级优秀学生研究性学习作品集D

1、2009 级优秀学生研究性学习作品集D-InSAR 技术在地震灾情快速判别中的应用小组成员：张晗 欧阳柳青指导老师：姚鑫，博士、副研究员（国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室）一、引言近年来，世界各地强烈地震频发，地震造成了巨大的人员伤亡、财产损失。在我国， 2008年 5月 12 日 8.0级汶川地震造成8 万余人死亡，2010年 4月 14日在青海省玉树县发生的里氏7.1 级地震造成2698人死亡，大量房屋破坏。自然灾害的发生不可避免，但在灾后以最快的速度尽可能把损失降至最低是我们能做的。如何达到最快最高效的救灾效果，取决于对灾情的正确判别。我国西部是地震高发区，但由于西部地区条件较艰

2、苦，地震监测台站稀少，通过计算获得的地震震中往往与实际有较大的偏差，因此，需要探索更有效的技术方法去快速判别地震造成的地表破坏最严重的地方。因此我们这次研学专门到国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室进行了相关知识的学习，了解了应用D-InSAR 技术快速判别地震灾情的原理和方法。在课题研究过程中，我们学习应用软件绘制了一些图件，并在导师的指导下得出了自己的分析结果。二、 D-InSAR 技术的基本原理D-InSAR 是一个多重嵌套的复合缩写词，其中 InSAR 是 Synthetic Aperture RadarInterferometry 的简称。SAR（合成孔径雷达）是一种主动式的微波

3、传感器，以其全天候、 全天时获取地表信息的特点成为对地观测技术领域不可或缺的传感器。InSAR（雷达干涉测量）技术成功的综合了SAR 成像原理和干涉测量技术，利用传感器的系统参数、姿态参数和轨道之间的几何关系等精确测量地表某一点的三维空间位置极其微小变化。如果重复进行干涉成像或结合已有的精细DEM 数据来消除干涉图中地形因素的影响，可以检测出地表的微小形变。这就是D-InSAR（差分干涉技术）的基本原理。通俗的说，D-InSAR 技术就是将卫星拍摄的两幅图去除地形因素并“做减法”，得出净地表形变量的过程。在实际地质工作中，利用地震前后的干涉图像，可以监测到同震和余震的地表变形，如果能够和GPS

4、的观测数据结合起来，可以进一步提高对地震灾害的分析和破译能力。同样的原理也可以用于火山活动的监测和滑坡、泥石流、地表沉降监测（参考：廖明生，林珲雷达干涉测量原理与信号处理基础 ） 。图 1 描述了处理卫星拍摄的遥感影像的一般方法。图 1 InSAR 遥感数据处理流程图三、基于InSAR 技术的玉树地震灾情快速判别2010 年 4 月 14 日 7 时 49 分， 青海省玉树藏族自治州玉树县发生7.1 级地震， 地震造成 2698 人遇难，270 人失踪。地震造成连续的地表破裂，大量民房倒塌，其中重灾区玉树县州府结古镇房屋倒塌最为严重。震后第3 天 （ 2010年 4月 17日） 日本 ALOS

5、 卫星系统拍摄了震中附近约4000km2范围内的雷达数据，为深刻理解此次地震的发生机理和形变过程，此次研学的导师所在单位采用ALOS 数据对震区进行了干涉雷达监测获得了玉树地震的同震形变场。玉树高海拔、低起伏和稀疏植被覆盖的自然条件为获取高相关的干涉雷达像数据对提供了良好的条件，有利于后续InSAR 的图像处理和构造活动解译。图 2 为国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室购置的卫星数据区域。图 3为经处理计算获得的玉树地震灾区同震变形InSAR 缠绕条纹图。2009 级优秀学生研究性学习作品集2 卫星数据区域位置干涉雷达获取的同震变形图像是缠绕在一个相位周期（- 弧度 ）内的观测结果，相当

6、于变形的等值线，每个条纹代表11.8cm变形。干涉条纹图像显示玉树地震产生的变形范围为一个NW SE 走向的椭圆形区域，干涉图像中可见两处明显变形区，中心分别位于玉树县城NW 侧的 A 处及微观震中以南5km 附近的 B 处。为了更直观形象的体会地表形变量的空间分布及最值，导师为我们提供了缠绕条纹图的重处理图像。图 5 为指导老师处理后的干涉雷达视线向变形图（绘制：姚鑫）。图 5 干涉雷达视线向变形图（绘制：姚鑫）将干涉雷达条纹图像解算为地表变形的垂直高差绝对量值，并按5cm 间距绘制等值线，就清晰地展现出一条南北走向且偏东较多的狭长的地表陡变带。其东南盘变形为正，代表其近向东运动；西北盘变形

7、为负，代表其近西向运动。在指导老师的指导下，我们根据图5 选取3 个剖面用ArcGIS 软件绘制了剖面图6） ，通过进一步的分析获得如下认识：距离（m）mc图 6 视线向变形剖面图（ 1）从图 5 可以推测，玉树地震为左盘后撤平移，故发震断裂应为左旋走滑断（ 2）卫星最大拉伸等值线高值为35cm，局部极值为50cm，缩短等值线高值为-30cm 左右，极值为38cm，这些峰值都位于图3 中的 A 区域。结合地表地理信息我A 区域小得多，而玉树县结古镇附近的变形最大接近40 厘米， 这在一定程度上（ 3）一般而言，确定“地面破坏最严重地区”比确定微观震中对地震后续工作“宏观震中”，因此A 区的中心

8、地带可定为宏观震中。图 7、 8 为国土资源部新构造运动与重点实验室研究人员现场拍摄的玉树地震图确立宏观震中对于玉树地震的研究以及后续工作有重大的意义。它比微观震中更易于政府和有关部门确立救灾部署的重点，图 7 地震灾区房屋破坏情况A. 在剪切-挤压作用下二楼缺失，B. 建筑物和汽车被压扁，C. 一楼在剪切-挤压作用下夷平，D. 地表破裂从建筑物中间通过8 地表破裂特征A 连续延伸的地震破裂，B 地震破裂造成河流跌水，C 帐篷状构造，D 地表破裂沿反向断坎发育，E 地表破裂造成水平位移1.75m，F 地表破裂位错形成小型堰塞塘组员：张晗InSAR 技术有助于判定地壳活动方向，判别主被动盘，对地震进行快速判定。根据条纹的分布分析形变量空间分布有助于确定宏观震中。根据得出的分析，结合地表地理信息可以确定伤亡最严重地区，从而确定救灾部署的重点，在重建选址工作中也可以进行活动断裂带的避让。D-InSAR 技术确定的宏观震中较被普遍认识的微观震中有更大的实际应用价值和领域。应用 InSAR 技术进行分析需要综合数学、物理、地理等学科内容，使得知识紧密联系，也增长了我们对学习这些学科的兴趣。组员：欧阳柳青从小享受着现代文明带来的便利，这