基于SBAS时序分析方法的断裂带形变监测

罗 想，王 萍，张艳梅，张 荞，陈 慧

（1.国家测绘地理信息局第三航测遥感院，四川 成都 610100）

海原活动断裂带位于青藏高原东北边缘，东起宁夏哨口西至甘肃兴泉堡，全长约为240 km，是中国大陆西部重要的活动地块边界构造带和强震活动带。1920年的海原8.5级大地震导致该断裂带10.5 m的左旋走滑位移和几乎整个断裂带的贯通性破裂。近一个世纪过去了，断裂带现今的活动性如何，地震危险性多大一直是人们关注的热点[1-2]。

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术作为一种空对地大范围观测的有效手段，利用SAR影像中携带的相位信息获取地表高程信息及其变化，有效克服了精密水准测量、静态或动态GPS测量等常规测量方法工作量大、成本高、效率低等问题[2]。短基线集干涉测量（SBAS-InSAR）技术是2002年由Berardino等针对传统D-InSAR中时间、空间失相关和大气效应等问题而提出的形变时序分析方法，极大地提高了InSAR监测精度，可应用于地壳长时间缓慢形变监测[3]。

本文基于20景Sentinel-1数据， 利用SBAS-InSAR技术，以祁连山海原断裂带为研究区，分析了海原断裂带近年来的地壳形变规律和特点。

1 数据源与技术原理

1.1 Sentinel-1数据

Sentinel-1是一个全天时、全天候、极地轨道雷达成像系统，由欧洲航天局“哥白尼全球监测计划”中的两颗对地观测卫星组成，主要用于城市规划与环境制图、地表形变监测、海洋环境监控与海冰监测、土壤保护与水体管理、森林火灾监测等。Sentinel-1 A、B两星分别于2014年4月3日和2016年4月26日发射升空，单颗卫星的重访周期为12 d，双星系统重访周期为6 d[4]。

Sentinel-1参数设计延续了ERS1/2和ENVISAT的基本特征，搭载有C波段合成孔径雷达传感器，工作频率为5.4GHz；包括条带成像（SM）、干涉宽幅（IW）、超宽幅（EW）和波浪（WV）4种工作模式[4-5]，不同成像模式参数见表1。

表1 Sentinel-1主要参数指标

欧空局对外免费开放SM、IW和EW三个模式的Level-0、Level-1级别产品，以及各模式下的Level-2 级别产品。Level-0级产品为压缩、未聚焦的原始数据，包括回波数据、校准参数、卫星姿态和轨道信息等；Level-1级产品分为单视复数影像（SLC）和地距影像（GRD）两类，SLC包括聚焦的SAR数据、基于卫星轨道和姿态的斜距模式地理参考信息，GRD包括多视处理、采用WGS84椭球投影至地距的聚焦数据；Level-2 级产品为海洋产品，主要包括海洋风场、海洋膨胀光谱、地表径向速度等信息[5]。

1.2 SBAS-InSAR技术原理

SBAS-InSAR技术原理是将SAR影像分成若干个较短时空基线子集，再利用像对差分干涉和奇异值分解求得整个时间序列的形变[3]。

假设有时间序列t0,…,tN的N+1幅同轨SAR影像，以任意影像为主影像进行配准，通过设定时间、空间基线阈值得到一个或若干个基线集合，再分别对每个集合内的像对进行差分干涉处理，得到M幅差分干涉图，且有：

对于时刻ta和tb获取的两幅SAR影像生成的第 j (j=1,…,M)幅差干涉图，去除平地相位和地形相位，若ta时刻早于tb时刻，则任意像元(x,r)对应的解缠相位为：

式中，λ为波长；d(ta,x,r)和d(tb,x,r)分别为时刻i和j相对于初始时刻t0的视线方向累积形变量。但式（2）未考虑残余地形相位、大气延迟相位、时空失相干等噪声相位的影响。

因有M幅差分干涉图，故可得到M个方程组，用矩阵表示该方程组为：

式中，A为M×N的近似关联矩阵，每一行对应一个解缠差分干涉相位，每一列对应相位未知参数，当M≥N，可用最小二乘法求解：

当SAR影像被分为多个子集时，矩阵A秩亏，ATA为奇异矩阵，假设有L个基线子集，那么A的秩为N-L+1，则方程组有无穷多个解。Berardino等提出奇异值分解（SVD）方法，将相邻时间获取的平均相位速率作为未知量求解，通过矩阵A的广义逆来求得方程最小范数下的最小二乘解，从而得到时间序列间的形变速率和累计形变量[6-8]。

2 海原断裂带形变监测

2.1 研究区与实验数据

研究区位于宁夏海原县境内的祁连山海原断裂带（图1），区域内主要为黄土质山区，植被稀少，气候干燥。本文收集的数据为2015年3月14日～2016年7 月30日20景Sentinel-1 A IW模式的覆盖整个研究区域的SLC数据，极化方式为VV，分辨率为5 m×20 m，具体见表2；同时还收集了对应的AUX_POEORB精密轨道参数文件以及NASA获取的空间分辨率为90 m的SRTM4参考DEM数据。

图1 研究区范围和地震构造环境

2.2 数据处理

本文以ENVI SARScape为软件平台，对研究区域20景Sentinel-1影像进行SBAS-InSAR处理，主要包括差分干涉像对的生成、相干目标选择、差分干涉图解缠、轨道精炼及重去平、形变速率估算、地形残余相位和大气相位去除等步骤。

表2 实验SAR影像与参数

1）干涉连接图生成。由于垂直基线都远远小于临界基线（约5 440 m），这里不用设置基线阈值，设置时间基线为200 d。以20150922这一期为超级主影像，对SAR影像进行组合，形成短基线集，得到117个干涉像对。

2）干涉生成到相位解缠，主要包括干涉图生成、去平地效应、干涉图滤波、相干系数计算、相位解缠。本文采用Goldstein滤波方法以及基于Delaunay三角网的最小费用流法解缠，解缠相干系数阈值设为0.35，得到的部分结果如图2所示。通过相干性和解缠结果的对比筛选，剔除了23对相干性差、解缠效果不理想的像对。

3）轨道精炼和重去平。选取25个覆盖所有像对、远离形变区域且位于有效解缠结果上的GCP点，对所有像对进行轨道精炼和相位偏移计算，消除可能的斜坡相位。

4）形变速率和高程系数估算。第一次估算位移速率和残余地形，用以对合成的干涉图进行去平，重新作相位解缠和精炼，生成更优化的结果；基于三次方模型计算得到所有像对的形变（形变、加速度、加速度变化）和高程（校正值和新的DEM）。

图2 相干系数图、去平后干涉图和相位解缠图

5）大气相位和地形残余相位去除。在第一次得到的形变速率基础上进行定制的大气滤波，从而估计和去除大气相位，得到更加纯净的时间序列上的最终位移结果。

2.3 结果分析

20景Sentinel-1A数据经过SBAS-InSAR技术处理后，得到研究区平均地表形变结果如图3所示。正、负值分别表示地表抬升和沉降，监测分析表明：

图3 平均形变速率图

1）2015年3月～2016年7月，随时间推移，研究区地表形变量在不断积累，但形变量整体较小，1.3 a形变累积量集中在-10～+5 mm，其中最大形变累积量位于海原县第一中学附近，达28 mm。进一步分析发现，沉降漏斗区域恰好是近年海原县建设发展最为剧烈的地区之一，大量的人工建筑和人类活动是城市地表下沉的主要原因。

2）研究区平均形变速率具有良好的趋势性，呈明显的跨断层形变梯度。断裂带北盘形变速率整体为正值，呈抬升趋势，断裂带南盘形变速率为负值，呈沉降趋势，南北两盘相对形变速率约为6 mm/a。假设研究区目标只做水平运动，没有垂直运动，则根据海原断裂带南北两盘形变位移差异可判断海原断裂带呈左旋走滑趋势。这一研究结果与基于地形地貌特征和测年的地质学方法得到的海原断裂带呈3～8 mm/a左旋走滑速率，基于GPS等大地测量方法得到的海原断裂带呈3～10 mm/a等研究结果一致[9-10]。

3 结 语

本文基于SBAS-InSAR技术，利用20景Sentinel-1数据对海原断裂带2015年3月～2016年7月的地表形变进行了监测，获得了时间序列差分干涉图，反演、解析了形变量与形变速率，并利用已有研究和监测资料佐证了研究结果的可靠性。本文为海原断裂带地区地震预测提供了可靠的断裂活动数据，同时有助于Sentinel-1数据和SBAS-InSAR技术在活动断裂带形变、城市地表沉降以及地理国情监测中推广应用。

[1] 崔笃信,胡亚轩,王文萍,等.海原断裂带库仑应力积累[J].地球科学(中国地质大学学报),2009,34(4):641-650

[2] 杨成生,张勤,赵超英,等.短基线集InSAR技术用于大同盆地地面沉降、地裂缝及断裂活动监测[J].武汉大学学报(信息科学版),2014,39(8):945-950

[3] 胡乐银,张景发,商晓青.SBAS-InSAR技术原理及其在地壳形变监测中的应用[J].地壳构造与地壳应力文集,2010(22):82-89

[4] 李永生,冯万鹏,张景发,等.2014年美国加州纳帕Mw6.1地震断层参数的Sentinel-1A InSAR反演[J].地球物理学报,2015,58(7):2 339-2 349

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

[6] 罗铖.基于SBAS-InSAR的西安地表沉降监测[D].西安:长安大学,2012

[7] 王如意.基于SBAS-InSAR的高分辨率地面沉降监测技术研究[D].北京:中国地质大学,2015

[8] 李永生,张景发,李振洪.利用短基线集干涉测量时序分析方法监测北京市地面沉降[J].武汉大学学报(信息科学版),2013,38(11):1 374-1 377

[9] 屈春燕,单新建,张国宏,等.时序INSAR断层活动性观测研究进展及若干问题探讨[J].地震地质,2014,36(3):731-748

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