PS－InSAR技术在西秦岭北缘断裂带地壳微小形变监测中的应用

孟秀军 屈春燕 单新建 马 超 徐小波

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作 454000

0 引言

西秦岭北缘断裂带位于青藏高原东北部，是中国一条重要的NWW向区域性活动断裂和地质构造分界线。该断裂带东起天水市西北的凤凰山南麓，大致往NWW方向延伸，经甘谷、武山、漳县、车厂沟、锅麻滩，延至楼勒山麓，全长约250km，往西延入青海境内。该断裂带在平面上具有分段性，由几条方向大致相近的断裂组成，大致可分为3段:1)断裂带东段(渭河堡—凤凰山段);2)断裂带中段(渭河堡—洮河段);(3)断裂带西段(洮河以西)为锅麻滩断裂(滕瑞增等，1994;袁道阳等，1999)。西秦岭北缘断裂带是发育历史悠久的超壳深断裂带，也是一条主要的强震发生带，其地震地貌类型丰富，横切一系列时代不同的山脊和阶地，穿越一系列规模不等的河流和冲沟。在该断裂带上先后发生过多次强烈地震，断裂带东段发生5级以上的地震达11次，其中6～7级地震5次(其中6.5级2次、7级2次)。断裂带中段震级较小，还没有5级以上的记录(袁道阳等，2007)。据康来迅等(1999)的分析，由于东段断裂左旋走滑运动强度最大和西段形态特殊的原因，所以地震活动频度较高、震级较大。断裂带东、西两端地震活动较强，中段较弱。

很多研究表明，断裂带会引起地壳形变也会产生一系列的地质灾害，比如地面塌陷、裂缝、山体开裂、滑坡等地质灾害(吴珍汉等，2005;徐志文，2006;张培震等，2008;王卫民等，2008;郭进京等，2009)。位于青藏高原东北缘的西秦岭也是滑坡、崩塌和泥石流地质灾害非常严重的地区。为了研究这条断裂带的现今活动特征，李延兴等(1996)在断裂带两侧布设了一个GPS网，共埋设14个GPS点，大多数GPS点分布在断裂带的东段和中段两侧。在1996年、1997年和1998年分别进行了3次观测。最后得出该断裂带区域的地壳总体上向SE方向运动，并且断裂带南侧的位移速率比北侧大3.8mm/a(李延兴等，1999)。康来迅(1994)根据野外地质调查和14C年代资料的分析研究该断裂带晚更新世晚期以来左旋走滑运动的强度，得到该断裂带渭河Ⅱ级阶地形成以来，东段左旋走滑运动速率为8.14mm/a，中段左旋走滑运动的平均速率为4.94mm/a，西段的形态特征为曲率较小的弧形，其运动速率比东段弱(康来迅等，1999)。李传友等(2005)利用全站仪测量的大比例尺地形等高线图得到冲沟的错位和冲沟附近沉积的14C的年龄，分析得到西秦岭北缘断裂带黄香沟段(位于整个断裂带的西段)全新世以来平均滑动速率为(2.94±0.15)mm/a。

测量断层活动引起的地壳形变现象是地震预测研究的一项重要内容，测定地壳形变的方法有很多，主要有地质学方法仪器测量、大地水准测量、GPS观测网等(张景发等，2006)。现今随着空间对地观测技术的发展，InSAR技术也为精确提取地壳形变场提供了有力的工具。利用该技术可以快速精准地获取同震及震后地表形变场的整体形态及变化特征，揭示地震引起的地表位移的空间分布、变化趋势及地震地表破裂带的几何形态与规模，进而为震源断层参数反演及地震成因机理的认识提供依据。但是轨道数据误差、相位解缠误差、大气误差和时间空间失相干会导致InSAR测量精度的降低，有时会导致干涉处理无法进行。而PS－InSAR技术大幅度提升了InSAR在地壳形变测量中的应用空间(朱建军等，2011)，其可以利用多时相的SAR影像和相对稳定像素点集来获取地表形变达到mm级的精度，在解决时间失相干的同时，计算并消除大气影响可以保证干涉处理的正常进行，大大提高了干涉测量的精度和可靠性(邢学敏等，2011)。目前，已有很多学者采用PS－InSAR技术用于断层活动的监测，并取得了较好的结果(姜文亮，2007;屈春燕等，2011)。

1 PS－InSAR技术基本原理

在重复轨道干涉测量中，大气、时间去相干和基线距去相干等因素大大降低了干涉的质量，使得干涉应用无法进行。Ferretti等(2001，2002)提出一项新的PS技术，可以结合多幅SAR影像进行综合相位分析，分离出地形残差，大气相位等相位分量，从而提取出形变信息。

PS－InSAR技术实质上仍是一种雷达差分干涉处理技术，但与D-InSAR技术不同的是，PS－InSAR技术充分利用在长时间间隔内仍保持高相干，并且小于像元尺寸的永久散射体，采用二维线性(或非线性)相位回归分析模型对高相干点的差分干涉相位回归分析获取微小形变，即使基线距的长度超过临界基线距也能够保持相干，克服了常规D-InSAR技术的空间、时间失相干和大气相位延迟等影响。

PS－InSAR是针对高相干像素点的相位处理，其干涉相位φint由形变相位φdef、地形相位φtopo、椭球体相位(平地相位)φflat、大气相位φatm及噪声相位φnoi等5部分组成:其差分相位φdiff由2次成像地表形变相位φdef、外部DEM高程误差所引入的地形相位误差φtopo_error、卫星轨道数据误差所导致的残余平地相位φflat_error、2次成像大气介质不均一性带来的残余大气相位φatm和残余噪声相位φnoi组成。

式(4)中:B⊥为空间垂直基线，R为雷达到地面目标的斜距，λ为微波波长，θ为微波信号入射角，Δh为地表形变高程相位，设地表形变为线性且形变速率为V，d=V·T，T为发生形变的时间间隔。

式(7)为相干目标点上的二维线性相位模型，回归分析以离散点目标上的差分相位φdiff为处理对象，通过多次迭代计算，去除残余相位中的相位误差，反复估计地形改正值和线性形变速率改正值，不断更新地形模型和线性形变速率模型，估计最佳Δherror和v，使得回归模型相位与观测的差分相位达到最佳拟合，这时得到最佳的线性形变速率模型。进一步计算形变相位和位移过程。

2 研究区数据处理与结果分析

2.1 研究区概况及SAR数据介绍

本文选用的实验区为断裂带东段甘谷县所在地区，如图1所示。该地区最高海拔3100m，平均海拔为1500～2000m，另外，陇海铁路与316国道一起沿渭河贯穿这个县城，渭河两岸为小冲积平原，地势平坦，有很多城镇和村落，且偏远的山区也有许多小的村庄，这些城镇的建筑物和小村庄以及裸露的山脊都为PS选点提供了良好的目标点源。

利用PS－InSAR技术监测地壳形变需要同一地区大量的影像以保证较高的计算精度。本次实验采用的是欧空局的ENVISAT ASAR降轨数据，从2008年5月至2010年9月共14景数据。ENVISAT卫星由欧空局2002年发射，搭载的雷达传感器ASAR工作波段为5.6cm(C波段)，外部DEM数据采用的是美国宇航局喷气推进实验室SRTM(90m分辨率)。所采用SAR数据干涉像对时空基线分布见表1。为了更好地研究断裂带的活动情况，并且提取到更多的PS点，本文选取了包含甘谷县城的横跨断裂带的区域，其范围约为16.5km×40.6km。

2.2 研究区PS－InSAR处理

本研究采用GAMMA软件的IPTA模块来处理所获得的雷达数据:

图1 研究区地理位置分布Fig.1 SRTM DEM of the test study area and SAR coverage.

(1)SAR影像的辐射校正。要对所有的SAR影像进行辐射校正，将时序SAR影像振幅值归化到同一基准，这样才具有可比性，探测出更准确可靠的PS点。

(2)主影像的确定和影像配准。主图像的选择要考虑多普勒中心、垂直基线、大气延迟相位和成像时间间隔等因素，根据这些因素，选取了2009年11月4日的影像作为主影像，其他的SAR图像都与此主影像来构成干涉对。然后，对所有干涉对进行偏移量估计，将各辅图像都重采样到主图像的几何空间，距离向、方位向的配准精度都要达到0.2 pixel。

(3)PS选点及参考点的选择。PS点的选取就是从SAR影像中挑选出那些散射特性强而且稳定的像素。研究区内只有渭河流域两岸为冲积小平原，甘谷县城位于此，因此县城城区的建筑物为PS选点提供了良好的目标源，在图中可以看出甘谷县城所选的PS点较密集，而山区较为稀疏。北部山区为六盘山余脉，南部为西秦岭山脉，在山区，PS点主要是山脊线和裸露的岩石。在IPTA中利用2种不同的点目标提取方法，一种是利用点目标特殊的光谱特征来识别点目标，另一种是基于散射强度的稳定性识别PS点。结合这2种方法得到初选的PS点共51390个点，如图2所示。因为甘谷县城平坦而且离断裂带较近，相对较稳定，所以参考点选在甘谷县城。

表1 所用SAR数据的基线分布Table1 Distribution of interference baseline

图2 平均强度图像(a)与所选PS点目标(b)Fig.2 The average intensity image(a)and selected point targets(b).

(4)PS点相位的差分干涉和回归分析。甘谷实验区是对14对干涉像对进行差分干涉处理。PS点的初始差分相位是从点的干涉相位中去除DEM模拟生成的点的地形相位。初始差分干涉相位噪声比较大，因为初始相位模型包含各种误差，例如形变相位、基线误差相位，大气相位和地形误差相位。

IPTA将通过多次回归分析，不断地进行各种误差的消除，并逐步逼近真实的线性形变模型。其中回归分析采用2种算法，分块回归分析和单块回归分析。综合这2种算法对高质量层多次进行回归分析，得到可靠参数估计，如图3中高程误差校正值逐渐减小，使得结果更接近真实值。同时通过观测残余相位的平滑程度来判断高质量的层，如图4中残余相位通过多次回归分析之后点颜色较平滑的表明解缠成功(图3，4中SAR图像范围见图2中黄色框范围)。

图3 不同回归次数点数据得到的高程校正对比Fig.3 The elevation correction of point data obtained by different regression.

图4 不同回归次数点数据得到的残余相位对比Fig.4 The residual phase of point data obtained by different regression.

2.3 处理结果和初步分析

通过上述一系列的处理，得到西秦岭北缘断裂带中甘谷实验区的PS形变速率分布图，进行地理编码后如图5所示:

图5 研究区形变速率图Fig.5 Deformation rate diagram of the test study area.

图5为处理得到的实验区点目标线性形变速率图。从图中可以看出，实验区所有点目标，色调分布还比较均匀，无局部非均匀色块。断裂北盘绿色点居多，断裂南盘，紫红色点居多，整体上这一区域的形变趋势一致。

北盘大多为绿色的点，值在－1～－2mm/a，南盘大多为紫红色的点，其值为3～4mm/a，两盘的相对滑动速率约为5mm/a。北盘形变方向为负，即卫星与地面点间距离的增加，在降轨右视模式下就表示点目标沉降或向西运动。南盘形变方向为正，即卫星与地面点间距离的减少，在降轨右视模式下就表示点目标隆升或向东运动。假设点目标只做水平运动，没有垂直运动，则北盘点目标的西向运动恰和南盘的点目标向东运动与西秦岭北缘断裂的左旋走滑方向一致，且南盘的位移速率要大于北盘。与李延兴等(1999)采用GPS观测的是整个西秦岭断裂带总体两盘相对滑动速率为3.8mm/a、康来迅等(1999)得出断裂带东段的走滑运动速率为8.14mm/a相接近。因此这一结果可以用来判断当前西秦岭北缘断裂带东段现今活动特征。

图6为抽取实验区4个PS点的累积位移曲线，点的位置见图5。从图6中可以看出这些点的形变过程有良好的线性形变趋势。点a和点b位于西秦岭北缘断裂带的北侧，点a的平均移动速率为－2.1mm/a，点b的平均移动速率为－1.6mm/a，点e和点d位于西秦岭北缘断裂带的北侧，点c的平均移动速率为3.5mm/a，点d的平均移动速率为4.2mm/a。从图6中也可以看出点a和点b累积位移量大体一致，点c和点d累积位移量大体一致。

图6 研究区部分点目标的形变历史曲线Fig.6 Deformation history curve of part of point targets in test study area.

3 结论

本文采用PS－InSAR技术监测西秦岭北缘断裂带甘谷地区的微小形变，得到2008—2010年断裂带北盘的运动速率为－1～－2mm/a，南盘的运动速率为3～4mm/a，符合其左旋走滑的特征。两盘的相对滑动速率约为5mm/a，这与李延兴等(1999)采用GPS测量的结果较一致。这也表明PS－InSAR可以较精确地监测到地壳微小形变。

由于目前只选取了断裂带东段的一部分作为实验区并获得其结果，为了全面监测西秦岭北缘断裂带的微小形变，需要进一步选取断裂带中段和西段进行试验，考虑到西秦岭断裂带复杂的地貌，可以设置一定数量的人工角反射器来提高监测的精度。

郭进京，韩文峰，李雪峰.2009.西秦岭断裂构造格架和活动特征对地质灾害的控制作用分析［J］.地质调查与研究，32(4):241—248.

GUO Jin-jing，HAN Wen-feng，LI Xue-feng.2009.The characteristics of the fault system and its controlling for the geological hazards in the western Qingling［J］.Geological Survey and Research，32(4):241—248(in Chinese).

姜文亮.2007.PS－InSAR技术监测断层活动性应用研究［D］:［学位论文］.北京:中国地震局地壳应力研究所.1—77.

JIANG Wen-liang.2007.Research on application of PS－InSAR technology on movement monitoring of active fault［D］.Ph D dissertation.Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing.1—77(in Chinese).

康来迅.1994.西秦岭北缘断裂带活动构造地貌特征及其形成机理［J］.华东师范大学学报(自然科学版)，(2):67—75.

KANG Lai-xun.1994.Morphologic characteristics and formation mechanism of the active tectonics along the North Fring Fault Zone of West Qinling Mountain［J］.Journal of East China Normal University(Natural Science)，(2):67—75(in Chinese).

康来迅，张新基，石雅镠，等.1999.西秦岭北缘断裂带地震危险段的研究［J］.华南地震，19(1):60—65.

KANG Lai-xun，ZHANG Xin-ji.SHI Ya-liao，et al.1999.A study on the earthquake risk segments of the North Fault Zone in West Qingling Mountain［J］.South China Journal of Seismology，19(1):60—65(in Chinese).

李传友.2005.青藏高原东北部几条主要断裂带的定量研究［D］:［学位论文］.北京:中国地震局地质研究所.

LI Chuan-you.2005.Quantitative studies on major active fault zones in northeastern Qinghai-Tibet Plateau［D］.Ph D dissertation.Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing(in Chinese).

李延兴，胡新康，康来迅.1999.GPS测量所揭示的西秦岭北缘断裂带现今活动特征［J］.中国地震，15(4):295—303.

LI Yan-xing，HU Xin-kang，KANG Lai-xun.1999.Current activity characteristics of the fault zone along the north margin of West Qinling Mountain revealed by GPS measurements［J］.Earthquake Research in China，15(4):295—303(in Chinese).

屈春燕，单新建，宋小刚，等.2011.基于PS－InSAR技术的海原断裂带地壳形变初步研究［J］.地球物理学报，54(4):984—993.

QU Chun-yan，SHAN Xin-jian，SONG Xiao-gang，et al.2011.The PS－InSAR technique and its application to the study on crustal deformation of the Haiyuan Fault zone［J］Chinese Journal of Geophysics，54(4):984—993(in Chinese).

滕瑞增，金瑶全，李西候，等.1994.西秦岭北缘断裂带新活动特征［J］.西北地震学报，16(2):85—90.

TENG Rui-zeng，JIN Yao-quan，LI Xi-hou，et al.1994.Recent activity characteristics of the fault zone at northern edge of West Qinling Mt［J］.Northwestern Seismological Journal，16(2):85—90(in Chinese).

王卫民，赵连锋，李娟，等.2008.四川汶川8.0级地震震源过程［J］.地球物理学报，51(5):1403—1410.

WAGN Wei-min，ZHAO Lian-feng，LI Juan，et al.2008.Rupture process of the MS8.0 Wenchuan earthquake of Sichuan［J］.Chinese Journal of Geophysics，51(5):1403—1410(in Chinese).

吴珍汉，胡道功，吴中海，等.2005.青藏高原中段活动断层及诱发地质灾害［M］.北京:地质出版社.

WU Han-zhen，HU Dao-gong，WU Zhong-hai，et al.2005.Active faults and Hazards Geological along the Golmud-Lhasa Railway across the Tibetan plateau［M］.Geological Publishing House，Beijing(in Chinese).

邢学敏，丁小莉，朱建军，等.2011.CRInSAR与PSInSAR联合探测区域线性沉降研究［J］.地球物理学报，54(5):1193—1204.

XING Xue-min，DING Xiao-li，ZHU Jian-jun，et al.2011.Detecting the regional linear subsidence based on CRInSAR and PSINSAR integration［J］.Chinese Journal of Geophysics，54(5):1193—1204(in Chinese).

徐志文.2006.四川省地质环境状况及地质灾害发育特征研究［J］.地质与勘探，42(4):97—102.

XU Zhi-wen.2006.Proposing the frame and measures for prevention and cure system of geological disasters in Sichuan Province［J］.Geology and Prospecting，42(4):97—102(in Chinese).

袁道阳，雷中生，葛伟鹏，等.2007.对143年甘谷西7级地震史料的新见解［J］.西北地震学报，29(1):58—63.

YUAN Dao-yang，LEI Zhong-sheng，GE Wei-peng，et al.2007.A new opinion about the west of Gangu MS7.0 earthquake in 143 AD in Gangu Province［J］.Northwestern Seismological Journal，29(1):58—63(in Chinese).

袁道阳，杨明.1999.西秦岭北缘断裂带的形变累积滑动亏损特征及其破裂分段性研究［J］.地震研究，22(4):382—389.

YUAN Dao-yang，YANG Ming.1999.Research on the features of displacement cumulative slip deficits and segmentation in the northern slip deficits and segmentation in the northern margin fault zone of the Western Qinling［J］.Journal of seismological research，22(4):382—389(in Chinese).

张景发，龚利霞，姜文亮.2006.PS－InSAR技术在地壳长期缓慢形变监测中的应用［J］.国际地震动态，(6):1—6.

ZHANG Jing-fa，GONG Li-xia，JIANG Wen-liang.2006.Application of PS－InSAR technique to measurement of Longterm crustal deformation［J］.Recent Developments in World Seismology，(6):1—6(in Chinese).

张培震，徐锡伟，闻学泽，等.2008.2008年汶川8.0级地震发震断裂的滑动速率、复发周期和构造成因［J］.地球物理学报，51(4):1066—1073.

ZHANG Pei-zhen，XU Xi-wei，WEN Xue-ze，et al.2008.Slip rates and recurrence intervals of the Longmen Shan active fault zone，and tectonic implications for the mechanism of the May 12 Wenchuan earthquake，2008，Sichuan，China［J］.Chinese Journal of Geophysics，51(4):1066—1073(in Chinese).

朱建军，邢学敏，胡俊，等.2011.利用InSAR技术监测矿区地表形变［J］.中国有色金属学报，21(10):2564—2576.

ZHU Jian-jun，XING Xue-min，HU Jun，et al.2011.Monitoring of ground surface deformation in mining area with InSAR technique［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，21(10):2564—2576(in Chinese).

Ferretti A，Prati C，Rocca F.2001.Permanent scatterers in SAR interferometry［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，39(1):8—19.

Ferretti A，Prati C，Rocca F.2002.Non-linear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，38(5):2202—2212.