D InSAR技术对地震同震形变场的研究

胡 波,汪汉胜

(1.中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量学重点实验室,湖北 武汉 430077;2.中国科学院研究生院,北京 100049)

D InSAR技术对地震同震形变场的研究

胡 波1,2,汪汉胜1

(1.中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量学重点实验室,湖北 武汉 430077;2.中国科学院研究生院,北京 100049)

合成孔径雷达差分干涉测量(D InSAR)可用于监测厘米级或更微小的地表形变,以揭示许多物理现象,如地震形变、火山运动、大气变化、冰川漂移、地面沉降以及山体滑坡等。DInSAR作为一种新型的空间对地观测技术,具有不受时间和空间的限制、对地物具有一定的穿透性等传统测量所不可比拟的优势,已得到较为广泛的应用。简要介绍D InSAR技术的基本原理及其处理流程,以Bam地震为例提取Bam地震的同震形变场。

合成孔径雷达差分干涉测量;地震形变;地面沉降;同震形变场

合成孔径雷达差分干涉测量技术(D InSAR)是以合成孔径雷达复数影像的相位信息获取地表变化信息的技术,是合成孔径雷达卫星应用的一个拓展。雷达图像的差分干涉图可用于监测厘米级或更微小的地球表面形变。1989年 Grabriel等首次论证了D InSAR技术可用于探测厘米级的地表形变,并用Seasat L波段SAR数据测量美国加利福尼亚州东南部的英佩瑞尔河谷(Imperial Valley)灌溉区的地表形变[1]。但他的工作没有得到足够的重视,直到1993年M assonnet等人利用ERS1/2 SAR数据采集了1992年的Landers地震(M=7.2)的形变场,并将D InSAR的测量结果与其它类型的测量数据以及弹性形变模型进行比较,结果相当吻合,研究成果发表在《Nature》上,引起了国际地震界的震惊[2-4]。D InSAR从此发展成为一种专门监测地表形变的新技术,尤其在研究地震形变,火山运动,冰川漂移,地表沉降以及山体滑坡等方面表现出极好的应用前景。

1 D InSAR技术基本原理

要从包含形变信息的干涉相位中获取地表形变量,需要从干涉相位中去除参考面相位和地形相位的影响。参考面相位一般利用干涉几何和成像参数,通过多项式拟合得以去除。对于地形相位,需要利用多余的SAR观测数据或已知的DEM,通过二次差分处理消除。根据去除地形相位采用的数据和处理方法的不同,D InSAR技术主要分为二轨法和三轨法,前者利用外部高精度地面数字高程模型来模拟地形相位,然后从整体干涉图中减去模拟的地形相位就得到仅包含形变相位的差分干涉图;后者利用3幅影像生成2幅干涉图,其中一幅干涉图是地表变化前产生的,主要获取地形相位,另外一幅干涉图是由2个形变前后的SAR影像生成,包含了地形相位和形变相位,这样通过去除地形相位就可以得到差分干涉图[5-6]。下面以二轨法为例,介绍D InSAR技术的基本原理。

二轨法首先利用一对跨越形变期的SAR影像进行干涉处理,得到包含形变信息的干涉相位。然后利用外部DEM,消除地形信息的影响。很显然,反演的干涉相位不含形变信息,也不受大气效应及其它噪声的影响。最后将干涉处理获得的相位和利用已知DEM反演的干涉相位进行二次差分处理,去除掉干涉相位中的地形相位,得到只表征地表形变信息的相位,进而计算出地表的形变量[7-9]。

2 实验研究

为了测试D InSAR技术探测地震同震形变场的能力,以伊朗Bam地震为例进行实验。2003-12-26,伊朗东南部Bam地区发生了强度为6.6级的强烈地震,欧空局ENV ISA T卫星监测到Bam地震发生的全过程,因此,采用欧空局 ENV ISA T提供的两幅SAR影像,成像时间分别为 2003-12-03和2004-01-07。选取2003-12-03影像为主影像,2004-01-07影像为从影像,成像参数如表1所示。

表1 Bam地震SAR影像资料

差分干涉数据处理主要采用荷兰Delft大学开发的Do ris软件进行,经过配准、重采样、生成干涉图。去平地效应后的干涉图中包含有地形相位和形变相位,为了获得只包含形变相位的差分干涉图,必须去处掉干涉图中的地形相位,在这里是通过利用该地区的SRTM 3数据模拟在SAR干涉像对的空间基线条件下地表起伏所对应的地形相位,其主要步骤包括:①将DEM采样至干涉图像像元大小;②基于多普勒、斜距和椭球方程将SRTM 3数据转换到干涉像对的坐标系统中并模拟干涉相位;③从总相位中减去模拟的地形相位等。实验步骤如下:

1)主从影像的读取。图1为主影像幅度图,图2为从影像幅度图。

2)从影像的过采样。图3为从影像过采样图。

图3 从影像过采样图

3)主从影像的配准。图4为主从影像配准图。

配准的目的就是找出主辅影像上的同名点,将它们对应起来,为计算干涉相位做准备。配准的基本步骤包括3步:①粗配准;②像元级配准;③精配准。配准后根据匹配模型对辅影像进行重采样或內插处理。

4)干涉图的生成。图5为相干图,图6为未去平地的干涉相位图。

利用配准后的主从影像数据进行复共轭相乘,即对图像每点对应的幅度进行平均处理,把相位做差处理,然后将计算结果灰度化显示出来,即生成相干图和复干涉图。

5)去平地效应、滤波。图7为去平后干涉相位图,图8为滤波后干涉相位图。

即使平地上的两点也会存在椭球相位,这与参考椭球面有关。为了获得形变信息,必须有效去除平地相位。

6)利用外部DEM数据进行二次差分干涉。图9为差分干涉相位图。

图9 差分干涉相位图

图9为Bam地震数据生成的同震形变干涉图,图中每个彩色条纹表示2.8 cm的雷达视线向位移值,东北象限内有10个干涉条纹,表示卫星视线向地表形变(沉降)约为28 cm,东南象限有7个干涉条纹,地表形变(隆起)约为19.6 cm,干涉图的左上角的干涉条纹不明显,分析其原因可能是干涉数据严重失相关引起的。将得到的差分干涉结果与国际上几个著名研究机构公开发表的结果相一致,分别如图10、图11、图12所示,因此,D InSAR技术将为今后的地震和板块运动研究提供新的技术手段。

3 结 论

通过实验可以看出,利用D InSAR技术可以快速、准确地监测出大面积区域内的地震形变场,与常规监测方法相比,D InSAR技术不仅省时省力,而且花费较少。结果表明,D InSAR技术可以获取更为丰富的地震引起的地表形变信息,其在地震形变研究中将具有非常广阔的应用前景。但是作为一种新兴的遥感监测技术,D InSAR技术在很多方面还存在一些不足,在实验过程中发现,虽然实验采用的两副数据相干性较好,但制约D InSAR技术的时空去相关和大气效应影响因素依然存在。如何在以后的研究中更加有效地去除这些失相干因素的影响还有待进一步的研究。

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Research on extract earthquake co-seism ic deformation by
Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar

HU Bo1,2,WANG Han-sheng1
(1.Key Laboratory of Dynamic Geodesy,Institute of Geodesy and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430077,China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar(D InSAR)can monitormovementson earth surface at centimeter or even more minute levels.Therefore,many earth physical phenomena can be discovered and analyzed,such as earthquake,volcano,atmospheremeteo rology,ice sheetmovement,subsidence,landslide,and so on and so fo rth.A s a new space geodetic technique,D InSAR has mo re advantages than traditional geodetic technique such as all w eather,24-hour continues surveying and ability to penetrate into substances on the each.This paper introduces the basic p rincip les of D InSAR and p rocessing flow,and derives the Bam co-seismic deformation by the examp le of Bam earthquake.

D InSAR;earthquake deformation;land subsidence;co-seismic

P542

A

1006-7949(2010)01-0009-04

2009-05-18

国家杰出青年科学基金资助项目(40825012);国家自然科学基金资助项目(40574010);中科院优博专项基金(0405061037)

胡 波(1983-),男,博士研究生.

[责任编辑刘文霞]