利用ers12sar影像獲取西藏瑪尼地震的部分差分干涉圖

利用ers12sar影像獲取西藏瑪尼地震的部分差分干涉圖

0地表變形檢測合成孔雷達干擾測量技術(shù)（imar）是利用從合成孔中提取的相位信息為信息源獲得三維信息和變更信息的技術(shù)。它是利用空間上分開的兩副天線或同一天線在重復(fù)飛行的軌道上對同一區(qū)域進行兩次成像,得到的兩幅復(fù)圖像(包括強度信息和相位信息)經(jīng)配準后生成相位差圖像,利用相位差圖像來提取地面目標(biāo)的三維信息。雷達差分干涉測量(D-InSAR)由InSAR引申而來,它通過同一地區(qū)不同時相的兩幅干涉紋圖進行差分組合或采取外部DEM模擬,消除地形影響,探測地表形變信息?？捎糜跈z測雷達視線方向厘米級或毫米級的地球表面形變,能夠全天候長期獲取大面積、高精度、毫米級的緩慢地表變化信息,可以得到大范圍(數(shù)百千米×數(shù)百千米)的沉降趨勢,在地震形變監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測等方面已顯示了強大的優(yōu)越性。D-InSAR技術(shù)由于觀測結(jié)果的準確性和觀測方法的特殊性,如其得到的觀測結(jié)果是整個區(qū)域面的變形信息(而其他相同精度的觀測手段得到的只是一些點和線的形變觀測信息),它能對人員不能到達的危險地區(qū)的變形進行高精度監(jiān)測等,引起了科技界和工程界的廣泛關(guān)注。國際上研究利用D-InSAR技術(shù)測量地震形變,開始于20世紀90年代初。1993年,Massonnet等利用ERS1SAR數(shù)據(jù)成功地應(yīng)用InSAR技術(shù)監(jiān)測到美國Landers地震的地表形變;1994年,Zebker又對Massonnet的方法提出了改進;Fujiwara等利用JERS-1星載InSAR技術(shù)監(jiān)測到日本伊豆半島的地殼形變。國內(nèi),王超等人于2000年利用InSAR技術(shù)獲取了張北—尚義地震的同震形變;單新建等利用InSAR技術(shù)對2001年昆侖大地震同震形變場進行了分析;單新建等人還對西藏瑪尼地震震源的斷層參數(shù)進行了研究。目前,D-InSAR技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用,但是其需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題還有很多。同時,由于受到數(shù)據(jù)源的限制,其用于地震形變的提取在國內(nèi)例子還較少,所以有必要展開更多的研究和應(yīng)用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,利用ERS-1/2SAR影像進行了兩軌法D-InSAR提取地震形變的嘗試研究,并對獲得的結(jié)果進行了分析。1d-smar數(shù)據(jù)處理地震前后獲取的雷達影像生成的干涉圖包含地形相位和形變相位。為了獲取形變相位,必須去除地形相位,具體方法有兩軌法、三軌法、四軌法。兩軌法是利用震前和震后兩景影像,進行干涉處理,獲取干涉相位(包含地形相位和形變相位),利用外部DEM模擬在上述干涉像對的空間幾何條件下的地形相位,從干涉相位中減去之,就得到了形變相位。然后經(jīng)過相位解纏,解纏相位到形變量的轉(zhuǎn)換計算,地理編碼,得到地理坐標(biāo)下的形變量。圖1是兩軌法D-InSAR數(shù)據(jù)處理流程。兩軌法的關(guān)鍵是外部DEM與SAR主影像的配準。本文采用瑞士GAMMA公司開發(fā)的GAMMA雷達干涉處理軟件,具體流程如下:1)獲取干涉圖:以震前1996年4月16日獲取的ERS-2影像為主影像,震后1998年4月21日獲取的ERS-2影像為輔影像。經(jīng)配準、干涉、基線估計等步驟后得到干涉相位圖;2)SRTMDEM模擬地形相位:由于缺乏該地區(qū)高分辨率DEM,本文的外部DEM采用美國NASA公開的SRTMDEM來模擬地形相位,空間分辨率為3弧度秒,約為90m。首先將SRTMDEM與主影像進行配準,轉(zhuǎn)換到雷達坐標(biāo)系下,模擬地形相位。3)獲取形變量:從步驟1)中獲取的干涉圖中減去地形相位,得到差分干涉圖,經(jīng)過相位解纏,解纏相位到形變的計算,地理編碼,最終獲得形變量。2地表同震變形場及數(shù)據(jù)處理1997年11月8日,在西藏自治區(qū)那曲地區(qū)瑪尼鄉(xiāng)北約150km處發(fā)生了MS7.9地震,震中位于φN35.2°,λE87.3°。瑪尼地震發(fā)生在藏北高原北部長達270km的瑪爾蓋茶卡斷層附近。野外考察資料表明,瑪尼地震的地表同震破裂帶長120km,以左旋剪切為主,最大左旋位移量達4.5m,其東西兩側(cè)水平位移約2～3m,最大地裂縫帶寬度達300～400m。許力生等1999年的研究也表明,斷層性質(zhì)為左旋—逆走滑斷層,破裂方式為由西向東。西藏瑪尼地區(qū)氣候干燥,地表裸露,植被稀少,去相干因素少,非常適合利用D-InSAR技術(shù)提取地表同震位移場。本次實驗選取了震前1996年4月16日和震后1998年4月21日獲取的ERS-2SAR影像進行差分干涉,獲取同震形變信息。外部DEM采用美國NASA免費提供的SRTM3弧度秒分辨率的DEM(見圖2),數(shù)據(jù)處理采用瑞士GAMMA遙感公司開發(fā)的GAMMA軟件。表1是所用SAR影像的基本參數(shù)。3區(qū)分變形條紋的意義由于西藏瑪尼地區(qū)植被稀少,地表裸露,雖然時間間隔約兩年,但大部分地區(qū)的相干系數(shù)均在0.5以上(見圖3),總體干涉情況很好。圖4給出了差分干涉條紋圖,從中可以看出,形變條紋清晰可見,地震引起的斷裂位置十分明顯,距離斷層越遠條紋越稀疏,距離斷層越近則條紋越密集,并且差分干涉條紋呈現(xiàn)以震中為中心的平行向外拓展的模式,與地震形變規(guī)律相吻合。通過形變條紋的周期變化趨勢可以看出,斷裂帶以北的條紋向北東方向發(fā)散,斷裂帶以南向東南方向發(fā)散,形成左旋扭動的態(tài)勢,這一結(jié)果與野外考察所得結(jié)論一致。由于地震形變較大,所以差分干涉圖條紋清晰可辨,故根據(jù)條紋的數(shù)量定量的獲取視線向的形變量,也可根據(jù)衛(wèi)星的視角將視線向的形變量換算為水平形變量,這樣避免了相位解纏,不僅節(jié)省時間,而且避免了新的誤差引入。我們直接通過圖4中差分干涉條紋的色周數(shù)來定量的判斷由地震引起的雷達視線向形變量北盤最大約為0.7m,南盤最大約為0.8m。表明了兩軌法D-InSAR技術(shù)探測地震大范圍形變的巨大潛力和優(yōu)勢。需要指出的是,由于大氣效應(yīng)、基線估計誤差、外部DEM的誤差等的存在,我們認為圖4中遠離斷裂的上半部分為誤差,不是形變條紋。由于受數(shù)據(jù)的限制,本文只包含了瑪尼地震引起的部分斷裂,研究具有區(qū)域性。而單新建等的研究結(jié)果覆蓋了整個地震斷裂,是全局的。4斷層上盤和下盤計算本文嘗試利用兩軌法D-InSAR技術(shù)獲取了1997年瑪尼地震的部分形變,認為由地震引起的雷達視線向形變量北盤最大約為0.7m,南盤最大約為0.8m。表明了利用D-InSAR技術(shù)獲取地震形變的巨大潛力和優(yōu)勢。研究得到的是視線向相對形變量,即假定離斷裂帶遠處的某點形變量為0,得到的斷層上盤和下盤的最大形變量。如果有控制點,則可以得到整個地區(qū)的絕對形變量。另外,研究得到的形變量是雷達視線向的,而實際的形變可能是任意方向的,所以需要根據(jù)經(jīng)驗和地表實測數(shù)據(jù)建立形變模型模擬反演,才能確定形變機制。我國幅員遼闊,自然條件復(fù)雜,很多地區(qū)如青藏地區(qū)自然條件極其惡劣,很難也不太可能通過常規(guī)手段進行監(jiān)測,致使這些地區(qū)的監(jiān)測資料缺少。而InSAR技術(shù)不受這些因素的限制,具有全天候、全天時作業(yè)的優(yōu)勢,并且這些地區(qū)植被稀少,更利于發(fā)揮InSAR技術(shù)的優(yōu)勢。InSAR技術(shù)的應(yīng)用使我