地震地殼形變InSAR測量中的關鍵技術(shù)研究

段寶林

摘? 要：在地震地殼形變監(jiān)測工作中，InSAR測量技術(shù)發(fā)揮出了重要作用。其測量結(jié)果可以廣泛應用于研究地震動力學機制及地震斷層幾何學特征方面，為進一步認識到斷層活動、巖石圈動力規(guī)律等奠定下了堅實的基礎。本文主要分析了InSAR測量在地震地殼形變研究中的關鍵技術(shù)，使InSAR技術(shù)能夠更加合理的應用到地震地殼形變檢測工作中。

關鍵詞：地震地殼形變? InSAR? 關鍵技術(shù)? 時序分析

中圖分類號：P237? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0045-03

Abstract： InSAR has played an important role in crustal deformation monitoring. The measurement results can be widely used in the study of seismic dynamic mechanism and seismic fault geometry characteristics， and lay a solid foundation for further understanding of fault activity and lithosphere dynamic law. This paper mainly analyzes the key technologies of InSAR measurement in the study of seismic crustal deformation， so that InSAR technology can be more reasonable applied to the detection of seismic crustal deformation.

Key Words： Earthquake crustal deformation; InSAR; Key technology; Time series analysis

InSAR是一種用以測量地面高度及地表形變特征的技術(shù)，具有極高的測量精度。InSAR時序分析方法選取了某些SAR數(shù)據(jù)干涉對組合，通過建模、DEM誤差等，能夠觀察出地面形變在長時間內(nèi)的累積情況。InSAR技術(shù)因使用方法簡單、作業(yè)效率極高，可適應極端環(huán)境下的測量任務，通過將InSAR所獲取到的地面形變數(shù)據(jù)與相關資料相結(jié)合，可以實現(xiàn)更為精確的地震預報，對于當今的地震原理研究有著深刻影響。

1? 地震地殼形變InSAR測量中的關鍵技術(shù)

1.1 大氣校正及其對時序分析流程改進

在應用InSAR測量地震地殼形變時，往往會因較強的大氣效應影響到測量結(jié)果的精確度。距離震中區(qū)域的形變量較大，干涉條紋不易受到大氣影響，使得各項數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，因此往往會在此種狀況掩蓋效應下，忽視了大氣效應的干擾。但在研究中，可以明顯觀察到大氣效應所產(chǎn)生的影響，今后需在此方面加強相應的研究力度。

InSAR時序分離出的大氣相位與GNSS數(shù)據(jù)等不盡相同，使得在判定大氣狀況是不能僅依靠此類方法。在使用InSAR時序分析方法用以分析大氣狀況較為復雜且地表波動較大的區(qū)域時，因受到傳統(tǒng)時序分析方法較為狹隘的影響，使得大氣狀況判斷出現(xiàn)偏差，形變測量誤差較大。造成此現(xiàn)象的因素主要有如下兩方面。

首先，由于大氣的周期性運動，使得大氣相位不再具有“時域高頻”的相關特征;在大氣較厚并且分布不均時，往往會導致時空濾波處理無法進行?，F(xiàn)代研究表明，在大氣垂直與DEM較為密切時，其時空濾波雖已經(jīng)過相應處理，但會殘留一定的大氣相位，極易對監(jiān)測造成干擾。其次，InSAR時序分析需借助于高相干點獲取各類信息，大氣相位分離主要依靠PS點，在分析范圍擴大的情況下，使得此方式的精準度無法保障。

InSAR時序分析獲取相位信息主要依靠高相干點，PS點具有的密度質(zhì)量、質(zhì)量可保障大氣相位分離的精準度。在測量范圍擴大的情況下，往往會受到相干性的影響，導致自身精準度下降。如僅采取濾波的方式對大氣相位進行處理具有較大的局限性。這主要表現(xiàn)在以下兩方面。

首先，會導致出現(xiàn)誤判的情況。在進行濾波處理時，由于大氣相位處理不徹底，將會產(chǎn)生誤判，將某些非形變問題作為地表形變處理。另外如處理過多，使得某些關鍵信息丟失，無法完整解讀地質(zhì)運動的基本情況。其次，因大氣條紋與軌道條紋具有重合性特征，降低了基線的重估精準度，在流程處理環(huán)節(jié)出現(xiàn)較為嚴重的誤差，無法獲取到精確的結(jié)果。為進一步提升InSAR時序分析形變測量應對多種環(huán)境的能力，應將大氣校正作為關鍵流程予以重視。

由于大氣校正具有諸多優(yōu)勢，使其在InSAR時序分析形變測量中的應用愈發(fā)廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今已出現(xiàn)了采取模擬大氣相位的方法優(yōu)化PS-InSAR，從而進一步強化了大氣相位估計的準確性，使形變測量更加合理。在PS-InSAR中加入ECMWF大氣數(shù)值模式后，將地形相位去除，利用ECMWF模擬大氣垂直層流分量，從干涉圖中將其去除，然后采取時空濾波去除水平湍流大氣相位。除上述方法外，還可以在InSAR時序分析中采用基于GNSS數(shù)據(jù)的大氣校正的方法，能夠顯著提升監(jiān)測能力。在此過程中，應借助于專業(yè)化軟件，使大氣校正法更為有效。GACOS處理軟件是使用效果較好的軟件之一，其采用了ECMWF大氣產(chǎn)品及GNSS數(shù)據(jù)，可快速生成高精度大氣對流延遲相位，實現(xiàn)InSAR大氣校正目的。GACOS因覆蓋范圍極為廣泛、不受時間及空間的限制、生成SAR數(shù)據(jù)及時、性能評價便捷等優(yōu)勢，在業(yè)內(nèi)有著極高的應用前景。

1.2 三維形變信息提取

在實際應用中，InSAR可與GNSS、Offset Tracking等內(nèi)容相互配合，從而推導出地表三維形變信息。但由于其精確度較低，往往不能適用于精度要求較高的場景中。造成此種狀況的原因在于以下3方面。

（1）Offset Tracking等技術(shù)自身精確度難以滿足實際使用要求;（2）GNSS的數(shù)據(jù)相對較少，不具備整體覆蓋的能力;（3）SAR系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容不是地表三維形變信息的獲取。從上述內(nèi)容中可見，三維形變信息提取的關鍵因素在于獲取到足夠且精確的數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)此目標，要加大大軌道傾角SAR衛(wèi)星系統(tǒng)的研究力度，并且將獲取地表三維形變信息作為主要功能，扭轉(zhuǎn)SAR衛(wèi)星系統(tǒng)對三維形變信息提取工作不力的局面。

1.3 大范圍形變監(jiān)測

（1）ScanSAR時序分析。

在SAR系統(tǒng)中，ScanSAR的應用最為廣泛。雖然ScanSAR有著極強的數(shù)據(jù)覆蓋能力，但由于數(shù)據(jù)干涉效果不佳，加之其自身分辨率不能得到保障，使得其應用具有一定的局限性。產(chǎn)生此問題的根源在于，星載SAR系統(tǒng)在設計之初即存在Burst不能同步的現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)干涉相干性不強。另外由于ScanSAR模式分辨率較低，使高相干目標明顯不足。

（2）InSAR形變結(jié)果拼接。

在地殼形變監(jiān)測中，因觀測區(qū)域的差異，需對干涉測量結(jié)果進行拼接處理?？赏ㄟ^以下策略開展此項工作：首先，在InSAR處理時需采取參考點才能夠完成，因此應考慮參考點對監(jiān)測結(jié)果的影響，制定出選擇參考點的標準。其次，需厘清InSAR處理參考點的關系，通過建立起傳遞理論模型，使其形成統(tǒng)一性。由于空間坐標系存在偏差，當SAR影像重疊部分的高程差不明顯時，可將其中一幅SAR影像作為主影像，采取多項式法統(tǒng)一其它SAR影像。如高程差較為顯著，可將待拼接的SAR影像放置于同一坐標系中。

1.4 高相干目標選取

在InSAR時序分析中，通常采取多幅SAR影像用來獲取高相干目標的形變信息，保證形變結(jié)果的準確性。高相干目標在大氣相位分離、相位解纏精度方面有著較大作用，其數(shù)量直接影響到精確度。

InSAR時序分析受到多種因素的共同作用，要重點關注高相干點的數(shù)量級密度問題。如在大范圍區(qū)域且缺少足夠植被的情況下，則在選取高相干點時出現(xiàn)較多難點。由于當前InSAR時序分析在選取高相干點時采取了統(tǒng)一的參數(shù)閾值方法，如將其應用于較大范圍時，極易出現(xiàn)PS點分布不均的現(xiàn)象，使得某些區(qū)域內(nèi)的計算結(jié)果失真?，F(xiàn)今出現(xiàn)了SqueeSAR技術(shù)及StaMPS方法。經(jīng)長期觀察可見，上述兩種方法在地表形變監(jiān)測有著較好的應用空間。其中，SqueeSAR技術(shù)采用了雙樣本KS檢驗法，選擇受時間失相干影響較小的統(tǒng)計像元，使得高相干目標的質(zhì)量與密度均得到了顯著提升。StaMPS方法將PS按照散射體進行對待，以相位穩(wěn)定性作為重要指標，在提取高相干目標時，利用了相位空間與振幅離差之間的關聯(lián)性。

某些區(qū)域中的自然地表相干性條件較差，使得穩(wěn)定高相干像元數(shù)量不足。針對此種狀況，應采用InSAR時序分析選點的自適應法，及時調(diào)整自身閾值，達到穩(wěn)定識別高相干像元的目的。要制定出相應的策略，依據(jù)所處環(huán)境，將閾值參數(shù)設定在合理范圍內(nèi)。要及時評價結(jié)果的差異性，使形變測量范圍得以增大，最后還應繪制出相應的分布圖，使結(jié)果更為形象直觀。

1.5 大數(shù)據(jù)背景下數(shù)據(jù)處理方法

隨著信息科技、大數(shù)據(jù)技術(shù)、衛(wèi)星發(fā)射等行業(yè)取得巨大進步，在地震地殼形變監(jiān)測中應及時引入多種方法，充分利用各類檔案數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)處理更為高效、準確，不斷提升應急響應的效率。由于地震地殼形變監(jiān)測過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)資料，為確保觀測過程的連貫性，其InSAR時序分析數(shù)據(jù)處理方式需加以改進。針對新獲取到的數(shù)據(jù)資料，InSAR時序分析數(shù)法可將其及時加入到數(shù)據(jù)庫中，而無需從初始端進行操作。另外由于數(shù)據(jù)累積量及監(jiān)測任務逐漸增大，會影響到計算機的運行速度，從長遠角度出發(fā)，應及時將繁多的數(shù)據(jù)遷移到云端，提升計算機的效能。

在星載SAR技術(shù)日益成熟的背景下，加之衛(wèi)星重訪周期的時間越來越短，使得SAR的空間分辨率得以大幅提升。基于衛(wèi)星重訪周期時間被縮短的狀況，從而有機會能夠在極短的時間內(nèi)獲取到足夠多的資料，但大量的數(shù)據(jù)使得計算機處理速度緩慢。在InSAR時序分析方法中，往往僅依靠對已存儲的信息進行處理，由于地殼形變監(jiān)測具有顯著的連貫性，使得其數(shù)據(jù)處理滯后性嚴重，無法適應現(xiàn)今對數(shù)據(jù)資料的大量需求。在今后的工作中，應重點研究利用較短重訪周期下SAR數(shù)據(jù)的方法，將其運用到InSAR時序分析中，從而在地震地殼形變監(jiān)測中發(fā)揮出重要作用，實現(xiàn)實時動態(tài)式的監(jiān)測。正是由于存在此類問題，因此需在InSAR時序分析技術(shù)采取漸進方法，使傳統(tǒng)模式下的數(shù)據(jù)集中處理轉(zhuǎn)變成為增量式處理模式，發(fā)揮出大數(shù)據(jù)技術(shù)的作用。在處理技術(shù)不斷發(fā)展的狀況下，現(xiàn)已出現(xiàn)了漸進式SBAS處理方法，可提升Sentine-lA星載SAR干涉數(shù)據(jù)的收集能力，從而獲取到SAR數(shù)據(jù)。此方法能夠依據(jù)現(xiàn)有的形變監(jiān)測數(shù)據(jù)，推導出當前的形變結(jié)果，摒棄了傳統(tǒng)模式下需再次從初始端進行操作的弊端，極大提升了時序分析的準確性及效率。

2? 結(jié)語

通過上文分析可見，在地殼形變監(jiān)測中，InSAR技術(shù)在其中發(fā)揮出了重要作用，在地震全過程中均可以監(jiān)測地殼形變的發(fā)生規(guī)律。我國的空間立體觀測技術(shù)在衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)的引領下，現(xiàn)已取得了較為滿意的成績。尤其隨著SAR測繪衛(wèi)星和形變監(jiān)測衛(wèi)星陸續(xù)投入使用，使得InSAR技術(shù)已成為當前的熱點研究領域。SAR系統(tǒng)不同于光學衛(wèi)星，其自身功率有限，不能實現(xiàn)實時且長期的對地成像。要按照既定計劃，選取重點觀測區(qū)域，從而獲得某一區(qū)域內(nèi)充足的數(shù)據(jù)資料，為后續(xù)進一步研究提供了數(shù)據(jù)支持?；趯嶋H應用的考慮，將來可在SAR系統(tǒng)中設置不同任務的優(yōu)先級別、成像時間于運行周期之間的時長關系等。

參考文獻

[1] 曾琪明，朱猛，焦健.地震地殼形變InSAR測量中的關鍵技術(shù)分析[J].遙感學報，2018，22（S1）：17-31.

[2] 王慶良.地殼形變觀測在地震監(jiān)測預報中的發(fā)展與應用研究[J].地震研究，2018，41（3）：343.

[3] 董曉燕，趙柯柯，張貴豪.遙感影像匹配技術(shù)在地震形變監(jiān)測中的應用研究[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學院學報，2019，31（2）：31-35.

[4] 鞏丹丹，尚俊斌.地殼形變觀測在地震監(jiān)測預報中的發(fā)展與應用研究[J].甘肅科技縱橫，2019，48（4）：12-14.

[5] Y.G.Wan，Z.-K.Shen，R.Bürgmann，J.B.Sun，M.Wang，靳志同.根據(jù)GPS和InSAR測量推斷2008年M_W7.9汶川地震的斷層形狀和破裂分布[J].世界地震譯叢，2018，49（3）：195-221.

[6] 李寧，王卓識.地殼形變觀測在地震監(jiān)測預報中的發(fā)展與應用[J].河南科技，2019（34）：138-140.