基于InSAR 技术的大锡特金火山形变监测

李 飞，杨成生

（1. 杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 7121002；2. 长安大学，陕西 西安 710054）

火山喷发是最严重的自然灾害之一，其结果不但会直接造成人员和财产损失，还会引起气候变化，引发自然灾害[1]。自1991 年菲律宾Pinatubo 火山喷发之后，全球的火山活动进入了一个相对活跃的时期[1]。世界上大部分的火山位于人口密集的发展中国家。因此，世界各国都非常重视关于火山喷发的监测、预测，以便最大程度减少火山喷发造成的损失[2]。

1 研究区域概况

大锡特金岛位于太平洋海域（美国火山岛），总面积245 km2，长19 km、宽13 km，隶属安德烈亚诺夫群岛，归阿拉斯加州管辖，最高点海拔1 740 m，岛上无人居住[3]。大锡特金火山基本大体呈椭圆形（长半轴5.5 km，短半轴4 km），是由一个年代较早且顶部已消失的中央火山以及西北侧的寄生火山锥组成的复合结构，寄生火山锥上方崩塌而形成了一个直径约为1.2 km的破火山口。全岛最高点位于中央火山的东南侧残顶，海拔1 740 m。大锡特金火山自18 世纪后期起有较多次火山活动记录，大多规模较小。最新一次火山活动发生于2013年9月，此次规模较大，阿拉斯加火山观测所已经将这座火山的警戒级别上调至黄色（建议级），并且可以清晰地看到大锡特金火山西侧破火山口内的火山穹丘正在持续地喷出气体。该火山在2013年9月发生的剧烈喷发，对当地的环境和气候造成严重的影响。据观测资料表明，大锡特金火山在喷发之前，其表面已经发生了严重的形变。

2 TerraSAR-X卫星及数据查询

由德国和欧洲合作开发的TerraSAR-X 卫星，于2007-06-15 发射升空，轨道位于极地轨道上高514 km[4]，所使用的雷达波段为X 波段，卫星分辨率大约1 m，寿命5 a（在排除气象条件、照度、云层覆盖的情况下）。本次实验所采用的研究区域位于太平洋海域的大锡特金岛的大锡特金火山，大锡特金岛（51.40～52.10N,175.48～176.17W），采用SAR 数据为TerraSAR-X，查询到10景数据，采用了其中的4景数据。表1为覆盖研究区域的TerraSAR 数据列表，合计4 景数据，第一景数据的拍摄时间为2013-08-16，第二 景2013-08-27， 第 三 景2014-08-03， 第 四 景2014-08-14。

表1 TerraSAR数据列表

3 DEM数据获取

SRTM DEM是美国航空航天局（NASA）和美国国家测绘局同欧洲国家合作，共同研发的一台遥感测绘系统平台，系统搭载在航天飞机上进行了11 d的飞行，共获得数据9.8 万亿字节，全球陆地80%被覆盖，历经数年构建了全球数字高程模型，数据处理时长为2 a[5]。目前其精度仍在随算法更新而进步。获取SRTM DEM首先进入网站http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/，选择30 m分辨率版本的DEM 进行下载， 查询区域为51.40～52.10N，175.48～176.17W，下载文件共4个，分别是N51W176、N51W177、N52W176、N52W177。

4 实 验

4.1 D-InSAR技术处理流程

主要工具为ENVI 软件下的SARscape 的D-InSAR Displacement Workflow模块。

1）基线估算：估算时间基线和空间基线以及多普勒偏移等主从数据的情况[6]，是进行后续工作的必要条件。

2）数据的导入：要进行数据的导入必须将原始的TerraSAR-X 数据转换成为SARscape 的格式，因此还必须进行格式转换的工作，将原始RAW格式的数据转换成SLC 单视复数数据，再进行数据的导入工作。数据的导入工作完成之后，会生成视数比的数据。

3）干涉图的生成：此时根据前一步骤导入数据生成的视数比，将距离和方向视数分别改为14和6[6]，制图分辨率设置为25，然后进行干涉图的生成。

4）滤波和相干性计算：此步骤的目的是为了去除噪声和计算相干性是否满足要求。选用Goldstein滤波法，减少失相干噪声，提升干涉条纹清晰度[7]。

5）相位解缠：相位变化超过周期2π，便重新开始和循环。相位解缠解决2π模糊的问题，解缠后滤波相位与地形信息的线性变化相对应[8]。解缠方法使用的是Minimum Cost Flow，解缠分解等级设置为1。

6）控制点的选择：在已有文件或用于轨道精炼的控制点文件中选择控制点。控制点的优选相干性高的干涉图区域，避开未去除地形相位区域、变化的区域和解缠错误区域[9]。

7）轨道精炼和重去平：用Automatic Refinement方法进行轨道精炼，计算相位偏移，纠正卫星轨道和相位偏移，消除可能的斜坡相位[6]，这种方法是首先根据输入的控制点估算轨道形态，并将轨道精炼的多项式次数选择3次。

8）相位转形变及地理编码：将经过绝对校准和解缠的相位结合合成相位，转换为形变数据以及地理编码到制图坐标系统，将得到LOS 方向上的形变[10]。其中相干性阈值设置为0.18，并且不计算垂直方向的形变以及斜坡形变，并将方位角和入射角的角度设置为0°，X方向的水平分辨率和Y方向上的水平分辨率设置为25，并去除图像外的无用值，这一步的目的是对图像外的区域做掩膜处理。

9）结果输出：自动对形变数据进行密度分割并配色展示，成果如图1所示。

图1 2013-08-06～2013-08-27最终形变图

4.2 结果分析

经过上述的二轨法D-InSAR处理，得到2013-08-16与2013-08-27，以及2014-08-03与2014-08-14期间大锡特金火山的表面形变结果图。接下来将会对2013年8 月期间与2014 年8 月期间大锡特金火山表面形变量进行对比分析，包括火山表面整体形变量时间对比分析、以及垂直于火山口的两条剖线的剖面形变量的对比分析。

4.2.1 火山表面整体形变量时间对比分析

据调查发现，大锡特金火山在2013年9月曾发生过一次剧烈的喷发，对当地的生态环境造成巨大的影响，图1和图2以及图4是火山喷发前后的火山表面形变结果图，由于两幅形变图是在火山喷发前后生成的，因此分析这两幅形变图对于研究火山喷发与火山表面形变之间的关系有重要的意义。

图2 2014-08-03～2014-08-14最终形变图

图4 2014-08-03～2014-08-14剖线方向图

图1 表示了2013 年8 月期间大锡特金火山表面形变量结果图，从图中可以看出大锡特金火山的火山口有明显的隆起，形变量最高达到了+3.4 cm，随着远离火山口，隆起的形变量逐渐降低，到了火山口的边缘形变量基本为0。随着距离火山口越来越远，火山表面虽然出现了沉降，但是沉降量并不大，基本在-9 mm左右，并且到了火山的山脚下趋于稳定。

图2 表示了2014 年8 月期间大锡特金火山表面形变量结果图，从图中可以看出大锡特金火山的火山口形变并不明显，只有轻微的沉降形变量，形变量大约为-5 mm。随着距离火山口的越来越远，直至大锡特金火山的山脚下，形变量基本上没有变化，大体形变量在-5 mm～+5 mm之间徘徊，整体上趋于稳定。

图1 是在火山喷发前大约半个月生成的形变图，从图中可以看出，火山口附近有明显的隆起，而且距离火山口水平距离1 km之内的圆周范围内的隆起形变量与火山口的隆起形变量非常接近，大约为+3 cm，这说明火山喷发前期，火山口周围会有明显的隆起，且隆起的形变量大约在+3 cm 左右。火山内部喷出物快速由火山口向地表释放，形成隆起。上覆岩层围压，使岩浆中的大量挥发分无法溢出，当岩浆上升接近地表时[11]，压力增大，会造成火山表面的隆起，当表面压力承受值超出一定阈值之后，火山便会喷发。

图2 是在火山喷发之后大约8 个月生成的形变图，从图中可以看出，在火山口附近没有明显的形变，而且距离火山口水平距离1 km之内的圆周范围内的形变量也非常小，与火山口附近的形变量基本一致，大多在±5 mm 之间徘徊。据可靠的观测资料显示，在2013年9月期间大锡特金火山喷发之后，该火山的活动趋于稳定。此时可以说明，在火山活动趋于稳定的期间，火山口附近及周围1 km之内的区域表面形变非常微小，数值在±5 mm之间徘徊，没有明显的隆起现象。

由此可以得出结论，在火山喷发的前夕，必然会伴随着火山口附近地表的隆起，隆起形变量大约在+3 cm左右。随着火山喷发之后的火山活动日趋稳定，火山口及附近地表的形变量微乎其微，大约在-5 mm～+5 mm之间徘徊。通过雷达影像对可能发生火山喷发的地区进行干涉处理，生成地表形变图，可以有效地监测火山活动的情况，对于火山喷发的早期预警、火山灾害的监测、火山喷发的灾后疏散都有着非常积极的作用。

4.2.2 剖面分析

通过火山表面整体形变量对比分析，表明火山喷发前夕，火山口及附近地表会隆起，且隆起形变量在+3 cm左右。而在火山活动趋于稳定的时期，火山口及附近地表的形变量非常微小，大约形变量在-5 mm～+5 mm之间。接下来将会做垂直于火山口的两条剖线，并进行剖面形变量对比分析，来验证上述结论。

如图3、4所示，所做的2条剖线分别垂直于火山口。其中L1 方向为从西向东，L2 方向垂直于L1 方向为从南到北，然后分析2013 年8 月形变图和2014 年8 月形变图沿着2 条剖线的剖面形变量，并进行对比分析，验证上述结论。

图3 2013-08-06～2013-08-27剖线方向图

图5表示大锡特金火山在2013年8月期间和2014年8 月期间在L1 方向的剖面形变量走势图，图6 表示大锡特金火山在2013年8月期间和2014年8月期间在L2方向的剖面形变量走势图。两幅图中分别都有火山口在剖线L1 方向和剖线L2 方向的相对位置，以此来分析火山口在L1方向和L2方向的剖面形变量走势图，并推断火山表面形变与火山喷发的关系。由2013年8月期间大锡特金火山表面形变图可知，在火山口及附近地表出现了明显的隆起，隆起形变量达到了+3 cm。在火山喷发之后，火山活动日趋稳定的时期，大锡特金火山在2014年8月期间的形变图表明，火山口及附近地表的形变量非常微小，基本在-5 mm～+5 mm之间徘徊。

图5 大锡特金火山L1方向剖面图

图6 大锡特金火山L2方向剖面图

如图5 所示，大锡特金火山在2013 年8 月期间沿着L1方向的剖面形变基本都在+3 cm左右，没有太大的波动，并且距离火山口越近，形变量越大，在火山口位置的形变量达到了顶峰，此时临近火山喷发，因此大锡特金火山沿着L1方向的形变量都非常高。从图5中又可以看出，大锡特金火山在2014年8 月期间沿着L1方向的剖面形变非常微小，基本都在-5 mm～+5 mm之间徘徊，随着距离火山口越近，形变量基本为0，这是因为距离火山喷发已经过去了11个月，火山活动日趋稳定，没有太大的波动。

如图6 所示，大锡特金火山在2013 年8 月期间沿着L2 方向的剖面形变与沿着L1 方向的剖面形变基本一致，都是保持在+3 cm 左右的隆起形变，并且距离火山口越近，隆起的形变量越大。从图6中又可以看出，大锡特金火山在2014年8月期间沿着L2方向的剖面形变与沿着L1 方向的剖面形变虽然略有不同，但大体趋势一致，都是形变量非常小，基本在-5 mm～+5 mm之间徘徊，并且距离火山口越近，形变量几乎为0。

上述所选的两条剖线L1 与L2 具有代表性，通过2013年8月期间和2014年8月期间大锡特金火山沿着L1 方向与L2 方向的剖面形变图，并进行对比分析，验证上述结论。得出了大锡特金火山在喷发前夕，火山口及附近地表会有隆起，隆起形变量约在+3 cm 左右，在火山活动日趋稳定的时期，火山口及附近地表会有微小形变，形变量约在-5 mm～+5 mm左右。通过分析一段时间内火山表面的形变量，推测火山是否有喷发的可能，对于火山喷发灾害早期预警，灾后疏散有着非常重要的作用。

5 结 语

本文利用D-InSAR技术对大锡特金火山的表面形变量进行分析，说明了火山表面隆起及沉降的情况，并绘制了时序的剖面图，直观地揭示出火山表面形变与火山喷发之间的关系，也证明所采用的分析方法对地面形变监测真实有效。