【word】 利用三轨法D—InSAR技术获取玛尼地震形变

【word】 利用三轨法D—InSAR技术获取玛尼地震形变 利用三轨法D—InSAR技术获取玛尼地震 形变 第l8卷第2期 2009年4月 测绘工程 ENG1NEERINGoFSURVEYINGANDMAPPING Vo1.18?.2 Apr.,2009 利用三轨法D—InSAR技术获取玛尼地震形变 季灵运,刘瑞春,杨成生. (1.中国地震局第二监测中心,陕西西安710054;2.山西省地震局,山西太原030021;3.长安大学地测学院,陕西西安710054) 摘要:雷达差分干涉测量(【)IInsAR)技术以其高精度检测雷达视线向形变量的特性,在地学界得到广泛应用.利 用三轨法D-InSAR技术提取1997年11月8日西藏玛尼地震的部分垂直形变和水平形变,结果表明:断裂为左旋扭 动态势,北盘最大垂直位移约0.7Fn,南盘最大垂直位移约0.8m,北盘最大水平位移约1.6m,南盘最大水平位移约 2.4m.表明三轨法DInSAR技术用于探测地震形变的巨大潜力和优势. 关键词:D-InSAR;轨法;玛尼地震;形变量 中图分类号:P315文献标识码:A文章编 号:10067949(2009)020005—04 ObtainingdeformationofManiearthquake bythree-.passD_-InSARtechnique JILing-yun,LIURui—chun,YANGCheng—sheng. (1.SecondCrustMonitoringandApplicationCenter,Xi’an710054,China;2.EarthquakeAdministrationofShanxiProvince, Taiyuan030021.China;3.CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China) Abstract:DifferentialSARInterferometry(D—InSAR)couldrneasurelook -of-sightdisplacementprecisely andisusedwidelyingeomatics.ThispaperattainstheverticalandhorizontaldeformationofManiearth— quakeatNovember8,1997.Themaximumverticaldeformationandhorizontaldeformationofthenorth— ernrupturepartareabout0.7mand1.6mrespectively,andthecounterpartofthesouthernrupturepart areabout0.8mand2.4m.TheruptureiSleft—latera1.Thisresultindicatesthat InSARiSpotentialin detectingdeformationofearthquake. Keywords:D-InSAR;three-passmethod;Maniearthquake;deformation 合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)是以合成 孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源获取地表 的三维信息和变化信息的一项技术l_】].它是利用空 间上分开的两副天线或同一天线在重复飞行的轨道 上对同一区域进行两次成像,得到的两幅复图像(包 括强度信息和相位信息)经配准后生成相位差图像, 利用相位差图像来提取地面目标的三维信息. 雷达差分干涉测量(D-InSAR)由InSAR引申 而来,其通过同一地区不同时相的两幅干涉纹图进 行差分组合或采取外部DEM模拟,消除地形影响, 探测地表形变信息. I)_InSAR技术由于观测结果的准确性和观测 方法的特殊性,如其得到的观测结果是整个区域面 的变形信息(而其他相同精度的观测手段得到的只 收稿日期:2008—04—15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40574041) 作者简介:季灵运(1982,),男,助理工程师,硕士. 是一些点和线的形变观测信息),它能对人员不能到 达的危险地区的变形进行高精度监测等,引起了科 技界和工程界的广泛关注.国际上研究利用Din— SAR技术测量地震形变,开始于2O世纪9O年代 初.1993年,Massonnet等利用ERS1SAR数据成 功地应用InSAR技术监测到美国Landers地震的 地表形变_2],1994年Zebker又对Massonnet的方 法提出了改进[引.Fujiwara等利用JERS-1星载 InSAR技术监测到日本伊豆半岛的地壳形变]. 国内王超等人于2000年利用InSAR技术获取了张 北一尚义地震的同震形变l5];单新建等利用InSAR 技术对2001年昆仑大地震同震形变场进行的分 析[_6;单新建等人还对西藏玛尼地震震源的断层参 数进行了研究I7]. 测绘工程第18卷 目前,D-InSAR技术已得到广泛应用,但是其 需要解决的关键技术问题还有很多,同时由于受到 数据源的限制,其用于地震形变的提取在国内例子 还较少,所以有必要展开更多的研究和应用.本文 是在前人研究的基础上,利用ERS-1/2SAR影像 进行了三轨法D-InSAR提取地震形变的尝试研究, 并对获得的结果进行了分析. 1三轨法D-InSAR技术简介 关于InSAR的基本原理有很多文献都有详细 的推导和介绍,本文仅简单介绍三轨法的基本原理 以及操作步骤. 地震前后获取的雷达影像生成的干涉图包含地 形相位和形变相位.为了获取形变相位,必须去除 地形相位,具体方法有两轨法,三轨法和四轨法.本 文采用三轨法进行数据处理.三轨法是利用三景影 像生成两幅干涉纹图,其中一幅反映地形信息(两次 影像获取期间地壳没有发生明显的变形),另一幅反 映形变信息(两次影像获取期间地壳发生了明显的 变形),在消除平地效应后,分别进行相位解缠,最后 将两幅图像进行差分而得到地表沿视线方向的地形 变化,该方法的优点是无需地面信息如DEM,缺点 是相位解缠的质量将影响到最终的形变结果.本文 采用瑞士GAMMA雷达干涉处理软件进行了三轨 法D-InSAR处理,数据处理如图1所示. 的ERS-2影像为主影像,1996—04—15获取的ER1 影像为辅影像.经配准,干涉,去平,滤波,解缠等步 骤后得到了解缠的地形相位; 2)由变形对获取形变信息:以1996-04—16(震 前)获取的ERS-2影像为主影像,1998—04-21(震后) 获取的ERS_2影像为辅影像.同步骤1),经配准, 干涉,去平,滤波,解缠后得到含有地形和形变双重 信息的相位; 3)将步骤1)获取的地形干涉相位在变形对的 空间几何条件下模拟得到地形于涉相位,最后在总 的相位中减去它,得到的结果仅包含形变相位.然 后进行相位到形变量的转换计算,最后地理编码,得 到形变量. 2研究区域背景以及数据介绍 1997-11—08在西藏自治区那曲地区玛尼乡北约 150km处发生了MS7.9地震,震中位于35.2.N, 87.3.E.玛尼地震发生在藏北高原北部长达 270km的玛尔盖茶卡断层附近.野外考察资料表 明,玛尼地震的地表同震破裂带长120km,以左旋 剪切为主,最大左旋位移量达4.5m,其东西两侧水 平位移约2,3m,最大地裂缝带宽度达300, 400rn.许力生等1999年的研究也表明,断层性质 为左旋一逆走滑断层,破裂方式为由西向东_8]. 西藏玛尼地区气候干燥,地表裸露,植被稀少, 去相干因素少,非常适合利用D-InSAR技术提取地 表同震位移场. 本次实验中选取了震前1996—04—15和1996—04— 16两景ERl/2SAR追逐模式数据,用来获取高 精度地形信息.同时选取震后1998—04—21ER2 SAR数据,和震前1996—04—16获取的影像进行差分 干涉,获取同震形变信息.InSAR数据处理采用瑞 士GAMMA遥感公司开发的GAMMA软件.表1 是所用SAR数据的基本参数. 表1SAIl影像参数表 图1三轨法D-InSAR数据处理流程 本文的三轨法差分干涉数据处理具体流程如3三轨法D-InSAR结果 及分析 下:地形对采用了相隔仅ld的ER1/2SAR追 1)由地形对获取地形信息:以1996—04—16获取逐模式数据,在图像 观测区间未发生变形,图像的整 第2期季灵运,等:利用_二轨法D-InSAR技术获取玛尼地震形变 体相关性非常好,干涉条纹比较明显(见图2).干 涉条纹的疏密反映了局部地形特征.干涉条纹密集 的区域地形较陡,干涉条纹稀疏的区域反映地形相 对平坦.采用相同的处理步骤,得到变形对干涉图 (见图3),由于该地区植被稀少,地表裸露,虽然时 间间隔约2年,但大部分地区的相干系数均在0.5 以上,总体干涉情况很好,干涉条纹清晰可见,可以 看出,地震引起的断裂位置十分明显,距离断层越远 条纹越稀疏,距离断层越近则条纹越密集,并且干涉 条纹呈现以震中为中心的平行向外拓展的模式,与 地震形变规律相吻合.图3经过去除地形相位,解 缠形变相位到形变量的转换,地理编码,视线向形变 量到垂直向形变量的计算得到地震引起的垂直向形 变量,与主影像强度相叠加得到图4,图4中标出了 潮阳湖的位置,地震震中以及地震引起断裂的概略 位置,图4中每个色周代表10CiTI的垂直向形变量, 通过形变条纹的周期变化趋势可以看出,断裂带以 北的条纹向北东方向发散,断裂带以南是向东南方 向发散,形成左旋扭动的态势,这一结果与野外考察 资料一致,通过色周数可以看出北盘垂直位移最大 约0.7m,南盘垂直位移最大约0.8m.同理图5表 示地震引起的水平位移量,每个色周代表20cm的 水平位移量,可以看出北盘最大水平位移约1.6rfl, 南盘最大水平位移约2.4m.表明了三轨法D-In— SAR技术探测地震形变的巨大潜力和优势.需要 指出的是,由于大气效应,基线估计误差,地形对提 取DEM的误差等的存在,认为图4和图5中远离 断裂的上半部分为误差,不是形变量.形变条纹随 着远离断裂逐渐稀疏,符合地震形变的规律.由于 受数据的限制,本文只包含了玛尼地震引起的部分 断裂,研究具有区域性.而单新建__7]等的研究结果 覆盖了整个地震断裂,是全局的. 图2地形对干涉图 图3变形对干涉图 图4地震引起的垂直向相对形变量图(每色周代表l0tin) 图5地震引起的水平向相对形变量图(每色周代表20(In) 4结束语 本文得到的垂直向和水平向都是相对形变量, 即假定离断裂带远处的某点形变量为0,得到的整 幅图的形变量.如果有控制点,则可以得到整个地 区的绝对形变量.另外,得到的形变量是转换为垂 直向和水平向的,而实际的形变可能是任意方向的, 所以需要根据经验和地表实测数据建立形变模型模 拟,才能确定形变机制.由于地震形变较大,所以差 测绘T程第18卷 分干涉图一般条纹清晰可辨,也可根据条纹的数量 定量地获取视线向的形变量,可根据卫星的视角将 视线向的形变量换算为水平形变量l9],这样避免了 相位解缠,不仅节省时间,而且避免了新的误差引 人,而本文靠近断裂带的地区条纹密集无法辨别,故 需进行相位解缠以获得形变量. 我国幅员辽阔,自然条件复杂,很多地区如青藏 地区自然条件及其恶劣,很难也不太可能通过常规 手段进行监测,致使这些地区的监测资料缺失.而 InSAR技术不受这些因素的限制,具有全天候,全 天时作业的优势,并且这些地区植被稀少,更利于 InSAR技术优势的发挥.InSAR技术的应用对地 震孕育,地震同震形变的提取有了深入的认识.随 着1nSAR技术的日趋成熟以及越来越多高分辨率 星载SAR的发射(如意大利11TI高分辨率雷达卫星 系统首颗卫星COSM(5SkyMed一1,德国1in高分辨 率雷达卫星TerraSAR—X的成功发射),InSAR技 术应用于地震地表形变的实时监测也将成为现实. 参考文献 [1]王超,张红,刘智.星载合成孔径雷达干涉测量 EM].北京:科学出版社,2002. [2]MASS()NNETD,ROSSIM,CARMONAC,eta1.The displacementfieldoftheLandersearthquakemappedby radarinterferomtry[J].Nature,1993,364,364:138—142. [32ZEBKERH八Onthederivationofcoseismicdisplace— mentfieldsusingdifferentialradarinterferometry:the Landerearthquakes[J].J.Geophys.Res,1994,99(B10): 19617-19634. [4]FUJIWARSS.OZAwAS,TOBITAM,eta1.Crustal deformationfromthe1997M6.3andM6.2earthquakes inKyushu,Japan,detectedbyInSARtechnique[J]. EOS,2000,81(22):18. [5]王超,刘智,张红,等.张北一尚义地震同震形变场 雷达差分干涉测量[J].科学,2000,45(23):2550— 2556. [6]单新建,柳稼航,马超.2001年昆仑山口西8.1级地震 同震形变场特征的初步分析[J].地震,2004,26 (5):474—480. [72单新建,马瑾,王长林,等.利用星载D-InSAR技术获 取的地表形变场提取玛尼地震震源断层参数EJ].中国科 学(D辑),2002,32(10):837—844. E83单新建,马瑾,柳稼航,等.星载D-INSAR技术及初步 应用一,以西藏玛尼地震为例EJ].地震地质,2001,23 (3):439446. [9]单新建,张围宏.孕震区震前D-InSAR干涉形变场动态 演化图像分析[J].地震地质,2006,28(3):441—446. [责任编辑:刘文霞] (上接第4页) 究其原因在于它是建立在统计学习理论和结构风险 最小原理基础上的,能较好地解决小样本,非线性, 高维数和局部极小点等实际问题. 3)当跨距较长时,一些拟合数据虽然满足往返 高差闭合差的限差要求,但往测误差,或者返测误差 较大.因此,对于跨距较长的拟合数据,需要在满足 往返高差闭合差的限差要求的拟合数据中,选取部 分数据作为虚拟观测数据参与平差.为了保证虚拟 观测值的可靠性,可以分别利用支持向量机和神经 网络的方法进行高程异常差拟合,再挑选这两种拟 合方法的计算结果,往返高差不符值比较小的作为 虚拟观测参与平差. 参考文献 [1]刘经南,施闯,姚宜斌,等.多面函数拟合法及其在建立 中国地壳平面运动速度场模型中的应用研究[J].武汉大 学:信息科学版,2001,26(6):500503. [2]陈继光,赵成民.GPS桥梁高程控制网的人工神经网络 模型[J].国外公路,2000(2):51-54. [3]顾利亚,张新.GPS跨河高程测量的附加参数拟合法 [J].西南交通大学,1998(3):279—283. [4]许曦,朱建军,刘庆元,等.GPS跨障碍高程传递的初 步研究口].工程勘察,2003(6):40—43. [5]M.NORGAARD.Neuralnetworkbasedsystemidenti— ficationtoolbox.Tech.Report.00一E-891,Departmentof Automation[Z].TechnicalUniversityofDenmark, 2000. [6]吴兆福,宫鹏,高飞,等.基于支持向量机的GPS似 大地水准面拟合EJ].测绘,2004(4):303—306. [7]许曦.基于天文水准的GPS跨障碍高程传递研究 ED].长沙:中南大学,2002. [8]李建成,姜卫平.长距离跨海高程基准传递方法的研究 [DJ.武汉大学:信息科学版,2001,26(6):514517. [责任编辑:郝丽英]