基于D-InSAR技術(shù)的瀘定地震形變場(chǎng)提取與震后災(zāi)害防治

韓建鋒　焦?jié)櫝伞∧馅S　趙丹凝　馬曉雪　倪璇　馬馳

摘 要：2022年9月5日四川省甘孜州瀘定縣發(fā)生Ms 6.8地震，提取同震形變場(chǎng)，對(duì)指導(dǎo)救災(zāi)、地震破裂分析具有重要意義。利用D-InSAR技術(shù)基于二軌差分法處理覆蓋瀘定地震影響范圍內(nèi)的兩景Sentinel-1A數(shù)據(jù)，通過調(diào)整處理方法與參數(shù)，提取了該地震的同震形變場(chǎng)。結(jié)果表明，同震變形區(qū)主要分布于鮮水河斷裂西側(cè)，以震中為中心，南北分為沉降區(qū)與隆升區(qū)，雷達(dá)視線向最大形變量分別為9.5 cm和17.3 cm。強(qiáng)震變形引發(fā)大量次生地質(zhì)災(zāi)害，并易形成地震—崩塌、滑坡—泥石流鏈?zhǔn)綖?zāi)害，震中及強(qiáng)變形區(qū)應(yīng)加強(qiáng)次生地質(zhì)災(zāi)害防治及泥石流預(yù)防。

關(guān)鍵詞：瀘定地震；D-InSAR技術(shù)；同震形變；災(zāi)害防治

D-InSAR deformation field extraction for an earthquake in Luding， Sichuan

HAN Jianfeng， JIAO Runcheng， NAN Yun， ZHAO Danning， MA Xiaoxue， NI Xuan， MA Chi

（Beijing Institute of Geological Hazard Prevention， Beijing 100120， China）

Abstract： On September 5， 2022， an Ms 6.8 earthquake struck Luding County， Sichuan Province， China. The extraction of co-seismic deformation field is of great significance for guiding disaster relief and earthquake rupture analysis. The isoseismic deformation field of this earthquake was extracted by adjusting the processing method and parameters using D-InSAR technique based on the two-track differential method to process two views of Sentinel-1A data covering the influence area of the earthquake. The results show that the co-seismic deformation area is mainly distributed on the west side of Xianshuihe fault， centered on the epicenter， and divided into subsidence area and uplift area in the north and south. The maximum shape variable of radar line of sight is 9.5 cm and 17.3 cm， respectively. The strong earthquake deformation causes a large number of secondary geological disasters， and is easy to cause earthquake-collapse， landslide-debris flow chain disasters. The prevention of secondary geological disasters and debris flow should be strengthened in the epicenter and strong deformation areas.

Keywords： Luding earthquake; D-InSAR technique; co-seismic deformation; Disaster prevention and control

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，北京時(shí)間2022年9月5日12：52：18，在四川甘孜州瀘定縣發(fā)生Ms 6.8地震，震源深度16 km。截至9月13日17時(shí)，地震已造成93人遇難，導(dǎo)致11萬余人受災(zāi)，5萬余間房屋損壞，道路、電力基礎(chǔ)設(shè)施受損，同時(shí)誘發(fā)多處滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害。分析地面破裂位置、走向、受災(zāi)范圍、地表形變量等數(shù)據(jù)可在震后災(zāi)害防治研究中發(fā)揮重要作用，如何快速準(zhǔn)確獲取震區(qū)的地表形變量尤為重要。

傳統(tǒng)測(cè)量方法并不能得到大范圍的震區(qū)形變信息，雷達(dá)差分干涉技術(shù)（D-InSAR）是一種非接觸式測(cè)量方法，具有全天時(shí)、全天候、高精度的優(yōu)點(diǎn)，可以在地震形變監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。國內(nèi)學(xué)者使用InSAR技術(shù)應(yīng)用于地震觀測(cè)領(lǐng)域，如申文豪等（2019）聯(lián)合GPS與InSAR技術(shù)對(duì)九寨溝地震的震源破裂滑動(dòng)進(jìn)行反演，余祥偉等（2020）基于D-InSAR技術(shù)對(duì)長(zhǎng)寧地震進(jìn)行分析研究，反演出了斷層滑動(dòng)特征，余鵬飛等（2022）聯(lián)合SAR數(shù)據(jù)和光學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)門源地震進(jìn)行反演研究。這些研究成果推動(dòng)了地震研究的不斷發(fā)展，提高了抗震救災(zāi)的應(yīng)急能力。

為解決震后快速評(píng)估地震危險(xiǎn)性，加快震后防治次生地質(zhì)災(zāi)害，本文采用Sentinel-1A數(shù)據(jù)開展D-InSAR技術(shù)的形變場(chǎng)提取研究，獲取震區(qū)雷達(dá)視線向的形變場(chǎng)，應(yīng)用簡(jiǎn)化的Newmark方法對(duì)瀘定縣田壩鄉(xiāng)進(jìn)行地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并對(duì)震后次生災(zāi)害提出防治建議。

2? 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1? 研究區(qū)域

瀘定縣位于甘孜藏族自治州東南部，地處川西高原與四川盆地的過渡地帶。區(qū)內(nèi)地勢(shì)西高東低，地貌受河流侵蝕與冰川侵蝕影響，呈現(xiàn)高山峽谷地貌。瀘定境內(nèi)斷層與褶皺發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍（趙陽，2018）。

鮮水河活動(dòng)斷裂帶是一條北西走向的弧形左旋走滑斷裂帶，是中國陸內(nèi)活動(dòng)性最強(qiáng)的斷裂帶之一（白明坤等，2022）。該斷裂帶附近在歷史上曾發(fā)生多次地震，1700年至今共發(fā)生Ms 6.0級(jí)以上地震22次，Ms 7.0級(jí)地震8次。相關(guān)研究表明，2008年汶川地震和2013年蘆山地震后，鮮水河斷裂帶庫倫應(yīng)力明顯增加，具備發(fā)生大地震的條件（蔣廷臣等，2013；鐵瑞等，2016）。2022年9月5日瀘定發(fā)生強(qiáng)震，震中位于鮮水河斷裂東段的磨西斷裂附近，本文選取震中周邊作為研究區(qū)域（圖1），地理坐標(biāo)為：東經(jīng)101°10′24″至102°53′12″，北緯28°58′48″至30°16′19″。

2.2? SAR數(shù)據(jù)概況

本文SAR數(shù)據(jù)選取覆蓋震中區(qū)域的C波段Sentinel-1A升軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)，成像模式為干涉寬幅模式，空間分辨率為5 m × 20 m，極化方式為VV。選取地震前后的SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其中衛(wèi)星拍攝時(shí)間為2022年8月26日與2022年9月7日，空間基線為208.3 m，時(shí)間基線為12 d，數(shù)據(jù)覆蓋范圍與研究區(qū)域范圍一致。DEM數(shù)據(jù)為水平精度30 m，高程精度16 m的SRTM數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)面為WGS-84。

3? 數(shù)據(jù)處理流程

本文基于D-InSAR技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體流程如圖2所示。

3.1? 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于哨兵一號(hào)數(shù)據(jù)成像采用TOPS模式（terrain observation with progressive scans），考慮到該模式的成像特性，采用粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)的方式，實(shí)現(xiàn)0.001像元的配準(zhǔn)精度。對(duì)配準(zhǔn)后的影像進(jìn)行差分干涉，得到差分結(jié)果。由于衛(wèi)星傳感器存在熱噪聲，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在隨機(jī)誤差，在影像上表現(xiàn)為隨機(jī)噪聲，進(jìn)而影響干涉質(zhì)量，所以需要對(duì)差分干涉相位進(jìn)行濾波。本文采用adaptive濾波算法進(jìn)行濾波（徐小波等，2020；楊瑩輝等，2017），該算法具有速度快、效率高、濾波效果好的優(yōu)點(diǎn)，采用的兩次濾波窗口均為32×32，圖3-a和圖3-b分別表示相干性系數(shù)濾波前后效果，圖3-c和圖3-d分別表示差分干涉相位濾波前后效果。由圖3可知，濾波后干涉相位質(zhì)量提高，干涉條紋明顯，隨機(jī)噪聲去除后，有利于下一步解纏處理。

3.2? 相位解纏

相位解纏算法較為成熟，本文采用最小費(fèi)用流算法（Minimum Cost Flow，MCF），在解纏處理前，根據(jù)干涉圖相干系數(shù)進(jìn)行掩膜，將相干系數(shù)低于閾值的點(diǎn)去除，對(duì)高于閾值的點(diǎn)構(gòu)建Delaunay網(wǎng)，之后對(duì)相位進(jìn)行解纏。

3.3? 地理編碼

通過計(jì)算得到視線向的地表形變信息后，需要將結(jié)果從雷達(dá)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)系。將雷達(dá)坐標(biāo)系下的形變數(shù)據(jù)通過一定的幾何校正方法，轉(zhuǎn)化為WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。圖4為地理編碼后的瀘定地震同震形變圖。因大氣相位遠(yuǎn)小于地震引起的形變相位，故在處理中并未進(jìn)行大氣校正。

4? 結(jié)果與討論

4.1? 同震形變結(jié)果分析

1）根據(jù)同震變形與斷裂帶分布情況，在震中周邊存在明顯的地表變形。變形區(qū)以震中為中心，影響范圍南北長(zhǎng)約60 km，東西寬約35 km，面積近2 000 km2。根據(jù)D-InSAR結(jié)果，變形區(qū)北側(cè)為沉降區(qū)，南側(cè)為隆升區(qū)，其中沉降區(qū)雷達(dá)視線向最大形變量為9.5 cm，隆升區(qū)雷達(dá)視線向最大形變量為17.3 cm。

2）由圖4可知，同震變形基本發(fā)生于8～9°地震烈度帶內(nèi)，鮮水河斷裂的西側(cè)，東側(cè)變形與西側(cè)相比較弱。隆升區(qū)與沉降區(qū)南北對(duì)立，二者均呈中心團(tuán)塊狀分布特征，隆升或沉降區(qū)中部變形較集中，隨著距離中心越遠(yuǎn)，變形趨弱。震中基本位于變形區(qū)中心，稍微偏向沉降區(qū)域。

3）從地域來看，形變區(qū)域主要涉及磨西鎮(zhèn)、燕子溝鎮(zhèn)、得妥鎮(zhèn)、德威鎮(zhèn)、冷磧鎮(zhèn)、王崗坪彝族藏族鄉(xiāng)、新民藏族彝族鄉(xiāng)、安順場(chǎng)鎮(zhèn)、草科藏族鄉(xiāng)。此外，國家5A級(jí)旅游景區(qū)海螺溝亦位于變形區(qū)內(nèi)（震中區(qū)域），受地震影響較大。

根據(jù)光學(xué)數(shù)據(jù)解譯的災(zāi)害體進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析，地震誘發(fā)的地震災(zāi)害主要分布于王崗坪彝族藏族鄉(xiāng)、草科藏族鄉(xiāng)、得妥鄉(xiāng)。在縣域分布具有指數(shù)遞減特征（圖 5），其中，王崗坪彝族藏族鄉(xiāng)災(zāi)害數(shù)量占總數(shù)的41.7%，在分布上又具有集中性（宋洪偉等，2011）。

4.2? 地震次生災(zāi)害防治討論

1）受強(qiáng)震影響，形變區(qū)域往往發(fā)育眾多崩塌、滑坡災(zāi)害，震中及同震變形較大區(qū)域，次生災(zāi)害尤其發(fā)育。根據(jù)成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)報(bào)道，國道318瀘定段、冷磧鎮(zhèn)和磨西鎮(zhèn)等道路沿線崩塌較為發(fā)育，牛背山大橋、大壩村附近、什月河壩等多處發(fā)生滑坡災(zāi)害。這些區(qū)域位于磨西鎮(zhèn)、瀘定縣、德威鎮(zhèn)。在上述區(qū)域，除已發(fā)生的崩塌、滑坡災(zāi)害外，還應(yīng)注意因地震誘發(fā)的災(zāi)害隱患（王寶亮等，2022）。

本文采用簡(jiǎn)化Newmark模型對(duì)瀘定地震震區(qū)內(nèi)的田壩鄉(xiāng)進(jìn)行地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，其中判別值F的表達(dá)式如下（冉淑紅等，2014；陳曉利等，2010）：

F=0.079×I-35×C+0.018×A

式中，I表示坡度，C表示曲率，A表示地震動(dòng)加速度（m·s-2）。如果F≥0，表示坡體失穩(wěn)；若F<0，表示坡體穩(wěn)定。計(jì)算得到研究區(qū)域的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)判別分析公式，利用坡度、平均曲率和PGA數(shù)據(jù)得到F值，將計(jì)算結(jié)果按照表1的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為5 級(jí)，并計(jì)算各等級(jí)所占面積的比例。

結(jié)合表1和圖6可以看出，在判別分析方法給出的結(jié)果中，從高危險(xiǎn)至低危險(xiǎn)性級(jí)別所占面積的比例分別為0.4%、21.9%、68%、8.7%和0.9%，對(duì)于研究區(qū)域內(nèi)的滑坡高危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)在震后，汛期增加監(jiān)測(cè)手段。

2）瀘定地震影響范圍內(nèi)有大渡河由北向南穿過，河谷兩側(cè)發(fā)育多條支溝。上述流域受地震次生災(zāi)害影響，在未來防范崩塌、滑坡災(zāi)害的同時(shí)，還需防范泥石流的發(fā)生。其中磨子溝泥石流作為老泥石流 ，最近一次暴發(fā)在2013年，其威脅下游的約640名居民和設(shè)施，在地震后應(yīng)重點(diǎn)防范其再次暴發(fā)。

5? 結(jié)論

1）瀘定地震引起的同震變形主要位于鮮水河斷裂的西側(cè)，震中北側(cè)為沉降區(qū)域，南側(cè)為隆升區(qū)，雷達(dá)視向最大變形量分別為17.3 cm和9.5 cm，總影響范圍近2 000 km2。

2）磨西鎮(zhèn)、瀘定縣、德威鎮(zhèn)等地區(qū)受強(qiáng)震變形影響，崩塌、滑坡次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，其中草科藏族鄉(xiāng)地區(qū)變形量最大，磨西鎮(zhèn)位于震中附近，應(yīng)重點(diǎn)開展次生地質(zhì)災(zāi)害防治。

3）變形區(qū)內(nèi)主要發(fā)育15條溝谷，溝谷內(nèi)大量發(fā)育的次生地質(zhì)災(zāi)害極有可能在汛期成為泥石流物源，形成鏈?zhǔn)綖?zāi)害，磨西鎮(zhèn)、燕子溝鎮(zhèn)、得妥鎮(zhèn)、德威鎮(zhèn)、冷磧鎮(zhèn)、王崗坪彝族藏族鄉(xiāng)、新民藏族彝族鄉(xiāng)、安順場(chǎng)鎮(zhèn)、草科藏族鄉(xiāng)地區(qū)在開展地震誘發(fā)崩塌、滑坡災(zāi)害防治的同時(shí)，還需加強(qiáng)泥石流災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)防。

參考文獻(xiàn)

白明坤， CHEVALIER M L ， 李海兵， 潘家偉， 吳瓊， 王世廣， 劉富財(cái)， 焦利青， 張進(jìn)江， 張蕾， 龔正， 2022. 鮮水河斷裂帶乾寧段晚第四紀(jì)走滑速率及區(qū)域強(qiáng)震危險(xiǎn)性研究［J］. 地質(zhì)學(xué)報(bào)， 96（7）：2312-2332.

陳曉利， 周本剛， 冉洪流， 王明明， 2010. 汶川地震中擂鼓鎮(zhèn)地區(qū)的滑坡崩塌規(guī)律及預(yù)測(cè)［J］. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），40（6）：1371-1379.

蔣廷臣， 李陶， 劉經(jīng)南， 王秀萍， 2013. ScanSAR干涉測(cè)量汶川地震形變場(chǎng)［J］. 測(cè)繪科學(xué)，38（6）：7-9.

冉淑紅， 趙越， 2014. 北京市門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究［J］. 城市地質(zhì)， 9（4）：21-26.

申文豪， 李永生， 焦其松， 解全才， 張景發(fā)， 2019. 聯(lián)合強(qiáng)震記錄和InSAR/GPS結(jié)果的四川九寨溝7.0級(jí)地震震源滑動(dòng)分布反演及其地震學(xué)應(yīng)用［J］. 地球物理學(xué)報(bào)，62（1）：115-129.

宋洪偉， 夏凡， 龍文華， 殷夏， 2011. 四川省汶川大地震成因及次生災(zāi)害［J］. 城市地質(zhì)，6（2）：1-3，17.

鐵瑞， 王俊， 賈連軍， 郭明珠， 2016. 強(qiáng)震地震數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及其地表破裂特性研究［J］. 世界地震工程，32（1）：112-116.

王寶亮， 陳洪凱， 李輝良， 韋瑋， 2022. 震后G318瀘定段磨子溝泥石流治理研究［J］. 華北地震科學(xué)，40（1）：112-116.

徐小波， 馬超， 洪順英， 連達(dá)軍， 張迎峰， 2020. 基于InSAR分析2015年尼泊爾M_W7.8地震形變場(chǎng)特征及斷層滑動(dòng)分布反演［J］. 地震，40（4）：76-89.

楊瑩輝， 陳強(qiáng)， 徐倩， 張一君， 羅容， 胡植慶， 劉國祥， 王澤根， 王繼燕， 2017. 汶川地震SAR形變場(chǎng)電離層影響校正與斷層地表破裂線自動(dòng)提取［J］. 地球物理學(xué)報(bào)，60（8）：2948-2958.

楊珍， 張永志， 吳然， 張文軍， 葉凱， 2016. 基于D-InSAR技術(shù)的當(dāng)雄地震形變場(chǎng)提取研究［J］. 測(cè)繪工程，25（8）：5-10.

余鵬飛， 陳威， 喬學(xué)軍， 趙斌， 李剛， 熊維， 2022. 基于多源SAR數(shù)據(jù)的2022年門源Ms6.9地震同震破裂模型反演研究［J］. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），47（6）：898-906.

余祥偉， 薛東劍， 王海方， 2020. 基于D-InSAR的長(zhǎng)寧地震形變場(chǎng)提取與模擬［J］. 測(cè)繪通報(bào)，（5）：59-63.

趙陽， 2018. 基于GIS的瀘定縣地質(zhì)災(zāi)害的地貌環(huán)境特征研究［J］. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用（7）：195-196.

收稿日期：2022-10-18；修回日期：2023-01-04

基金項(xiàng)目：北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院公益項(xiàng)目（11000022T000001362678、11000022T000000439510、11000022T000000439502）資助

第一作者簡(jiǎn)介：韓建鋒（1996- ），男，碩士，助理工程師，主要從事衛(wèi)星和地基InSAR數(shù)據(jù)處理，遙感數(shù)據(jù)處理等方面研究工作。E-mail：2012190023@cugb.edu.cn

引用格式：韓建鋒，焦?jié)櫝桑馅S，趙丹凝，馬曉雪，倪璇，馬馳，2023.基于D-InSAR技術(shù)的瀘定地震形變場(chǎng)提取與震后災(zāi)害防治［J］.城市地質(zhì)，18（1）：104-109