基于d-insar技术的西藏玛尼地震变形分析

基于d-insar技术的西藏玛尼地震变形分析

合成孔雷达干扰测量技术（imar）是利用从合成孔中提取的相位信息为信息源获得三维信息和变更信息的技术。它是利用空间上分开的两副天线或同一天线在重复飞行的轨道上对同一区域进行两次成像,得到的两幅复图像(包括强度信息和相位信息)经配准后生成相位差图像,利用相位差图像来提取地面目标的三维信息。雷达差分干涉测量(D-InSAR)由InSAR引申而来,其通过同一地区不同时相的两幅干涉纹图进行差分组合或采取外部DEM模拟,消除地形影响,探测地表形变信息。D-InSAR技术由于观测结果的准确性和观测方法的特殊性,如其得到的观测结果是整个区域面的变形信息(而其他相同精度的观测手段得到的只是一些点和线的形变观测信息),它能对人员不能到达的危险地区的变形进行高精度监测等,引起了科技界和工程界的广泛关注。国际上研究利用D-InSAR技术测量地震形变,开始于20世纪90年代初。1993年,Massonnet等利用ERS1SAR数据成功地应用InSAR技术监测到美国Landers地震的地表形变,1994年Zebker又对Massonnet的方法提出了改进。Fujiwara等利用JERS-1星载InSAR技术监测到日本伊豆半岛的地壳形变。国内王超等人于2000年利用InSAR技术获取了张北-尚义地震的同震形变;单新建等利用InSAR技术对2001年昆仑大地震同震形变场进行的分析;单新建等人还对西藏玛尼地震震源的断层参数进行了研究。目前,D-InSAR技术已得到广泛应用,但是其需要解决的关键技术问题还有很多,同时由于受到数据源的限制,其用于地震形变的提取在国内例子还较少,所以有必要展开更多的研究和应用。本文是在前人研究的基础上,利用ERS-1/2SAR影像进行了三轨法D-InSAR提取地震形变的尝试研究,并对获得的结果进行了分析。1轨法d-smar数据处理关于InSAR的基本原理有很多文献都有详细的推导和介绍,本文仅简单介绍三轨法的基本原理以及操作步骤。地震前后获取的雷达影像生成的干涉图包含地形相位和形变相位。为了获取形变相位,必须去除地形相位,具体方法有两轨法、三轨法和四轨法。本文采用三轨法进行数据处理。三轨法是利用三景影像生成两幅干涉纹图,其中一幅反映地形信息(两次影像获取期间地壳没有发生明显的变形),另一幅反映形变信息(两次影像获取期间地壳发生了明显的变形),在消除平地效应后,分别进行相位解缠,最后将两幅图像进行差分而得到地表沿视线方向的地形变化,该方法的优点是无需地面信息如DEM,缺点是相位解缠的质量将影响到最终的形变结果。本文采用瑞士GAMMA雷达干涉处理软件进行了三轨法D-InSAR处理,数据处理流程如图1所示。本文的三轨法差分干涉数据处理具体流程如下:1)由地形对获取地形信息:以1996-04-16获取的ERS-2影像为主影像,1996-04-15获取的ERS-1影像为辅影像。经配准、干涉、去平、滤波、解缠等步骤后得到了解缠的地形相位;2)由变形对获取形变信息:以1996-04-16(震前)获取的ERS-2影像为主影像,1998-04-21(震后)获取的ERS-2影像为辅影像。同步骤1),经配准、干涉、去平、滤波、解缠后得到含有地形和形变双重信息的相位;3)将步骤1)获取的地形干涉相位在变形对的空间几何条件下模拟得到地形干涉相位,最后在总的相位中减去它,得到的结果仅包含形变相位。然后进行相位到形变量的转换计算,最后地理编码,得到形变量。2地表断裂d-动力1997-11-08在西藏自治区那曲地区玛尼乡北约150km处发生了MS7.9地震,震中位于35.2°N,87.3°E。玛尼地震发生在藏北高原北部长达270km的玛尔盖茶卡断层附近。野外考察资料表明,玛尼地震的地表同震破裂带长120km,以左旋剪切为主,最大左旋位移量达4.5m,其东西两侧水平位移约2～3m,最大地裂缝带宽度达300～400m。许力生等1999年的研究也表明,断层性质为左旋-逆走滑断层,破裂方式为由西向东。西藏玛尼地区气候干燥,地表裸露,植被稀少,去相干因素少,非常适合利用D-InSAR技术提取地表同震位移场。本次实验中选取了震前1996-04-15和1996-04-16两景ERS-1/2SAR追逐模式数据,用来获取高精度地形信息。同时选取震后1998-04-21ERS-2SAR数据,和震前1996-04-16获取的影像进行差分干涉,获取同震形变信息。InSAR数据处理采用瑞士GAMMA遥感公司开发的GAMMA软件。表1是所用SAR数据的基本参数。3地震变形规律地形对采用了相隔仅1d的ERS-1/2SAR追逐模式数据,在图像观测区间未发生变形,图像的整体相关性非常好,干涉条纹比较明显(见图2)。干涉条纹的疏密反映了局部地形特征。干涉条纹密集的区域地形较陡,干涉条纹稀疏的区域反映地形相对平坦。采用相同的处理步骤,得到变形对干涉图(见图3),由于该地区植被稀少、地表裸露,虽然时间间隔约2年,但大部分地区的相干系数均在0.5以上,总体干涉情况很好,干涉条纹清晰可见,可以看出,地震引起的断裂位置十分明显,距离断层越远条纹越稀疏,距离断层越近则条纹越密集,并且干涉条纹呈现以震中为中心的平行向外拓展的模式,与地震形变规律相吻合。图3经过去除地形相位,解缠形变相位到形变量的转换,地理编码,视线向形变量到垂直向形变量的计算得到地震引起的垂直向形变量,与主影像强度相叠加得到图4,图4中标出了潮阳湖的位置,地震震中以及地震引起断裂的概略位置,图4中每个色周代表10cm的垂直向形变量,通过形变条纹的周期变化趋势可以看出,断裂带以北的条纹向北东方向发散,断裂带以南是向东南方向发散,形成左旋扭动的态势,这一结果与野外考察资料一致,通过色周数可以看出北盘垂直位移最大约0.7m,南盘垂直位移最大约0.8m。同理图5表示地震引起的水平位移量,每个色周代表20cm的水平位移量,可以看出北盘最大水平位移约1.6m,南盘最大水平位移约2.4m。表明了三轨法D-InSAR技术探测地震形变的巨大潜力和优势。需要指出的是,由于大气效应、基线估计误差、地形对提取DEM的误差等的存在,认为图4和图5中远离断裂的上半部分为误差,不是形变量。形变条纹随着远离断裂逐渐稀疏,符合地震形变的规律。由于受数据的限制,本文只包含了玛尼地震引起的部分断裂,研究具有区域性。而单新建等的研究结果覆盖了整个地震断裂,是全局的。4关于差分干涉图的相互影响的方法本文得到的垂直向和水平向都是相对形变量,即假定离断裂带远处的某点形变量为0,得到的整幅图的形变量。如果有控制点,则可以得到整个地区的绝对形变量。另外,得到的形变量是转换为垂直向和水平向的,而实际的形变可能是任意方向的,所以需要根据经验和地表实测数据建立形变模型模拟,才能确定形变机制。由于地震形变较大,所以差分干涉图一般条纹清晰可辨,也可根据条纹的数量定量地获取视线向的形变量,可根据卫星的视角将视线向的形变量换算为水平形变量,这样避免了相位解缠,不仅节省时间,而且避免了新的误差引入,而本文靠近断裂带的地区条纹密集无法辨别,故需进行相位解缠以获得形变量。我国幅员辽阔、自然条件复杂,很多地区如青藏地区自然条件及其恶劣,很难也不太可能通过常规手段进行监测,致使这些地区的监测资料缺失。而InSAR技术不受这些因素的限制,具有全天候、全天时作业的优势,并且这些地区植被稀少,更利于InS