基于Sentinel—1 SAR數(shù)據(jù)反演逐鹿縣7.5地震形變信息

張巖

摘要： 利用遙感手段對地震引起的地表形變進行研究已在諸多方面取得了成果，本文將在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造基礎上采用Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)對逐鹿縣7.5地震進行研究，分析區(qū)域斷裂帶對地震形變信息的影響，反演地震形變信息。數(shù)據(jù)處理方法采用D-InSAR中的兩軌法和三軌法進行對比分析，來驗證逐鹿縣7.5地震的形變特征。實驗結(jié)果表明，采用該方法反演地震形變信息具有高效性、準確性和廣域性，為地震防震減災工作提供了技術(shù)支持。

Abstract： The remote sensing method has been used to study the surface deformation caused by earthquakes. In this paper， the Sentinel-1 SAR data are used to study the 7.5 earthquake in Zhulu county on the basis of regional geological structure， and the influence of the regional fault zone of the seismic deformation information to invert the seismic deformation information. For data processing method， the two-track method and the three-track method in D-InSAR are used for comparative analysis to verify the deformation characteristics of the Zhulu County 7.5 earthquake. The experimental results show that the method can be used to retrieve seismic deformation information with high efficiency， accuracy and wide area， which provide technical support for earthquake disaster reduction work.

關(guān)鍵詞： 懷逐盆地斷裂帶；數(shù)字高程模型；合成孔徑雷達差分干涉技術(shù)；地標形變反演

Key words： hereditary basin fault zone；digital elevation model；synthetic aperture radar differential interferometry；landmark deformation inversion

中圖分類號：P315.3+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）12-0156-03

0 引言

懷來盆地和逐鹿盆地（簡稱懷逐盆地）位于張家口壩下的中朝準地臺燕山臺褶帶西段的宣龍復式向斜內(nèi)，其區(qū)域構(gòu)造正好位于汾渭大斷層的尚義—赤城—平泉斷裂帶與黃旗—鳥龍溝斷裂帶相交的區(qū)域內(nèi)[1]。該區(qū)域的斷層活動強烈，地震頻頻發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，截至2016年，4級以上地震共34次，嚴重危害當?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全。因此，利用現(xiàn)代科學技術(shù)對懷逐盆地地震形成的地表形變進行反演評估，對該區(qū)域的抗震減災具有十分重要的意義。

合成孔徑雷達差分干涉測量技術(shù)（簡稱D-InSAR）是一種利用主動式微波遙感監(jiān)測地表形變的技術(shù)。由于該技術(shù)具有觀測精度高、不受大氣和地形限制、監(jiān)測范圍廣等優(yōu)點，廣泛的應用于地表形變監(jiān)測。本次使用的數(shù)據(jù)來源為2014年10月正式投入使用的Sentinel-1 SAR衛(wèi)星，該衛(wèi)星免費提供雷達影像數(shù)據(jù)。利用區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征并結(jié)合逐鹿縣7.5地震時間點，采用3景數(shù)據(jù)，并結(jié)合外部獲取的DEM數(shù)據(jù)采用三軌法驗證方法，對地震帶進行分析和反演，最終結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果給出合理的評價。

1 Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)獲取與分析

Sentinel-1衛(wèi)星采用C波段成像系統(tǒng)，共有4種成像模式，分別為條帶成像（SM，Stripmap）、干涉寬幅（IW，Interferometric Wide swath）、超寬幅（EW，Extra Wide swath）和波浪模式（Wave mode）。其中干涉寬幅模式已面向公眾化，用戶可以從官網(wǎng)（https：//scihub.copernicus.eu）自由下載。IW成像模式可以采集分辨率為5m×20m，幅寬為250km的SAR數(shù)據(jù)。工作方式為遞進的地形掃描方式（TOPSAR），獲取3個子條帶，每條子帶包含9塊條帶信息[2]。用戶可以根據(jù)研究區(qū)域直接下載單視復數(shù)（SLC）數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為TIFF。

本次研究地表形變信息的手段是采用差分干涉（D-InSAR）中的三軌法，需要至少三景影像，一景為主影像，另外兩景為從影像[5]。再結(jié)合研究區(qū)域7月5日的地震時間點和雷達衛(wèi)星的軌道參數(shù)。最優(yōu)時間序列存檔信息如下表所示。

2 SAR數(shù)據(jù)的算法與處理

2.1 原始TIFF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為burst文件

Sentinel-1衛(wèi)星提供的單視復數(shù)（SLC）圖像格式為TIFF格式，此文件中包含多種信息：相位信息、強度信息、適量范圍等。本文實驗所使用的軟件為ENVI中的SARscape模塊，因此首先要將TIFF格式的文件轉(zhuǎn)換為SARscape可以識別的burst文件。

2.2 基線估計與相干性評價

基線估計是評價干涉像對質(zhì)量的重要參數(shù)，通過計算基線、軌道信息、高程變化、型變量、多普勒質(zhì)心誤差等，生成高程和形變的精度隨著相干性增長的變化趨勢圖[4]。下圖為基線估計所生成的兩幅圖，分別代表高程和形變的精度隨著相干性的增加而提噶，這也是影像能夠進行差分干涉的重要指標。

2.3 干涉制圖與干涉去平

干涉制圖是InSAR處理中的首要步驟，干涉圖的質(zhì)量直接關(guān)系到差分結(jié)果的精度。干涉制圖首先要對兩景影像進行配準，采用的是基于軌道信息的配準，利用SARscape模塊中的”Interferogram Generation”面板進行計算主副影像的聯(lián)系點，完成配準。再利用SLC數(shù)據(jù)中對應像元的復數(shù)進行共軛相乘可得到干涉圖。為了去除平地效應，對生成的干涉圖進行去平，得到去平后的干涉圖。如圖4（a）所示。

2.4 濾波與相干性計算

生成的干涉圖中包含由多種渠道產(chǎn)生的噪聲。這些噪聲引起的相位殘余直接影響相位解纏的精度。因此需要對干涉圖進行濾波處理[6]，本次采用的濾波方法為BOXCAR法，計算解纏相位梯度和纏繞相位梯度的不一致點之間的最短連線，其計算公式如下所示：

∑ij（？駐？準■■-？駐？準■■）■+∑ij（？駐？準■■-？駐？準■■）■=min（1）

其中，？駐？準■■為X方向上的解纏相位梯度，？駐？準■■為Y方向上的解纏相位梯度；？準■■為X方向傷感的纏繞相位梯度，？準■■為Y方向上的纏繞相位梯度，i和j分別表示行數(shù)和列數(shù)。

通過濾波處理，得到濾波后的干涉圖，如圖4（b）所示。為了衡量干涉測量精度的高低，需要對干涉圖進行相干性計算[11]，最后可以得到相干系數(shù)圖4（c）。其計算公式如下：？酌=■ ？酌∈[0，1]（2）

其中C1和C2分別代表兩幅SAR復數(shù)影像；C■■為C■的共軛復數(shù)。想干系數(shù)越大，信噪比越高，干涉測量的精度越高。

2.5 相位解纏與軌道精煉

為了獲得地面任意點的高程和型變量，需要對纏繞干涉相位進行處理得到絕對干涉相位，也就是確定相位整周模糊度n的過程[7]。本次采用的相位解纏方法為最小費用流算法（Minimum Cost Flow）。得到解纏后的相位圖如圖4（d）所示。

解纏后的相位需要對衛(wèi)星軌道和相位偏移進行糾正，得到精確地相位信息，在此過程中需要借助于外部DEM數(shù)據(jù)作為精化數(shù)據(jù)[8]。然后還需要進行重去平，使干涉精度大大提高。如圖4（e）所示，經(jīng)軌道精煉和重去平后得到的相位圖。

2.6 相位轉(zhuǎn)高程與形變

這一步是相位轉(zhuǎn)換為高程和形變信息的過程，通過絕對相位和解纏相位結(jié)合成合成相位，并轉(zhuǎn)化為DEM模型，為差分干涉提供數(shù)據(jù)源。

“Relax插值“模式是一個適應空值周圍區(qū)域的柔和表面，算法以熱傳導方程為基礎，利用已知的高度值推算出最佳的未知地形，該方法最適用于小區(qū)域插值，特別是對突然的地形變化（陡坡）[9]。

2.7 差分干涉生成形變圖

三軌法是利用同一地區(qū)三景影像生成兩幅干涉條紋圖，一幅反映地形信息，一幅反映地表形變信息，然后進行去平地效應和相位解纏，最后利用差分干涉測量原理計算得到地表信息[10]。在本次實驗中可以利用20150605和20150617兩組影像生成模擬DEM數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為差分干涉提供了對比數(shù)據(jù)。20150605和20150723分別作為差分干涉的主從影像，疊加光學衛(wèi)星遙感底圖，便于地理位置直觀分析。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 實驗模型的結(jié)果分析

圖5為差分干涉得到的形變圖。其中，顏色的深淺表示地表沉降的大小，顏色越紅表示形變沿垂直方向上升變化越大，為正值；顏色越藍表示形變沿垂直方向下降變化越大，為負值。實驗結(jié)果顯示，居民生活的建筑用地區(qū)域的沉降變化較大；水庫河流的地表沉降變化較大。本次主要研究由于地質(zhì)作用中的地震斷裂帶活動導致的地表形變。結(jié)合衛(wèi)星遙感影像，剔除其它的形變因素，對斷裂著重分析。分析結(jié)果可以看出該區(qū)域地址因素主要有三種形變特征，分別位于地質(zhì)斷裂帶活動強烈的區(qū)域，變化量均值為±0.02105m，斷裂帶活動是地震引發(fā)的主要內(nèi)在因素。

3.2 實驗結(jié)果的驗證評價

本位利用三軌法對逐鹿縣境內(nèi)的地震斷裂帶進行地表形變驗證與分析，主要包含3種形變特征：

①尚義—赤城—平泉斷裂帶：圖5中A區(qū)域內(nèi)，最小形變量-0.007294m，最大形變量為-0.036468m，平均形變量為+0.012417m，變形活動劇烈的地理位置為東小莊附近。

②黃旗—鳥龍溝斷裂帶：圖中B區(qū)域內(nèi)，最小形變量為+0.007103m，最大形變量為+0.029175m，平均形變量為+0.015684m，變形活動劇烈的地理位置為大河南鎮(zhèn)附近。

③尚義—赤城—平泉斷裂帶與黃旗—鳥龍溝斷裂帶交匯處，圖中C區(qū)域內(nèi)，最小形變量為+0.004294m，最大形變量為+0.009956m，平均形變量為+0.006135m，變形活動劇烈的地理位置為礬山鎮(zhèn)附近。

④新生構(gòu)造斷裂帶，位于逐鹿—蔚縣交界處，圖中D區(qū)域內(nèi)，其形變量為-0.021881m到+0.020657m之間。結(jié)合遙感影像發(fā)現(xiàn)該區(qū)域位于低海拔的盆地內(nèi)，此盆地并未發(fā)現(xiàn)大型建筑和水上資源，屬于自然環(huán)境特征，結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造特征，分析為新生構(gòu)造斷裂帶。該區(qū)域同時出現(xiàn)垂直上升和垂直下降的形變特征，平均形變量為0.020954m。

實驗結(jié)果表明，逐鹿縣境內(nèi)的汾渭大斷層的尚義—赤城—平泉斷裂帶與黃旗—鳥龍溝斷裂帶交匯處的地震活動不是很劇烈，地震活動劇烈的區(qū)域仍屬于兩大斷裂帶，形變趨勢為0.002m/月，結(jié)合7.5地震時間點，該區(qū)域的變形特征呈現(xiàn)隨時間遞增的趨勢。實驗結(jié)果證明，利用D-IInSAR的三軌法獲取的逐鹿縣地區(qū)地表形變特征與地震監(jiān)測結(jié)果基本相近。

4 結(jié)束語

逐鹿縣區(qū)域面積遼闊，自然條件復雜，地質(zhì)構(gòu)造復雜多變，地震斷裂帶縱橫交錯且臨近北京，是北京經(jīng)濟圈重點建設的縣。因此該區(qū)域一直都是專家研究的重點區(qū)域。本次采用D-InSAR的手段對該區(qū)域進行順時序分析，結(jié)果與7.5地震信息基本吻合，為該地區(qū)的地震監(jiān)測預警提供了技術(shù)與理論參考。

當然，本此實驗也有不足之處，首先，本次選取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率較低，D-InSAR的監(jiān)測精度最大才能達到厘米級，不能滿足更高精度的要求；其次，干涉和差分過程中選擇的DEM精度較低，同樣產(chǎn)生相對干擾誤差；最后，由于本次選擇的時序列較短，數(shù)據(jù)量小，獲得的形變量較小，同樣產(chǎn)生一定的干擾誤差。

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