基于差分干涉的合成孔径雷达sar形变场提取与变形分析

基于差分干涉的合成孔径雷达sar形变场提取与变形分析

1传播路由差影响合成孔雷达段（sar）的位移测量是雷达遥感领域的研究热点。其基本原理是根据两组对应的干涉图案之间的差值来测量变化检测条纹的结果。该技术支持对动态变化的高度灵敏度、高空间分辨率和宽覆盖率。该技术在测量表面变形方面具有无与伦比的优越性，可以相对测量厘米以外的体积变形位移。作为一种新型的遥感测量技术，差分干扰测量在测量表面生态变化方面得到了广泛应用。差分干涉测量技术是在SAR干涉测量的基础上发展起来的,单轨双天线或重复轨道都可以获取SAR干涉数据.由于当前在轨的星载SAR系统全是单波段单天线,因此已有的一些关于差分干涉测量的研究大都采用重复轨道数据.在忽略大气影响、内部时钟漂移等因素的情况下,只要雷达观测期间地表的后向散射特性基本保持不变,则生成的干涉图通常包含如下信息:①相对轨道位置所引起的传播路程差;②地形所引起的立体路程差,同基线距有关,可通过数字高程模型(DEM)或另一幅干涉图消除地形影响;③数据获取时地形位移所引起的路程差,每个干涉条纹相当于沿雷达视向半个波长的位移量.如果能够消除掉前两方面的信号,那么剩下的第3个因素产生的干涉条纹信息可用于监测地表的动态变化.根据消除地形效应所采用的方法不同,差分干涉测量可分为两类:基于DEM模拟条纹和基于生成的从干涉纹图的差分测量.在基本原理上,两者并没有太大的差别.差分干涉测量的实现步骤从整体上可以分为两大步:①将地表形变前后的两幅聚焦SAR图像配准,共轭相乘,生成主干涉图;②利用生成的地表形变前的干涉图或DEM模拟干涉图从主干涉图中消除地形影响,便得到地表形变检测图.为便于应用,在实际数据处理中一般是用成像间隔内未发生地表形变的图像对提取出DEM或该区形变前原来已有的DEM,然后利用做变化检测的两图像的基线关系模拟出仅由地形引起的干涉条纹图,再在主干涉条纹图中减去生成的模拟条纹图,则最后得到的干涉条纹图只包含地表形变信息.受数据源的限制,我国干涉雷达遥感应用研究的例子还较少,差分干涉测量技术成功用于地表形变探测的研究实例更少.本文作者利用欧洲空间局1996_04_15获取的ERS-1数据和1996_04_16获取的ERS-2数据,以及1997_12_02获取的ERS-2数据,每个获取日期的图像为2景,共6景图像,应用差分干涉测量技术对发生于1997_11_08的西藏玛尼地震进行了提取区域形变场的应用研究.2震级ms的ms1997_11_08T10:02:55.4(UTC)在我国西藏自治区那曲地区的玛尼乡发生了Ms7.9级地震.中国地震台网测得这次地震的震中位置为87.33°E,35.26°N,震源深度40km,震级Ms7.4;美国国家地震信息中心(NEIC)测定的这次地震的发震时间为10:02:54.9(UTC),震中位置为87.37°E,35.11°N,震源深度35km,震级Ms7.9.玛尼地震是20世纪90年代以来在我国境内发生的最强的一次地震,探索它的发震和形变机制,调查其地表破裂的几何学和运动学特征以及与此相关的块体运动学图像等,对于分析将来一段时期内我国的地震发展规律具有重要意义.2.1遥感图像分析玛尼地震震中位于羌塘块体北部边界的近东西向玛尔盖查卡(若拉错断裂上,朝阳湖的南部,该断裂全新世以来活动十分强烈.玛尔盖查卡-若拉错断裂走向近东西,长270km.该区植被稀少,地面裸露,大气干燥,荒无人烟,构造活动显著,使获取的遥感信息具有干扰因素少、图像清晰、构造活动明显等特点.因此,该区成为利用遥感技术探测构造、断裂、地震等的最佳首选地区.李建华对1∶100万地球资源卫星图像分析,认为全新世的玛尔盖茶卡-若拉错断裂带上发生的玛尼地震是该断裂带现代活动的表现.遥感图像上(见图1),玛尔盖查卡-若拉错断裂周围流向断裂带的一系列沟谷发生同步扭曲,反映出断裂明显的走向滑动形迹,在玛尔盖查卡地段,玛尔盖茶卡断层线性刻蚀形迹清晰,具有显著的左行平移性质,测量结果表明,一级水系最大左行平移达3500m.2.2模拟dem方法获取地表条纹图利用加拿大Atlantis研究所研制的干涉雷达数据处理软件EarthViewInSAR处理数据,该软件允许处理者对数据处理过程进行灵活调整,以适应干涉测量不同地学具体应用的需要.玛尼地震的震中位置正好位于ERS卫星两景图像(Frame2889和Frame2907)之间,因此必须分别处理两组数据,最后再将结果图进行镶嵌.整个数据处理流程可以表述为如下4步:①利用1996_04_15获取的ERS-1数据(作为辅图像)和1996_04_16获取的ERS-2数据(作为主图像,它和辅图像构成一个串行(Tandem)数据对)作DEM提取;②利用1997_12_02获取的ERS-2数据(作为辅图像)与1996_04_16获取的ERS-2数据(作为主图像)作差分处理,生成主干涉条纹图;③利用①生成的DEM,采用②生成主干涉图的基线条件,生成模拟从干涉条纹图;④最后从主干涉条纹图中减去③生成的从干涉条纹图,就得到斜距向变化检测条纹图.在数据处理中,为了精确提取DEM,对每组数据,在1∶10万地形图上建立了20个高程控制点,利用高程控制点作了基线模型的重新估计.此外,由于软件中的平地相位消除算法是按海平面来计算的,而本文作者研究区域平均海拔高度为5000m,这导致干涉条纹图中存在明显的残留相位.该残留相位必须消除,否则无论是DEM提取还是地表形变信息提取都会存在明显的误差.对地形条纹图,选择图中平坦区域来估计残留相位的梯度,在消除了残留相位后,干涉条纹图解绕后生成的DEM与1∶10万地形图比较,均方根误差为18.7m;而对于变化检测条纹图,选择图中远离震中,条纹分布规律,基本上不可能存在形变的区域来估计残留相位的梯度,并从变化检测条纹图中消除残留相位的干扰.最后,把从两景数据分别提取的变化检测条纹图进行镶嵌(见图2),条纹的配准误差在半个条纹以内,说明由地形和平地相位的不正确估计带来的变化检测条纹的误差也是这个量级.2.3变化检测条纹解释Zebker认为干涉图像去相关主要由基线、斑点噪声、成像间隔内地表散射特征的变化和强烈的几何畸变4个因素引起.本文作者结合该区环境条件,就玛尔盖查卡(若拉错断裂带附近的变化检测条纹,针对这几个主要因素进行分析.在变化检测条纹图上,可以识别出多个条纹紊乱区域(图2).除对应玛尔盖查卡(若拉错断裂带附近的紊乱区外,其他条纹紊乱区多是对应着湖泊.水面的季节性变化较大,因湖面的散射特征发生季相去相关而形成紊乱条纹区是正常的.在数据处理过程中,滤掉平地相位,相当于消除了基线去相关的影响,而图像已作了重采样,等效于用多视处理来降低斑点噪声;再者,研究区虽然平均地势很高,但相对高差在600m以内,陡峭山地并不多,强烈的叠掩和透视收缩造成去相关的情况不多,范围也很小.由此分析,可认为区内较大范围的去相关应主要考虑时相去相关因素.但该区主要是戈壁和残山地貌,海拔高度多在4800m以上,植被稀少,散射特征在成像间隔内应差别不大.因此,图2上出现的玛尔盖查卡(若拉错断裂带附近的无序紊乱条纹只可能是因地表形变的梯度超出了干涉条纹能度量的范围而形成.进一步推断,可能是沿着密集的次级断裂的错动或块体的转动造成位移场失去相干性而形成.总之,无论何种原因,从变化检测条纹图上分析,确定玛尔盖查卡-若拉错断裂带是形变最剧烈、最有可能发生地表破裂的区域,震中也位于这个带内.变化检测条纹图中沿着玛尔盖查卡-若拉错断裂带两侧的条纹基本上与断裂带平行,随着距离断裂带由远及近,由疏缓变得密集,即变形梯度加大,直到失去相干性,这是典型的塑性剪切位移造成的条纹图案,从断裂两侧条纹分布的不对称,总体上可判断出断裂为左行平移性质.由于变化检测条纹图反映的只是每个像元所在位置沿斜距向的位移(每个干涉条纹相当于沿雷达视向半个波长的位移量,对ERSSAR系统,λ/2=2.8cm),而实际的地表形变可能是垂直向的,也可能是水平向的,还有可能是斜向的,更多的情况下是综合的形变作用.所以,对这种条纹的解释存在多解性,需要根据经验并结合地表实测数据建立形变模型来模拟,才能确定形变机制.为了定量地推算出断裂的相对位移量,在此假定,形变只是沿断裂带走向(北东东向)的水平错动,则斜距表示的形变量与这个假定方向的形变量的比值等于sinφsinθ≈0.32(式中φ≈70°是雷达星下点航迹与水平形变方向的夹角,θ≈23°是雷达入射角).因此,斜距表示的形变量除以0.32,就能换算成水平错动位移量.在此假设下,如果相邻像元之间的水平错动相对位移量超过δ=(2.8/0.32)cm=8.75cm,则相邻像元斜距向的相对位移就超过了一个条纹周期,这时干涉条纹将呈无序紊乱状态.在变化检测条纹图中,断裂带南侧从无序带向外到可认为无形变的区域至少可数出32条条纹,所以南侧水平错动的最大变形量至少超过32×0.028/0.32=2.8m;北侧可数出约20条条纹,推断北侧水平错动的最大变形量至少超过20×0.028/0.32=1.75m.由此可见,断裂南侧的形变量大于北侧.应指出的是,水平左行剪切只是整体的形变机制,在一些局部点上可能会有垂直位移分量,也可能有后期位移的叠加,比如震中南侧的条纹发生了明显的弧形弯曲,推测震中附近可能叠加了震后下陷.徐锡伟等的野外考察资料表明,藏北无人区玛尼地震地表破裂带位于玛尔盖茶卡湖北缘的地震断裂带上.这条总体上近于直立的断裂带是玛尼地震的发震断层,沿北东东向分布,玛尼地震的地表破裂带长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2~3m,地裂缝带宽度达300~400m.这一考察结果证实了沿着玛尔盖查卡-若拉错断裂带发生了地表破裂,这同从变化检测条纹图上分析出来的结果一致.另外,许力生等的研究表明,玛尼地震的发震断层走向为250°、以走滑为主的左旋-逆断层,断层面的倾角比较陡,约88°,破裂方式为由西向东,从总体趋势看,认为这次地震具有单侧破裂的特征,该结论与作者采用SAR差分干涉测量研究的分析结果基本一致.3变化检测条纹图特征和变形机制的确定以ERS-1/2SAR图像为数据源,应用雷达差分干涉测量技术对发生于1997年11月8日的西藏玛尼地震进行了提取区域形变场的研究.从变化检测条纹图上确定玛尔盖查卡-若拉错断裂带是地震形变最强烈、最可能出现地表破裂的区域,并从提取的变化检测干涉条纹图案特征确定沿该断裂带的主要变形机制是左行剪切,还