基于CRInSAR與PSInSAR技術(shù)監(jiān)測斷裂帶震間形變研究

徐小波，連達(dá)軍，白俊武

（蘇州科技大學(xué) 地理科學(xué)與測繪工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

青藏塊體東北緣作為青藏高原最新的重要構(gòu)成部分，是青藏高原內(nèi)部物質(zhì)東移的邊緣地區(qū)，形成了許多大斷裂，構(gòu)成南北構(gòu)造帶的高危分段[1]。青藏高原地殼形變特征主要表現(xiàn)為南北向擠壓縮短與垂直向增厚隆升。該地區(qū)部分大型走滑斷裂的形變特征及形變定量研究較多。關(guān)于斷裂的變形方式、滑動(dòng)速率等研究，由于區(qū)域地質(zhì)、斷裂的復(fù)雜性，仍有較大不確定性。不同學(xué)者利用地質(zhì)測年、探槽及GPS等方法[2-3]獲得了不同的斷裂形變研究結(jié)果，其中海原斷裂震間形變處于1～5 mm/a。海原斷裂和天景山斷裂受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注較多[4-5]，且這兩條斷裂形變較為明顯。

合成孔徑雷達(dá)干涉測量（Interferometry Synthetic Aperture Radar，InSAR）是一項(xiàng)成熟完善的空間對地觀測技術(shù)，能夠高精度監(jiān)測地震同震形變、震后斷層滑動(dòng)、區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)、滑坡及地面沉降等。通過DInSAR（Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar）進(jìn)行地震同震形變、震間形變研究[6-7]，CRInSAR（Corner Reflector InSAR）、PSInSAR（Permanent Scatterers InSAR）作為監(jiān)測斷裂震間形變重要手段已有部分研究[8-14]。CRInSAR是在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)穩(wěn)定可靠的人工角反射器CR（Corner Reflector），通過建立CR點(diǎn)相位與形變的函數(shù)模型并利用離散CR點(diǎn)來監(jiān)測區(qū)域地表形變[15-17]。CR架設(shè)位置可根據(jù)研究區(qū)實(shí)際地理環(huán)境靈活設(shè)定，CRInSAR形變監(jiān)測在地質(zhì)地貌復(fù)雜的斷裂帶地區(qū)具有重要作用[18-19]。PSInSAR技術(shù)重點(diǎn)研究區(qū)域內(nèi)散射特征穩(wěn)定的永久散射體目標(biāo)點(diǎn)（如房屋、橋梁等），這些硬目標(biāo)點(diǎn)較易成功干涉，通過回歸分析即可獲取形變監(jiān)測結(jié)果，但自然地表覆蓋的山區(qū)PS點(diǎn)密度和穩(wěn)定性則需進(jìn)一步考慮優(yōu)化[20-21]。筆者分別采用CRInSAR、PSInSAR技術(shù)對海原、天景山斷裂進(jìn)行震間形變研究，分析CR點(diǎn)影像特征，結(jié)合相位標(biāo)準(zhǔn)差閾值法逐步剔除不可靠噪聲PS點(diǎn)，獲取斷裂震間形變結(jié)果。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

海原、天景山斷裂總體走勢為從北西撒開向南收斂，在地表為弧形分布[22]。地質(zhì)、GPS等研究結(jié)果認(rèn)為斷裂帶運(yùn)動(dòng)模式是逆沖走滑型的。海原斷裂是一條明顯的山麓與盆地分界線，該斷裂往西連接祁連山，往東連接六盤山，延伸長度達(dá)450 km，具有地表分布廣、小型斷層延伸長、左旋走滑運(yùn)動(dòng)速率大、總體位移量大、沿?cái)嗔寻l(fā)生地震強(qiáng)度大等特點(diǎn)。天景山斷裂處于青藏高原東北緣弧形構(gòu)造帶中間，西起祁連山東端古浪附近，向東沿長嶺山、天景山、桃山、廟山等山前斷裂斷續(xù)延伸，直至六盤山北端，總長約200 km，斷裂為走滑兼逆沖，整體呈中部略向北東方向凸出的弧形。研究范圍內(nèi)斷裂分布如圖1所示，底圖為研究區(qū)SAR強(qiáng)度圖像。

1.2 SAR數(shù)據(jù)

研究區(qū)數(shù)據(jù)采用2013年11月1日至2015年1月15日間9景高分辨率（3 m）TerraSAR降軌影像，充分考慮干涉對時(shí)間、空間相干性及多普勒頻率差異選取了2014年7月1日SAR影像為參考主影像，構(gòu)成干涉像對見表1。由表1可知時(shí)間基線處于-242～198 d之間，干涉對空間垂直基線大部分處于-100～100 m之間，較小的時(shí)間、空間基線能有效減少失相干，提高信噪比，保證形變監(jiān)測精度。

圖1 研究區(qū)斷裂位置及CR點(diǎn)分布

表1 干涉像對參數(shù)

2 CR/PSInSAR原理及相位組成

CR/PSInSAR只針對高相干像素點(diǎn)（CR、PS點(diǎn)）相位處理，與常規(guī)DInSAR相位組成一致，高相干點(diǎn)相位也由橢球體相位（平地相位）、地形相位、形變相位、大氣相位及噪聲五部分組成。

其中φint為干涉相位，φflat為參考橢球面引起的橢球體相位，φtop為地表高程引起的地形相位，φdef為兩景SAR影像成像期間地表發(fā)生的視線LOS向（Line of sight）形變相位，φatm為大氣相位，φnoi為噪聲（包括成像系統(tǒng)熱噪聲等）。

橢球體、地形相位可根據(jù)衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)與外部DEM數(shù)據(jù)模擬得到，可從干涉相位φint中減去φflat、φtop得到差分干涉相位φdiff如下

其中φdiff為差分干涉相位，φflat_error為衛(wèi)星軌道誤差所導(dǎo)致的殘余平地相位，φtop_error為外部DEM高程誤差所引入的地形相位誤差，φdef為兩次成像間地表形變相位，φatm為大氣相位，φnoi為噪聲。

對式（2）多次回歸分析，逐步分離去除平地、地形殘余相位，去除大氣、噪聲相位，即可獲取地表形變信息[23]。

3 海原斷裂震間CRInSAR形變分析

3.1 CR點(diǎn)強(qiáng)度、相位分析

在海原斷裂架設(shè)了數(shù)十臺(tái)鋁制材料制成的角反射器（CR點(diǎn)），如圖1所示。設(shè)計(jì)邊長為1.5 m的三角錐形，按預(yù)先設(shè)定確定角反射器分布方位及錐形開口朝向、俯仰角等，以確保角反射器有最大散射截面保證其在影像中的相位穩(wěn)定性。角反射器實(shí)地架設(shè)如圖2（a）所示，CR接收、反射SAR衛(wèi)星微波信號如圖2（b）所示。由圖2（b）可見，角反射器底三角錐矩形區(qū)域部分反射信號最強(qiáng)，箭頭表示入射信號及回波反射信號。

圖2 角反射器實(shí)地架設(shè)（a）及接收、反射SAR衛(wèi)星微波信號示意圖（b）

圖3 角反射器（CR點(diǎn)）強(qiáng)度、相位特征圖

對角反射器（CR點(diǎn)）在TerraSAR影像上的強(qiáng)度（intensity）、相位（phase）特征進(jìn)行了有效識(shí)別，如圖 3 所示。 圖 3（a）、（b）四角星所圍部分為角反射器在影像上強(qiáng)度表象，表現(xiàn)出中心為高亮斑的十字絲狀，該中心亮斑對應(yīng)角反射器回波反射示意圖2(b)中的強(qiáng)反射區(qū)。十字絲中心亮斑強(qiáng)度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背景值，強(qiáng)度值達(dá)107～108量級，如龔家灣CR點(diǎn)強(qiáng)度值為 6.164×107（圖 3（a）橢圓所圈）。 雷達(dá)后向散射截面（Radar Cross Section，RCS）是度量雷達(dá)信號反射強(qiáng)度大小的一個(gè)重要指標(biāo)，RCS越大，說明信號反射強(qiáng)度越大。三角錐形角反射器的 RCS 計(jì)算公式為 σmax=（4πa4）/（3λ2），σmax為雷達(dá)最大散射截面，a為角反射器邊長，λ為雷達(dá)波長。 式 σ（dB·m2）=10log[σ（m2）]為雷達(dá)散射截面與信噪比dB值之間的等量關(guān)系，dB值表示單位面積的RCS。CR點(diǎn)信噪比dB值高達(dá)77.899。大量級強(qiáng)度值、高信噪比可有效保證CR回波信號的穩(wěn)定性，確保形變監(jiān)測精度。同時(shí)從SAR影像中分離出相位信息，分析 CR 點(diǎn)在影像上的相位特征，如圖 3（c）、（d）所示，四角星所圍為CR點(diǎn)在相位圖上表象，CR相位表現(xiàn)出與強(qiáng)度相似特征，中心為淺灰色塊狀亮斑，相較于影像背景相位的雜亂無章，CR塊狀相位穩(wěn)定一致，如圖3（c）、（d）所示2個(gè)CR點(diǎn)都表現(xiàn)出塊狀規(guī)則相位特征，該塊狀相位也對應(yīng)于圖2（b）中的強(qiáng)反射區(qū)。在CRInSAR震間形變研究中利用該相位穩(wěn)定性進(jìn)行形變監(jiān)測。

3.2 CR點(diǎn)形變監(jiān)測

利用CR點(diǎn)的穩(wěn)定相位進(jìn)行斷裂微小形變監(jiān)測。通過野外GPS實(shí)測區(qū)域內(nèi)CR點(diǎn)高程值（見表2，高于SRTM 3″DEM精度）來模擬地形、平地相位，對CR相位做時(shí)序差分干涉。解纏CR點(diǎn)時(shí)序差分相位，解算得CR點(diǎn)形變速率，結(jié)果如圖4所示。

表2 CR點(diǎn)實(shí)測GPS高程值

圖4 海原斷裂CR點(diǎn)形變速率圖

由圖4可知位于斷裂南、北兩盤CR點(diǎn)顏色具有明顯差異，顏色表示CR形變速率。解算參考點(diǎn)（圖4圓點(diǎn)）選在斷裂南盤，故位于斷裂南盤的CR點(diǎn)相較于參考點(diǎn)無相對運(yùn)動(dòng)，均表現(xiàn)為淺灰色，量級在0 mm/a附近。斷裂北盤有3個(gè)CR點(diǎn)為白色，其形變速率為-2.1 mm/a，斷裂附近有1個(gè)深灰色CR點(diǎn)，其形變速率為-4.2 mm/a。北盤另有2個(gè)CR點(diǎn)為黑色，其形變速率為1.5 mm/a，為正值與北盤負(fù)值形變趨勢不一致。為進(jìn)一步分析這2個(gè)正值CR點(diǎn)，野外實(shí)地考察研究區(qū)CR，發(fā)現(xiàn)雙墩角反射器（CR點(diǎn)）下堆疊了一些木材，還有少量木材在角反射器內(nèi)部，對角反射器回波信號造成一定干擾，如圖4（b）所示。綜觀斷裂南北兩盤運(yùn)動(dòng)差異，及所用TerraSAR影像為降軌數(shù)據(jù)，形變結(jié)果為負(fù)值時(shí)表明該CR點(diǎn)為遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向運(yùn)動(dòng)，即自東向西運(yùn)動(dòng)，正值則相反。結(jié)合該斷裂地質(zhì)背景，利用CR解算海原斷裂震間形變表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動(dòng)趨勢，南北兩盤相對運(yùn)動(dòng)差異為2.1～4.2 mm/a。與張培震等[24]利用沖溝位移測算，劉金瑞、任治坤等[25]基于Lidar數(shù)據(jù)地貌測年獲得該斷裂平均滑動(dòng)速率4.0～4.3 mm/a結(jié)果較一致。

4 天景山斷裂PSInSAR形變分析

采用PSInSAR技術(shù)監(jiān)測天景山斷裂震間微小形變。如圖5所示，9個(gè)干涉對空間垂直基線分布范圍較廣（見表 1），其中干涉對（a）、（d）、（e）、（f）、（g）空間垂直基線處于±100 m 之內(nèi)，PS 點(diǎn)差分干涉相位結(jié)果較好，PS 點(diǎn)顏色表示差分干涉相位值，從圖中可得干涉對（a）、（d）、（e）、（f）、（g）橢圓內(nèi) PS 點(diǎn)灰白色過渡平緩，說明干涉相位穩(wěn)定可靠。研究區(qū)左上角為山間峽谷平地，包括同心縣（圓所圈）及山間河川平地（橢圓所圈），平地上PS點(diǎn)相干性更高，相位表現(xiàn)也更穩(wěn)定。

圖5 天景山斷裂時(shí)序差分干涉圖

采用線性回歸函數(shù)模型，9個(gè)干涉對差分相位回歸分析斷裂震間形變，解算PS點(diǎn)形變速率。9個(gè)干涉對差分相位整體較好，有部分相位噪聲PS點(diǎn)，故在回歸分析中采用以相位標(biāo)準(zhǔn)差為閾值，逐步剔除不可靠PS噪聲點(diǎn)。圖6為基于不同相位標(biāo)準(zhǔn)差閥值逐步剔除噪聲點(diǎn)得到的形變速率解算結(jié)果。當(dāng)相位標(biāo)準(zhǔn)差為5.0時(shí)，對所有PS點(diǎn)進(jìn)行回歸分析解算，形變結(jié)果包含458 565個(gè)PS點(diǎn)，如圖6（a）所示PS點(diǎn)覆蓋較密，平地區(qū)域PS點(diǎn)主要分布在山間平地（灰白色部分），部分PS點(diǎn)位于圖內(nèi)山區(qū)（暗黑色部分），斷裂南北兩盤PS點(diǎn)顏色具有明顯差異，斷裂北盤PS點(diǎn)主要表現(xiàn)為淺灰色，南盤PS點(diǎn)主要表現(xiàn)為深黑色。但從圖6（a）得斷裂北盤橢圓內(nèi)有部分深灰色PS點(diǎn)，與北盤PS點(diǎn)主要表現(xiàn)淺灰色不一致。該部分與趨勢不一致的PS點(diǎn)為不可靠噪聲點(diǎn)。在后續(xù)PS點(diǎn)回歸分析中分別采用相位標(biāo)準(zhǔn)差1.2、0.8、0.5、0.3為閥值，通過逐步降低相位標(biāo)準(zhǔn)差來進(jìn)一步剔除不可靠 PS 噪聲點(diǎn)。 對比圖 6（a）、（b）、（c）、（d）、（e），當(dāng)相位標(biāo)準(zhǔn)差降到 0.3 時(shí)橢圓內(nèi)與該盤運(yùn)動(dòng)趨勢不一致的深灰色PS噪聲點(diǎn)剔除干凈，斷裂北盤橢圓內(nèi)不再有與該盤運(yùn)動(dòng)趨勢不一致的PS點(diǎn)存在，如圖6（e）所示，得最終可靠PS點(diǎn)30 833個(gè)。

圖6 天景山斷裂PS點(diǎn)相位回歸分析

以相位標(biāo)準(zhǔn)差0.3回歸分析為最終形變解算結(jié)果，得圖7所示天景山斷裂PS點(diǎn)形變速率圖，PS點(diǎn)顏色表示形變速率，灰色為負(fù)值形變，遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向運(yùn)動(dòng)，即自東向西運(yùn)動(dòng)，正值則相反。由形變監(jiān)測結(jié)果得該斷裂也為左旋走滑運(yùn)動(dòng)趨勢。斷裂北盤PS點(diǎn)為負(fù)值形變，量級處于-2～-4 mm/a之間，北盤PS點(diǎn)平均形變速率為-2.4 mm/a；南盤PS點(diǎn)為正值形變，量級處于1～3 mm/a之間，南盤PS點(diǎn)平均形變速率為1.3 mm/a，南北兩盤相對平均形變差異為3.7 mm/a，左旋走滑運(yùn)動(dòng)。該結(jié)論與尹功明等[26]利用地質(zhì)地貌學(xué)研究該斷裂第四紀(jì)以來形變得滑移速率為5.18 mm/a相近。

圖7 天景山斷裂震間PS形變速率

5 結(jié)語

基于高分辨率TerraSAR影像分別采用CRIn-SAR、PSInSAR技術(shù)對青藏高原東北緣海原、天景山兩條斷裂開展了震間形變研究。在海原斷裂研究區(qū)架設(shè)了角反射器（CR點(diǎn)），分析了CR在3 m分辨率SAR影像中的強(qiáng)度、相位特征，得出1.5 m邊長三角錐形角反射器在TerraSAR影像上表現(xiàn)為中心亮斑的十字絲狀，中心亮斑強(qiáng)度值最高且相位信息最穩(wěn)定。CR具有相位穩(wěn)定特征，但利用CR進(jìn)行形變監(jiān)測時(shí)需對CR在野外架設(shè)狀態(tài)持續(xù)考察、維護(hù)，防止人為破壞、外界干擾等影響形變監(jiān)測精度。采用CRInSAR技術(shù)監(jiān)測得海原斷裂震間形變速率為2.1～4 mm/a，具有左旋走滑的運(yùn)動(dòng)特征。在天景山斷裂開展了PSInSAR震間形變研究，得出對于地質(zhì)地貌復(fù)雜的山區(qū)，PS點(diǎn)質(zhì)量較城區(qū)而言相對較低，通過采用相位標(biāo)準(zhǔn)差為閾值，可逐步剔除不可靠PS噪聲點(diǎn)，最終解算出天景山斷裂震間平均形變速率為3.7 mm/a，亦為左旋走滑的運(yùn)動(dòng)特征。