基于InSAR与多源数据的三维形变场获取研究与应用

郭利民

（中国地震局地质研究所，北京100029）

基于InSAR与多源数据的三维形变场获取研究与应用

郭利民

（中国地震局地质研究所，北京100029）

中图分类号：P315.72＋5；

文献标识码：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.008

合成孔径雷达干涉测量技术（Interferometry Synthetic Aperture Radar，InSAR）近几十年来得到迅猛发展，在获取地面形变信息方面具有独特的优势，使得人类可以在太空对地表进行长时间大范围的监测。但是，InSAR获取的形变不是地表的真实变形，而是变形的垂直向、东西向、南北向分量在卫星视线方向上的投影，即存在视线向（Line of Sight，LOS）模糊问题。对于地震、地壳运动、工程建设等变形特征的认识，需要提取地表运动的三维特征，这不仅对深刻理解断层运动方式、形变特征，分析地震发生机制有十分重要的作用，而且对人们有效监测及预报地面沉降、塌陷等灾害同样具有重要的实用价值。

本文详细分析了InSAR形变监测的视线向模糊问题及可能的三维形变场解决方案。根据InSAR和GPS的技术特点，分别提出和改进了InSAR与GPS结合插值处理模型、多波段InSAR与多孔径雷达干涉测量技术（Multiple－aperture SAR Interferometry，MAI）结合直接解算模型和联合PSInSAR与GPS震间微小三维场模型。在此基础上，以汶川地震、玉树地震及海原断裂带为研究对象，获取了同震和震间三维形变场，并详细分析和论述了形变场特征，取得了一些新的认识。

本文研究工作主要取得了如下成果和认识：

（1）分析GPS三维形变分量和InSAR视线向观测值之间的投影关系，探讨了重轨In－SAR形变测量的局限性，即视线向模糊问题。针对各自的观测特点，采用多波段InSAR、GPS、MAI等观测手段及之间的结合，能够在空间域和观测优势方向上互相补充，不但可提高观测精度，而且可获取地表丰富的三维形变场信息。通过分析和研究，本文提出和改进了3个三维形变场获取模型。

①提出基于InSAR与GPS结合获取三维形变场的插值处理模型。选取部分质量较好的GPS观测值，通过投影至卫星观测视线向，对同名点InSAR视线向观测量进行校正；利用GPS水准观测精度高这一优势，利用尽可能多的GPS水平观测数据，通过插值方法获取地表水平形变场；最后结合InSAR一维视线向观测值，获取同震三维形变场垂直方向分量。考虑到断层上盘或者下盘的形变矢量的大小和方向变化呈有序稳定状态，插值过程中先对地表

水平形变矢量的大小和方向进行插值，然后再进行EW和NS向分解，这比直接对EW和NS向形变进行插值更接近真实的形变特征。

②改进多波段InSAR与MAI结合直接解算模型。直接利用不同SAR卫星的3种不同视线向的形变场，构建三维形变解算模型进行解算。其优势是具有较高的可信度，避免了模拟、假设等方法带来的不确定因素。缺点是需要不同SAR卫星，在一些研究区数据无法保障。

③提出PSInSAR与GPS震间微小三维场插值模型。针对地表微小形变运动提出PSIn－SAR与GPS联合获取三维震间形变场模型。采用PSInSAR方法获取研究区的地表微小形变量，结合GPS水平形变观测，依据插值算法，提出了获取震间三维形变场模型。

（2）通过InSAR技术获取了汶川、玉树地震的同震形变场，分析了地震同震地表形变特征。

首先，通过InSAR获取的汶川地震发震断层周围约450km×500km区域的同震形变场，形变场反映出汶川地震地表同震形变场的分布特征，即干涉条纹以北东向发震断层（映秀—北川断裂）为中心，且呈包络状分布。形变场南侧甚至到达乐山、重庆一带，北侧到南坪、武都、康县。从干涉条纹的分布格局可以看出，发震断层两侧干涉条纹有多次起伏，且有一定的两盘不对称性，这说明位错量沿断层分布是不均匀的。在发震断层南西端映秀镇附近，出现了排列细密的同心干涉条纹，说明这一带的形变强度非常大。北川县城南东侧，有平行于断层密集的干涉条纹包络，表明该段发震断层有较大的地表位错量。在汶川地震震中位置，条纹开始包络震中，表明震中附近是发震断层的西端点。在青川附近，条纹已包络了发震断层，显示出了断层东端形成的形变场格局。发震断层附近，断层两侧均表现为局部抬升，且沿断层形变量分布很不均匀，表现出较强的分段性。

玉树地震获取的InSAR形变场条纹围绕甘孜—玉树断裂北西向展布的椭圆状干涉条纹，而且条纹在断层两侧基本呈对称分布。反映断层两盘形变梯度和形变量大体相当，没有明显形变突出的主动盘，这也正是剪切走滑断层运动所具有的形变场特征。在形变场的西部和东部围绕断层迹线有两个局部形变条纹环，而在这两个局部形变之间有一小段未发生地表破裂的弱形变区。由形变条纹分布，我们可初步判定发震断层长约76km；东段约32km的断层滑动到达地表，形成较为明显的地表破裂分布；西段则形成较为连续的形变条纹。InSAR形变场整体分布特征与野外调查及偏移量追踪的结果均较为吻合。

（3）应用基于InSAR与GPS三维插值处理模型，获得汶川地震三维同震形变场，分析了三维形变特征，特别是断层垂直形变特征。

通过三维形变场可以看出，发震断层南段向北运动明显，有一定的右旋走滑分量，龙门山发震断层的逆冲分量由南向北逐步递减，其主要逆冲形变量集中在映秀—连山坪、茶坪—北川县城—南坝区段。同时注意到，在映秀镇—连山坪一带出现了东向位移极大区域，断层上盘东向位移量达到了5.85m，断层下盘向西位移量大约为1m。而在茶坪—北川县城—南坝区段，断层下盘向西位移量达到了－2.80m，断层上盘向东位移量为2.9m。发震断层南段上盘向东运动占绝对优势，而发震断层中北段，则转换为发震断层上下盘对冲位移为主。断层两侧垂直形变衰减较快，横跨断裂带形变量大于30cm的宽度不超过50km；沿发震断层附近垂直形变高值区分布不均匀，主要集中分布在发震断裂的南段、中段和北端。

（4）应用多波段InSAR与MAI结合直接解算模型，获得玉树地震断层分布特征及震区三维形变特征。

利用ALOS和ENVISAT数据差分干涉得到的形变场及ALOS数据采用MAI方法得到