D-InSAR地震地表形变监测与分析

传统的地表形变监测的方法有三角测量、水准测量、GPS测量等，但是这些测量方法都较为传统，且都有测量范围受限、测量难度大、测量周期长、测量成本高等短板。而近年来合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术，已经广泛运用于地表形变监测，它是一种以复数据提取的相位信息为数据源提供地形三维变化信息的一项技术，与传统的监测仪器相比能够大幅度地提升地表形变监测的效率。差分合成孔径雷达干涉测量（D-InSAR）技术是InSAR技术的拓展，主要原理指研究区范围内地表形变前后两张或三张SAR影像产生的干涉图，并且去除其中的地形相位、大气相位、平地相位、噪声相位，从而得出高精度地表形变信息，如获取震前和震后短时间内变形情况和高精度的形变值。与传统的方法相比，D-InSAR技术监测地表形变具有大面积、周期短、连续、准确的优势，不需要铺设多个地面控制点，从而降低了监测成本。1

D-InSAR技术原理与数据处理主要以二轨法和三轨法为例介绍D-InSAR地表形变测量的基本原理。首先二轨法是对同一个研究区的变形前后的两景SAR影像进行差分干涉处理，接着再引入外部下载好的DEM数据模拟地形相位，并与干涉结果进行差分去除干涉图里的地形相位，并且进行滤波处理去除平地相位、大气相位、噪声相位获取形变相位，然后相位解缠以及地理编码来获取最终的地表形变图。此方法优点是所需的SAR数据集较少，且只需通过外部DEM数据的导入消除地形相位，减少了数据处理的工作量，缺点在于外部DEM本身存在误差会保留在最终的形变结果中，精度往往较差。三轨法则是对同一个区域形变前的两景SAR影像和形变后的一景SAR影像进行差分干涉处理，这三景影像生成两幅干涉图，一幅含有地形相位，另外一幅含有地表形变相位，进行去平地效应及相位解缠，最后进行差分干涉处理，将地表形变相位转换为形变量。此方法优点是不需要额外提供外部DEM数据，缺点是需要数据集增多，数据处理量增大。二轨法和三轨法的数据处理流程分别如图1（a）和图1（b）所示。（a）（b）图1  二轨法及三轨法数据处理流程（a）示意1；（b）示意22

研究区概况与数据源2.1

研究区概况本文的研究区为四川省泸定县，泸定县位于四川省甘孜藏族自治州东南部，全县辖区面积2 165.35 k㎡，国道318和省道434贯穿全境，素有“康巴东大门”的美誉。本文主要针对泸定县范围内的地震地表形变进行监测与分析。2.2

数据源选用覆盖泸定县Sentinel-1A卫星获取的3景IW模式的SAR数据作为数据源，数据格式为单视复型（SLC），C波段波长5.6 cm，空间分辨率为5 mm×20 mm（方位向×距离向），图像极化方式均为VV极化，Sentinel-1A数据部分参数见表1，并结合了Sentinel-1A卫星相对应时间范围内的精密轨道数据和30m空间分辨率的SRTM4DEM数据去除平地相位和地形相位。表1  卫星Sentinel-1A数据部分参数3

监测结果与分析由图2（a）可知，研究区二轨法震后地表形变量主要集中在-0.1 355~0.2 533 m，且形变范围较大，主要集中在研究区西北部和西南部，其中沉降最明显的区域在冷啧镇西部，沉降量能达到0.13m，而隆起最明显的区域在燕子沟镇和磨西镇西南部，隆起量能达到0.25 m。而由图2（b）可知，研究区三轨法震后地表形变量主要集中在-0.1 538~0.1 895 m，形变范围相较于二轨法稍小，主要集中于研究区中部和南部，其中沉降最明显的区域在德威镇附近，沉降量达到0.15 m，而隆起最明显的区域位于磨西镇和得妥镇的南部，隆起量达到0.18 m，可见三轨法和二轨法反演出的研究区地震地表形变范围和形变量差距不大。（a）

（b）图2  二轨法及三轨法震后地表形变量（a）示意1：

（b）示意2分别在二轨法和三轨法形变图上作2条坡面线（AB和CD），如图2所示。由研究区形变剖面可知，二轨法最大隆起点在坡面距离28 km时隆起形变值到达了0.25 m，三轨法最大隆起点在坡面距离25 km时隆起形变值到达了0.18 m，两者相差0.07 m；二轨法最大沉降点在距离31 km时沉降形变值均达到了0.12m，三轨法最大沉降点在距离31 km时沉降形变值均达到了0.11 m，两者相差0.01 m。可见三轨法和二轨法反演出的研究区最大地震地表形变剖面值差距不大。由二轨法和三轨法震后地表形变精度可知，二轨法的地表形变精度范围大致在-0.12 ~0.52 mm之间，而二轨法的地表形变精度范围大致在0.01 ~0.30 mm，明显得出三轨法D-InSAR监测的地震地表形变精度要优于二轨法，因此在没有高精度的DEM数据的情况下，优先选用三轨法D-InSAR监测地震地表形变。4

结论基于二轨法和三轨法差分干涉合成孔径雷达测量（D-InSAR）技术对覆盖四川泸定县3景Sentinel-1A降轨数据进行干涉处理，获得了研究区2022年8月~9月垂直方向的地震地表形变图和精度图，并进行了相关的剖面分析。研究结果表明如下。（1）二轨法和三轨法反演出的研究区地震地表形变范围和形变量差距不大，其中二轨法形变量主要集中在-0.1 355~0.2 533 m，且形变范围较大，主要集中在研究区西北部和西南部；而三轨法形变量主要集中在-0.1 538 ~0.1 895 m，形变范围相较于二轨法稍小，主要集中于研究区中部和南部。（2）三轨法和二轨法反演出的研究区最大地震地表形变剖面值差距不大，其中二轨法和三轨法最大隆起点形变值相差0.07 m，最大沉降点形变值相差0.01 m。（3）三轨法D-InSAR监测的地震地表形变精度要优于二轨法，因此在没有高精度