基于SBAS-InSAR的紅河斷裂帶南段形變特征研究

陸好健，李金平,2，邵九明，葉 帥

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500；2.西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程中心，云南 昆明 650500)

通信作者簡介：通信作者簡介： 李金平(1964-)，男，教授，博士.

紅河斷裂帶橫貫云南省西、中、南部，是云南最具代表性的活動斷層，控制著云南地區(qū)的主要構(gòu)造活動[1]，是川滇塊體的西南邊界，也是研究青藏高原東南部大陸動力學過程的重要場所。按運動性質(zhì)紅河斷裂帶可分為北、中、南3段，北段結(jié)構(gòu)復雜，活動性強，發(fā)生過多次6級以上地震；紅河斷裂中、南段有地震歷史記錄以來沒有發(fā)生過6級以上地震[2]。紅河斷裂中、南段未來是否會發(fā)生大地震仍有爭議，一種觀點認為，紅河斷裂帶的邊界作用弱化，未來不會有大地震發(fā)生[1，3]；另一種觀點認為紅河斷裂中、南段在全新世期間曾發(fā)生多次7級以上強烈地震活動，復發(fā)間隔約1770～3170年，正處在大震孕育期，未來可能發(fā)生大地震[4-5]。利用多期GPS 觀測數(shù)據(jù)研究紅河斷裂帶形變特征及運動速率結(jié)果表明，受建水斷裂和小江斷裂帶的影響，紅河斷裂南段運動復雜，從元江往元陽其運動特征由右旋走滑兼擠壓轉(zhuǎn)換為左旋拉張的轉(zhuǎn)換區(qū)、再到左旋拉張區(qū)變化，運動速率存在較大差異，南段活動速率較北、中段弱[6-9]。GPS觀測能從遠場較好地分析斷裂形變特征，但很難整體觀測斷裂帶的近場形變活動規(guī)律[10]。InSAR技術(shù)中PS-InSAR、SBAS-InSAR技術(shù)克服了常規(guī) DInSAR監(jiān)測中的時空失相干因素影響，在監(jiān)測斷裂帶近場形變方面表現(xiàn)出了極大的潛力和優(yōu)勢。時序InSAR在研究阿爾金斷裂近場形變速率和運動特征中，發(fā)現(xiàn)與GPS測量的結(jié)果一致[11-12]。用PSInSAR[13-14]和SBAS-InSAR[15]技術(shù)分別研究了海原斷裂帶和鮮水河斷裂的地殼形變特征，獲得了斷裂的跨斷層InSAR 形變速率場，估算走滑運動速率，與GPS 和地質(zhì)學研究結(jié)果基本一致。本文選取紅河斷裂帶南段的元陽段作為研究區(qū)，利用SBAS-InSAR技術(shù)處理2015-2017年的18景Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)，研究斷裂帶近場形變特征。

1 SBAS-InSAR獲取斷裂帶形變的方法

SBAS-InSAR技術(shù)即短基線差分干涉測量技術(shù)，由Berardina[16]等人在2002年提出，是一種研究地表長期緩慢形變的較為可靠方法,較好地提取地表形變時間序列及形變速率。其關(guān)鍵是通過設置一定范圍的時空基線閾值,實現(xiàn)干涉像對最優(yōu)組合,增加單一主影像條件下干涉圖的數(shù)量,減少空間失相干對干涉紋圖的影響，將時間基線和空間基線較長的單次離散影像數(shù)據(jù)連接起來,獲得在時間上連續(xù)的形變序列,更好地反演地表形變過程及形變趨勢[17]。對相干性較好的點進行相位解纏時,是根據(jù)相位點的位置建立一個德勞內(nèi)(Delaunay)三角網(wǎng)[18],根據(jù)三角網(wǎng)的構(gòu)成確定解纏參考點,建立相關(guān)的矩陣,應用最小費用流算法解決不規(guī)則格網(wǎng)的相位解纏問題,最終獲得地表微小形變信息。在SBAS算法中，差分干涉的定義為[19]：

Δφatm(x,r)+Δφn(x,r).

(1)

其中x和r為像元坐標，λ為雷達波長，Δd為視線向地表形變，B±為垂直基線，θ為入射角，Δz為地形殘差，Δφatm為大氣延遲相位，Δφn為噪聲相位。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

本文選用研究區(qū)為紅河斷裂帶中以元陽縣城為中心，橫跨紅河斷裂帶的長條狀區(qū)域，面積約為1 800 km2(如圖1)。研究區(qū)平均海拔900～1 500 m，主要有元陽縣城和新街鎮(zhèn)等高相干信息點源，有利于高相干點的提取。圖1所示是雷達影像覆蓋范圍及紅河斷裂分布。采用18景2015-06-18—2017-07-01的歐空局Sentinel-1 SLC數(shù)據(jù)，C波段，降軌，IW模式，VV極化，入射角39.7°，表1是所用SAR數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。

編號獲取日期絕對軌道號/相對軌道號與超級主影像時間間隔/d12015-06-1806434/62-26422015-07-1206784/62-24032015-08-0507134/62-21642015-08-2907484/62-19252015-10-1608184/62-14462015-11-0908534/62-12072015-12-0308884/62-9682015-12-2709234/62-7292016-01-2009584/62-48102016-02-1309934/62-24112016-03-0810284/620122016-10-1602538/62222132016-11-0902888/62246142016-12-0303238/62270152016-12-2703588/62294162017-01-2003938/62318172017-02-1304288/62342182017-07-0117284/62480

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文用ENVI SARscape軟件進行SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

先進行SAR數(shù)據(jù)、AUX_POEORB精密軌道數(shù)據(jù)和ASTGM_GDEM 30 m高程數(shù)據(jù)導入，裁剪研究區(qū)，調(diào)整時空基線閾值使每景數(shù)據(jù)都能夠較好地連接和配對，選定最大時間距是300 d，空間基線閾值為臨界基線的45%得到86幅干涉圖，超級主影像為20160308，每景數(shù)據(jù)的連接圖和時空基線圖如圖3(a)和圖3(b)所示。因本文處理區(qū)域多植被覆蓋，在數(shù)據(jù)處理中保留相干性閾值為0.35以上的相干點。在此基礎上，采用最小費用流量法進行解纏，將解纏相位校正到相干性較高的參考點上，在生成干涉圖后經(jīng)過濾波、平地相位和地形相位去除后，對條紋不清晰的干涉圖和不連續(xù)光滑的解纏結(jié)果共27對干涉對進行移除，剩余59對相干系數(shù)較高和解纏效果較好的圖像保留進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。通過在空間上高通濾波，在時間上低通濾波分離出大氣相位和噪聲相位，經(jīng)地理編碼最終得到斷裂帶LOS向形變速率(如圖3(c))。

圖2 SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

圖3 數(shù)據(jù)連接接圖、時空基線及LOS向形變速率圖(F是紅河斷裂)

SBAS-InSAR處理的結(jié)果在ArcGIS 10.1中進行成圖處理獲得研究區(qū)LOS向形變速率，從圖3(c)中可以看出，輸出的點目標較為稀疏，主要是研究區(qū)植被覆蓋率高，高相干點較少且分布很不均勻所致。從圖3(c)中明顯看出南北兩盤有明顯的分層現(xiàn)象。斷裂帶北盤多是速率為正，形變數(shù)值在3.06～5.42 mm/a之間；南盤大多為速率為負，形變數(shù)值為-5.38～-3 mm/a間。

3 結(jié)果分析

北盤形變方向為正，即地面的點向衛(wèi)星方向移動，在Sentinel數(shù)據(jù)的降軌右視模式下就表示地面點目標隆升或自西向東運動。南盤形變方向為負，表示地面點與衛(wèi)星的距離增加，在降軌右視模式下表明地面點目標沉降或自東向西運動。假設在近現(xiàn)代以來點目標只做水平運動，沒有垂直運動或者說垂直運動忽略不計，北盤點目標向東運動恰和南盤點目標向西運動與斷裂帶南段的右旋走滑運動方向一致。在此基礎上，做3條垂直于斷層走向的形變速率剖線(長約42 km)，如圖4(a)所示，取剖線兩邊3 km范圍內(nèi)的點做剖面分布如圖4所示得出近斷裂帶距離速率變化明顯?？梢钥闯鲈跀鄬泳€處形變速率顯示出臺階式跳變，形成約8 mm/a的跨斷層形變差異，而隨著離開斷層距離的增加，速率值基本保持不變。兩盤速率差在8 mm/左右，斷裂帶南段平均速率約為4 mm/a，與虢順民[1]給出的走滑速率為2.8 mm/a；程佳[20]給出的斷裂帶南段運動速率為3.5±1.5 mm/a較為一致。SBAS-InSAR處理的結(jié)果偏大有以下幾點原因：第一，由于假設了斷裂帶近代以來只做水平運動，而本文處理的結(jié)果是斷裂帶南北、東西和垂直向運動速率投影到衛(wèi)星視線向的形變速率，因此，本文處理的結(jié)果偏大，不過整體的運動趨勢是一致的。第二，SBAS-InSAR處理的運動速率是相對于控制點的速率，而控制點速率不一定為零，存在一定的誤差。第三，研究區(qū)植被覆蓋率高，對相位解纏有一定的影響。

圖4 跨斷層的速率剖面(距離由南向北遞增，距離約為42 km)、相位轉(zhuǎn)形變速率精度圖、精度及速率正態(tài)分布圖

研究區(qū)缺少GPS形變測量數(shù)據(jù)，無法用GPS數(shù)據(jù)進行驗證，本文試著從研究區(qū)視線向速率正態(tài)分布及相位轉(zhuǎn)速率的精度結(jié)果進行驗證，從精度數(shù)據(jù)來看(如圖4(b)所示)，整體研究區(qū)精度DN值都在4以內(nèi)，尤其在元陽縣城和新街鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)的高相干點源的DN值都在1.5以內(nèi)，其值范圍比較合理。利用SARscape中的柵格轉(zhuǎn)矢量共得20 136個點數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析得到如圖4(c)所示的點形變速率的正態(tài)分布，均值為0.378 4，標準差是2.854，計算值在-6.5～6.5 mm/a，占比為97.62%；-3.25～3.25 mm/a，占比為82.62%?？梢钥闯龈呦喔牲c速率的分布是比較合理的，SBAS-InSAR處理得到的結(jié)果比較可信。這一結(jié)果可以用來判斷當前紅河斷裂帶南段現(xiàn)今活動特征。

4 結(jié)束語

本文采用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了紅河斷裂帶南段地殼形變速率，并簡要分析其形變特征，得到2015～2017年北盤的運動速率為3.06～5.42 mm/a，南盤的運動速率為-5.38～-3 mm/a，北盤在LOS方向表現(xiàn)為隆升，南盤沉降，符合其右旋走滑的特征，兩盤形變速率差約為8 mm/a，與虢順民[22]給出的走滑速率為2.8 mm/a；程佳[23]給出的斷裂帶南段運動速率為3.5±1.5 mm/a較為一致。這也表明SBAS-InSAR能可靠地監(jiān)測到地殼微小形變。由于目前只截取斷裂帶南段的一部分作為實驗區(qū)并獲得其結(jié)果，為了全面監(jiān)測紅河斷裂帶南段的微小形變，需要進一步融合升降軌等方式來計算三維形變，所以后期將選取斷裂帶南段元江縣或紅河縣等地區(qū)用升降軌融合等方式對紅河斷裂帶南段進行更深入地研究分析。考慮到紅河斷裂帶復雜的地貌和高植被覆蓋的地表形態(tài)，可以使用PS-InSAR和SBAS-InSAR結(jié)合的方式來探測相干點或通過與GPS融合的方式來提高監(jiān)測精度。