基于Sentinel—1 SAR数据反演逐鹿县7.5地震形变信息

张岩

摘要： 利用遥感手段对地震引起的地表形变进行研究已在诸多方面取得了成果，本文将在区域地质构造基础上采用Sentinel-1 SAR数据对逐鹿县7.5地震进行研究，分析区域断裂带对地震形变信息的影响，反演地震形变信息。数据处理方法采用D-InSAR中的两轨法和三轨法进行对比分析，来验证逐鹿县7.5地震的形变特征。实验结果表明，采用该方法反演地震形变信息具有高效性、准确性和广域性，为地震防震减灾工作提供了技术支持。

Abstract： The remote sensing method has been used to study the surface deformation caused by earthquakes. In this paper， the Sentinel-1 SAR data are used to study the 7.5 earthquake in Zhulu county on the basis of regional geological structure， and the influence of the regional fault zone of the seismic deformation information to invert the seismic deformation information. For data processing method， the two-track method and the three-track method in D-InSAR are used for comparative analysis to verify the deformation characteristics of the Zhulu County 7.5 earthquake. The experimental results show that the method can be used to retrieve seismic deformation information with high efficiency， accuracy and wide area， which provide technical support for earthquake disaster reduction work.

关键词： 怀逐盆地断裂带；数字高程模型；合成孔径雷达差分干涉技术；地标形变反演

Key words： hereditary basin fault zone；digital elevation model；synthetic aperture radar differential interferometry；landmark deformation inversion

中图分类号：P315.3+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）12-0156-03

0 引言

怀来盆地和逐鹿盆地（简称怀逐盆地）位于张家口坝下的中朝准地台燕山台褶带西段的宣龙复式向斜内，其区域构造正好位于汾渭大断层的尚义—赤城—平泉断裂带与黄旗—鸟龙沟断裂带相交的区域内[1]。该区域的断层活动强烈，地震频频发生。据统计，截至2016年，4级以上地震共34次，严重危害当地人民的生命财产安全。因此，利用现代科学技术对怀逐盆地地震形成的地表形变进行反演评估，对该区域的抗震减灾具有十分重要的意义。

合成孔径雷达差分干涉测量技术（简称D-InSAR）是一种利用主动式微波遥感监测地表形变的技术。由于该技术具有观测精度高、不受大气和地形限制、监测范围广等优点，广泛的应用于地表形变监测。本次使用的数据来源为2014年10月正式投入使用的Sentinel-1 SAR卫星，该卫星免费提供雷达影像数据。利用区域地质构造特征并结合逐鹿县7.5地震时间点，采用3景数据，并结合外部获取的DEM数据采用三轨法验证方法，对地震带进行分析和反演，最终结合数据结果给出合理的评价。

1 Sentinel-1 SAR数据获取与分析

Sentinel-1卫星采用C波段成像系统，共有4种成像模式，分别为条带成像（SM，Stripmap）、干涉宽幅（IW，Interferometric Wide swath）、超宽幅（EW，Extra Wide swath）和波浪模式（Wave mode）。其中干涉宽幅模式已面向公众化，用户可以从官网（https：//scihub.copernicus.eu）自由下载。IW成像模式可以采集分辨率为5m×20m，幅宽为250km的SAR数据。工作方式为递进的地形扫描方式（TOPSAR），获取3个子条带，每条子带包含9块条带信息[2]。用户可以根据研究区域直接下载单视复数（SLC）数据，数据格式为TIFF。

本次研究地表形变信息的手段是采用差分干涉（D-InSAR）中的三轨法，需要至少三景影像，一景为主影像，另外两景为从影像[5]。再结合研究区域7月5日的地震时间点和雷达卫星的轨道参数。最优时间序列存档信息如下表所示。

2 SAR数据的算法与处理

2.1 原始TIFF数据转换为burst文件

Sentinel-1卫星提供的单视复数（SLC）图像格式为TIFF格式，此文件中包含多种信息：相位信息、强度信息、适量范围等。本文实验所使用的软件为ENVI中的SARscape模块，因此首先要将TIFF格式的文件转换为SARscape可以识别的burst文件。

2.2 基线估计与相干性评价

基线估计是评价干涉像对质量的重要参数，通过计算基线、轨道信息、高程变化、型变量、多普勒质心误差等，生成高程和形变的精度随着相干性增长的变化趋势图[4]。下图为基线估计所生成的两幅图，分别代表高程和形变的精度隨着相干性的增加而提噶，这也是影像能够进行差分干涉的重要指标。

2.3 干涉制图与干涉去平

干涉制图是InSAR处理中的首要步骤，干涉图的质量直接关系到差分结果的精度。干涉制图首先要对两景影像进行配准，采用的是基于轨道信息的配准，利用SARscape模块中的”Interferogram Generation”面板进行计算主副影像的联系点，完成配准。再利用SLC数据中对应像元的复数进行共轭相乘可得到干涉图。为了去除平地效应，对生成的干涉图进行去平，得到去平后的干涉图。如图4（a）所示。

2.4 滤波与相干性计算

生成的干涉图中包含由多种渠道产生的噪声。这些噪声引起的相位残余直接影响相位解缠的精度。因此需要对干涉图进行滤波处理[6]，本次采用的滤波方法为BOXCAR法，计算解缠相位梯度和缠绕相位梯度的不一致点之间的最短连线，其计算公式如下所示：

∑ij（？驻？准■■-？驻？准■■）■+∑ij（？驻？准■■-？驻？准■■）■=min（1）

其中，？驻？准■■为X方向上的解缠相位梯度，？驻？准■■为Y方向上的解缠相位梯度；？准■■为X方向伤感的缠绕相位梯度，？准■■为Y方向上的缠绕相位梯度，i和j分别表示行数和列数。

通过滤波处理，得到滤波后的干涉图，如图4（b）所示。为了衡量干涉测量精度的高低，需要对干涉图进行相干性计算[11]，最后可以得到相干系数图4（c）。其计算公式如下：？酌=■ ？酌∈[0，1]（2）

其中C1和C2分别代表两幅SAR复数影像；C■■为C■的共轭复数。想干系数越大，信噪比越高，干涉测量的精度越高。

2.5 相位解缠与轨道精炼

为了获得地面任意点的高程和型变量，需要对缠绕干涉相位进行处理得到绝对干涉相位，也就是确定相位整周模糊度n的过程[7]。本次采用的相位解缠方法为最小费用流算法（Minimum Cost Flow）。得到解缠后的相位图如图4（d）所示。

解缠后的相位需要对卫星轨道和相位偏移进行纠正，得到精确地相位信息，在此过程中需要借助于外部DEM数据作为精化数据[8]。然后还需要进行重去平，使干涉精度大大提高。如图4（e）所示，经轨道精炼和重去平后得到的相位图。

2.6 相位转高程与形变

这一步是相位转换为高程和形变信息的过程，通过绝对相位和解缠相位结合成合成相位，并转化为DEM模型，为差分干涉提供数据源。

“Relax插值“模式是一个适应空值周围区域的柔和表面，算法以热传导方程为基础，利用已知的高度值推算出最佳的未知地形，该方法最适用于小区域插值，特别是对突然的地形变化（陡坡）[9]。

2.7 差分干涉生成形变图

三轨法是利用同一地区三景影像生成两幅干涉条纹图，一幅反映地形信息，一幅反映地表形变信息，然后进行去平地效应和相位解缠，最后利用差分干涉测量原理计算得到地表信息[10]。在本次实验中可以利用20150605和20150617两组影像生成模拟DEM数据，此数据为差分干涉提供了对比数据。20150605和20150723分别作为差分干涉的主从影像，叠加光学卫星遥感底图，便于地理位置直观分析。

3 实验结果分析

3.1 实验模型的结果分析

图5为差分干涉得到的形变图。其中，颜色的深浅表示地表沉降的大小，颜色越红表示形变沿垂直方向上升变化越大，为正值；颜色越蓝表示形变沿垂直方向下降变化越大，为负值。实验结果显示，居民生活的建筑用地区域的沉降变化较大；水库河流的地表沉降变化较大。本次主要研究由于地质作用中的地震断裂带活动导致的地表形变。结合卫星遥感影像，剔除其它的形变因素，对断裂着重分析。分析结果可以看出该区域地址因素主要有三种形变特征，分别位于地质断裂带活动强烈的区域，变化量均值为±0.02105m，断裂带活动是地震引发的主要内在因素。

3.2 实验结果的验证评价

本位利用三轨法对逐鹿县境内的地震断裂带进行地表形变验证与分析，主要包含3种形变特征：

①尚义—赤城—平泉断裂带：图5中A区域内，最小形变量-0.007294m，最大形变量为-0.036468m，平均形变量为+0.012417m，变形活动剧烈的地理位置为东小庄附近。

②黄旗—鸟龙沟断裂带：图中B区域内，最小形变量为+0.007103m，最大形变量为+0.029175m，平均形变量为+0.015684m，变形活动剧烈的地理位置为大河南镇附近。

③尚义—赤城—平泉断裂带与黄旗—鸟龙沟断裂带交汇处，图中C区域内，最小形变量为+0.004294m，最大形变量为+0.009956m，平均形变量为+0.006135m，变形活动剧烈的地理位置为矾山镇附近。

④新生构造断裂带，位于逐鹿—蔚县交界处，图中D区域内，其形变量为-0.021881m到+0.020657m之间。结合遥感影像发现该区域位于低海拔的盆地内，此盆地并未发现大型建筑和水上资源，属于自然环境特征，结合该区域的地质构造特征，分析为新生构造断裂带。该区域同时出现垂直上升和垂直下降的形变特征，平均形变量为0.020954m。

实验结果表明，逐鹿县境内的汾渭大断层的尚义—赤城—平泉断裂带与黄旗—鸟龙沟断裂带交汇处的地震活动不是很剧烈，地震活动剧烈的区域仍属于两大断裂带，形变趋势为0.002m/月，结合7.5地震时间点，该区域的变形特征呈现随时间递增的趋势。实验结果证明，利用D-IInSAR的三轨法获取的逐鹿县地区地表形变特征与地震监测结果基本相近。

4 结束语

逐鹿县区域面积辽阔，自然条件复杂，地质构造复杂多变，地震断裂带纵横交错且临近北京，是北京经济圈重点建设的县。因此该区域一直都是专家研究的重点区域。本次采用D-InSAR的手段对该区域进行顺时序分析，结果与7.5地震信息基本吻合，为该地区的地震监测预警提供了技术与理论参考。

当然，本此实验也有不足之处，首先，本次选取的卫星数据分辨率较低，D-InSAR的监测精度最大才能达到厘米级，不能满足更高精度的要求；其次，干涉和差分过程中选择的DEM精度较低，同样产生相对干扰误差；最后，由于本次选择的时序列较短，数据量小，获得的形变量较小，同样产生一定的干扰误差。

参考文献：

[1]郭亚亚.涿怀盆地活动断层特征及地震活动探讨[D].石家庄经济学院，2014.

[2]杨魁，杨建兵，江兵茹.Sentinel-1卫星综述[J].城市勘测，2015（02）：24-27.

[3]王桂杰，谢谟文，邱骋，等.D-INSAR技术在大范围滑坡监测中的应用[J].岩土力学，2010，31（4）：1337-1344.

[4]Camec C，Massonnet D，King C.Two examples of the use of SAR interferometry on displacement fields of small spatial extent [J].Geophys Res Lett，1996，23：3579-3582.

[5]胡波，蔣弥，王兴旺，等.D-InSAR三轨法监测城市地表沉降的研究[J].测绘工程，2009，18（2）：46-50.

[6]柳想，罗红霞.基于三轨法D-InSAR技术的地震形变研究[J].城市建设理论研究（电子版）.2012（14）.

[7]王志勇，刘磊，周兴东.利用合成孔径雷达差分干涉测量技术监测伊朗Bam地震同震形变场[J].西北地震学报，2008（04）：310-316.

[8]张博.基于D-InSAR技术的汶川地震形变场研究[D].西南科技大学，2012.

[9]高奋生，范洪冬，侯瑞.基于D-InSAR技术的地震形变场获取[J].农业网络信息，2008（09）：103-105.

[10]汪鲁才.星载合成孔径雷达干涉成像的信息处理方法研究[D].湖南大学，2006.

[11]吕乐婷，陈圣波，车大为.D-InSAR原理及其数据处理流程[C].吉林省地球物理学会2008年学术交流会，2008-09-19.