之直接分解得到的m級SN向形變(最大值約6.4m)，與前述此次地震走滑分量較小的推斷更相符。從水平形變場(圖5a)可以看出： 沉降 “雙心”和上下盤之間均存在著明顯的EW向分離運(yùn)動(dòng)； 整體呈現(xiàn)向E旋轉(zhuǎn)特征，且自西向東量級增大； 還存在水平形變向沉降 “雙心”匯聚的現(xiàn)象，這可能是毗鄰的兩產(chǎn)狀相近的正斷層運(yùn)動(dòng)(主震及余震)所致。從直觀表現(xiàn)來看，本文結(jié)果比直接分解法結(jié)果能夠更清晰地描述改則地震的形變特征。

由于觀測數(shù)據(jù)是經(jīng)過相同差分干涉處理得到的，可認(rèn)為各觀測值之間相互獨(dú)立且精度相同。假設(shè)觀測精度σ=1cm(Burgmannetal.，2000)，將表2 數(shù)據(jù)代入式(4)即可量化估計(jì)解算誤差的放大效應(yīng)。如表3 所示，直接分解方案中單位LOS向形變誤差可被病態(tài)系數(shù)矩陣放大至51.2倍，即實(shí)測cm級誤差被放大至數(shù)個(gè)dm，而本文方法能有效抑制誤差放大(σN=6.0cm)。因改則地震缺少水準(zhǔn)和GPS等其他同震實(shí)測數(shù)據(jù)，只能利用模擬值對解算結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià)。本文利用Elliott等(2010)反演獲取的2008年改則地震震源參數(shù)和Okada位錯(cuò)模型(Okada，1995)模擬了三維同震形變場，并分別計(jì)算出2結(jié)果與模擬值的殘差標(biāo)準(zhǔn)差。將本文解算結(jié)果與模擬結(jié)果對比(圖5a，b)，可以看出： 兩者垂直形變場的特征和量級都能較好吻合，僅影響范圍稍有差異； 水平形變場除西南部分差異較大外，整體的特征也一致。解算結(jié)果與模擬值的不完全一致可能與使用的位錯(cuò)模型和斷層模型有關(guān)，其中Okada模型為理想的均勻滑動(dòng)位錯(cuò)模型，簡化的斷層模型也沒有考慮傾角、 走向的變化。根據(jù)均方根誤差計(jì)算公式，直接分解結(jié)果與模擬值的垂直、 SN和EW分量殘差標(biāo)準(zhǔn)差分別為6.82cm、 60.92cm與4.62cm； 本文結(jié)果在對應(yīng)各分量上的殘差標(biāo)準(zhǔn)差為2.4cm、 5.4cm與3.28cm?？梢钥闯觯?種方法對垂直和EW向分量的解算精度差別不大，但在SN分量上，本文方法明顯優(yōu)于直接分解方法。

作為傳送構(gòu)造的班公-怒江縫合帶，能夠?qū)⑶嗖馗咴瓋?nèi)部的EW向伸展應(yīng)變向N轉(zhuǎn)換到羌塘塊體，向S傳送至喜馬拉雅范圍(Michaeletal.，2003)，改則地區(qū)可能是最直接體現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換作用的地方之一。Michael等(2003)還指出改則縣東15km處的洞錯(cuò)盆地可能是由青藏高原內(nèi)部一系列間歇式向E伸展運(yùn)動(dòng)所致，即由小的楔形塊體向E侵入而遺留在尾部的空區(qū)填充而成。盆地內(nèi)發(fā)育各種新生代構(gòu)造，在漸新世(20Ma)多為擠壓構(gòu)造(Yinetal.，2000)，晚新生代則轉(zhuǎn)變成以正斷層和走滑斷層為主。大地電磁證據(jù)表明盆地是由拉薩塊體和羌塘塊體的多次拉張、 擠壓形成，盆地的SN邊界均被EW向斷裂控制(趙文津等，2004； 盧景齊等，2010)。陶剛等(2014)提出改則地區(qū)盆地以張扭性為主?？紤]到震中在洞錯(cuò)盆地北邊緣，又處于3條走滑斷裂的交會(huì)處； 三維同震形變場表現(xiàn)出的以垂直形變?yōu)橹鳌?水平上具有EW向分離及E向旋轉(zhuǎn)的形變特征，應(yīng)是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用的結(jié)果。因此，改則地震應(yīng)是洞錯(cuò)盆地的張扭作用、 洞錯(cuò)斷裂和嘎色斷裂的E向拉伸以及日干配錯(cuò)斷裂的SW向壓縮共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

受SAR衛(wèi)星飛行軌道和成像模式的限制，InSAR技術(shù)無法準(zhǔn)確探測發(fā)生在SN向的形變或位移，這也是直接分解方案中出現(xiàn)難以接受的解算誤差或錯(cuò)誤的根源所在。以其他數(shù)據(jù)或方法得到的知識作為先驗(yàn)約束，可以在一定程度上解決這一問題，本文利用此方法獲取了改則地震地表三維形變場，且三維分量與模擬結(jié)果能夠較好地吻合。

(1)主震斷層兩盤的垂直運(yùn)動(dòng)差異明顯，上盤為構(gòu)造變形的主要活動(dòng)區(qū)，且存在分布于MW5.9余震斷層EW兩側(cè)的沉降 “雙心”特征，量級分別達(dá)到-41.4cm、 -48.9cm； 下盤最大隆升量約5cm。垂直向形變剖線特征顯示形變場應(yīng)是由幾次事件的疊加影響所致。除余震斷層附近存在小量級(<5cm)的向N形變外，總體形變趨勢向S且最大值約10cm，而上盤形變比下盤更大說明改則地震可能還具有一定的左旋走滑，且SN向形變的解算精度明顯提高，也更符合改則地震的實(shí)際情況。

(2)三維形變場整體特征以垂直向形變?yōu)橹?，水平形變還存在明顯的EW向分離和向E旋轉(zhuǎn)。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景分析，此次地震應(yīng)是洞錯(cuò)盆地的張扭作用、 洞錯(cuò)斷裂和嘎色斷裂的E向拉伸以及日干配錯(cuò)斷裂的SW向壓縮共同作用的結(jié)果。與Hu等(2014b)的研究相比，雖然我們使用的數(shù)據(jù)資料有所不同、 解算方法亦不同，但獲得了近乎完全一致的垂向、 EW向結(jié)果和略有差異的SN向形變，這也證明了本文方法的可行性。

先驗(yàn)約束條件可以從地質(zhì)資料、 地球物理資料中獲取，也可以從其他觀測手段如GPS、 水準(zhǔn)或技術(shù)手段MAI等得到，既可以從定性角度約束，也可加以定量限制，但在應(yīng)用時(shí)還需要考慮合適的融合方法以及權(quán)重分配方案。三維形變場從不同方向?qū)ν鹦巫冞M(jìn)行描述，能夠?yàn)榕卸〝鄬游恢眉捌溥\(yùn)動(dòng)性質(zhì)提供更加清晰詳實(shí)的資料，也能為進(jìn)一步的發(fā)震斷層滑動(dòng)分布反演工作開展提供有利的基礎(chǔ)，這些也是作者下一步要開展的研究工作內(nèi)容。

致謝 本文所使用的ALOS PALSAR InSAR同震形變數(shù)據(jù)由牛津大學(xué)JRElliott博士提供，文中圖件均使用GMT5.0(Generic Mapping Tools)繪制。

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市場機(jī)制的引入有助于提高水資源配置效率和吸引水務(wù)建設(shè)與管理的社會(huì)參與。但是水市場的作用也有很大的局限性，只有部分水資源和水服務(wù)的有限領(lǐng)域能夠進(jìn)入市場并且受到水的流動(dòng)性、多用途性和公共性的諸多限制。世界銀行曾經(jīng)對國際水市場經(jīng)驗(yàn)做了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)水市場發(fā)揮作用的前提條件較為苛刻，至少有9個(gè)方面。很多學(xué)者的研究也佐證了該結(jié)論，如卡爾·鮑爾的研究指出：水市場的運(yùn)作相當(dāng)復(fù)雜，其發(fā)展受制于法律規(guī)則、政治選擇、制度安排、經(jīng)濟(jì)和地理?xiàng)l件、以及文化因素，所以對水市場應(yīng)持謹(jǐn)慎和適當(dāng)?shù)念A(yù)期。

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THREE-DIMENSIONAL DEFORMATION OF THE 2008 GAIZE EARTHQUAKES RESOLVED FROM INSAR MEASUREMENTS BY MULTIPLE VIEW ANGLES AND ITS TECTONIC IMPLICATIONS

WANG Jia-qing1，2)ZHANG Guo-hong1)SHAN Xin-jian1)ZHANG Ying-feng1，3)

1)StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics，InstituteofGeology，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029，China2)FirstCrustMonitoringandApplicationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Tianjin300180，China3)ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266555，China

The 2008 GaizeMW6.4 earthquake，occurring on the tensional active fault zone located between Lhasa terrane and Qiangtang terrane in the interior of Tibet is a typical normal-faulting event. In this paper，we resolve the three-dimensional coseismic displacement fields of the earthquakes using a least-square iterative approximation solution with a priori knowledge，according to the theoretical basis that InSAR measurements are extremely insensitive to N-S component. Results show that the boundary dividing the two sides of the main-shock fault is very clear in the vertical movement，and two remarkable subsidence centers can be observed on the hanging wall，while amplitude of the west one(-48.9cm)is larger than the east(-41.4cm)，but the maximum uplift on the footwall is only 5cm. In addition to some northward movement with amplitude less than 5cm around the aftershock fault，the north-south deformation field suggests an overall southward movement. The three-dimensional results indicate that the induced surface movement is predominantly vertical and mostly occurred on the upper side，while there are obvious east-west separation and eastward rotation in the horizontal plane. The full vectors are consistent with simulated deformation field with the RMSE less than 6cm，so the research demonstrates the feasibility of the method to recover precise three-dimensional deformation field. On the whole，the three-dimensional deformation field coincides with the tensile fracture characteristics of Gaize earthquakes，and the tectonic stress background of coeval east-west extension and north-south shortening.

the 2008 Gaize earthquake，InSAR，multiple view angles，three-dimensional deformation field

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.04.014

2015-04-09收稿，2016-07-27改回。

地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(LED2013A02，LED2014A01)、 國家自然科學(xué)基金(4141101073、 41461164002)與中國地震局第一監(jiān)測中心科技創(chuàng)新主任基金(FMC2016009)共同資助。
*通訊作者： 張國宏，副研究員，E-mail: zhanggh@ies.ac.cn。

P315.2

A

0253-4967(2016)04-0978-09

王家慶，男，1990年生，現(xiàn)為中國地震局地質(zhì)研究所碩士研究生，研究方向?yàn)镮nSAR干涉處理及形變場數(shù)值模擬等，E-mail： wjqrs08@163.com。