利用三轨法D_InSAR技术获取玛尼地震形变

利用三轨法D_InSAR技术获取玛尼地震形变 利用三轨法 D2In SA R 技术获取玛尼地震形变 1 2 3 季灵运,刘瑞春,杨成生 ()1. 中国地震局第二监测中心 ,陕西 西安 710054 ;2. 山西省地震局 ,山西 太原 030021 ;3. 长安大学 地测学院 ,陕西 西安 710054 () 摘 要 :雷达差分干涉测量 D2InSA R技术以其高精度检测雷达视线向形变量的特性 ,在地学界得到广泛应用 。利 用三轨法 D2InSA R 技术提取 1997 年 11 月 8 日西藏玛尼地震的部分垂直形变和水平形变 ,结果表明 :断裂为左旋扭 动态势 ,北盘最大垂直位移约 0 . 7 m ,南盘最大垂直位移约 0 . 8 m ,北盘最大水平位移约 1 . 6 m ,南盘最大水平位移约 2 . 4 m 。表明三轨法 D2InSA R 技术用于探测地震形变的巨大潜力和优势 。 关键词 :D2InSA R ;三轨法 ;玛尼地震 ;形变量 () 文章编号 :100627949 20090220005204 中图分类号 : P315文献标识码 : A Obta in ing def ormation of Man i earthqua ke by three2pa ss D2InSAR techn ique 1 2 3J I L i ng2yun, L IU Rui2c hun, YA N G Che ng2she ng (1 . Seco nd Cr ust Mo nito ring and Applicatio n Center , Xi’a n 710054 , Chi na ; 2 . Eart hqua ke A dmini st ratio n of Shanxi Pro vince , )Taiyua n 030021 ,China ;3 . College of Geolo gy Engineering a nd Geo matics , Cha ng’an U niver sit y , Xi’an 710054 ,China ( ) Abstract :Diff ere ntial SA R Int e rf e ro met r y D2In SA R co ul d mea sure loo k2of2si ght di sp lace me nt p reci sel y a nd i s u sed wi del y i n geo matic s. Thi s p ap er at t ai n s t he ver tical a nd ho rizo nt al defo r matio n of Ma ni ea r t h2 qua ke at No ve mber 8 , 1997 . The ma xi mum ve rtical defo r matio n a nd ho rizo nt al defo r matio n of t he no r t h2 er n r up t ure p a r t a re a bo ut 0 . 7 m a nd 1 . 6 m re sp ectivel y , a nd t he co unt erp a rt of t he so ut he r n r up t ure p a r t a re a bo ut 0 . 8 m a nd 2 . 4 m . The r up t ure i s lef t2lat e ral . Thi s re sult i ndicat e s t hat D2In SA R i s po t e ntial i n det ecti ng defo r matio n of ea r t hqua ke . Key words :D2In SA R ; t hree2p a ss met ho d ; Ma niea r t hqua ke ; defo r matio n ( ) ) 合成孔径雷达干涉测量技术 In SA R是以合成,它能对人员不能到是一些点和线的形变观测信息 达的危险地区的变形进行高精度监测等 ,引起了科 孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源获取地表 [ 1 ] 技界和工程界的广泛关注 。国际上研究利用 D2In2 的三维信息和变化信息的一项技术。它是利用空 SA R 技术测 量 地 震 形 变 , 开 始 于 20 世 纪 90 年 代间上分开的两副天线或同一天线在重复飞行的轨道 初 。1993 年 ,Ma sso nnet 等利用 ER S1 SA R 数据成 ( 上对同一区域进行两次成像 ,得到的两幅复图像 包 功地应用 In SA R 技术监测到美国 L a nder s 地震的 ) 括强度信息和相位信息经配准后生成相位差图像 ,[ 2 ] 地表形 变, 1994 年 Ze bke r 又对 Ma sso nnet 的 方利用相位差图像来提取地面目标的三维信息 。 雷[ 3 ] 法提 出 了 改 进。F ujiwa ra 等 利 用 J ER S21 星 载 ( ) 达差分干涉测量 D2In SA R由 In SA R 引申 [ 4 ] In SA R 技 术 监 测 到 日 本 伊 豆 半 岛 的 地 壳 形 变。而来 ,其通过同一地区不同时相的两幅干涉纹图进 国内王超等人于 2000 年利用 In SA R 技术获取了张行差分组合或采取外部 D EM 模拟 ,消除地形影响 , [ 5 ] 北2尚义地 震的 同 震形 变; 单新 建 等 利 用 In SA R 探测地表形变信息 。 技术对 2001 年 昆 仑 大 地 震 同 震 形 变 场 进 行 的 分 D2In SA R 技术由于观测 结 果的 准确 性 和观 测 [ 6 ] 析;单新建等人还对西藏玛尼地震震源的断层参 方法的特殊性 ,如其得到的观测结果是整个区域面 [ 7 ] (数进行了研究。的变形信息 而其他相同精度的观测手段得到的只 收稿日期 :2008204215 ( ) 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 40574041( ) 作者简介 :季灵运 1982,,男 ,助理工程师 ,硕士. 目前 , D2In SA R 技术已得到广泛应用 , 但是 其 ER S22 影像为主影像 ,1996204215 获取的 ER S21 的 需要解决的关键技术问题还有很多 ,同时由于受到 影像为辅影像 。经配准 、干涉 、去平 、滤波 、解缠等步 数据源的限制 ,其用于地震形变的提取在国内例子 骤后得到了解缠的地形相位 ; ) ( 2由变 形 对 获 取 形 变 信 息 : 以 1996204216 震还较少 ,所以有必要展开更多的研究和应用 。本文 ) )( 前获取的 ERS22 影像为主影像 ,1998204221 震后是在前人研究的基础上 , 利用 ERS21/ 2 SA R 影 像 ) 获取的 ER S22 影像为辅影像 。同步骤 1,经配准 、 进行了三轨法 D2In SA R 提取地震形变的尝试研究 , 并对获得的结果进行了分析 。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 ;三轨法 D2In SA R 技术简介 1 ) ) 3将步骤 1获取的地形干涉相位在变形对的 关于 In SA R 的基本原理有很多文献都有详细 空间几何条件下模拟得到地形干涉相位 ,最后在总 的推导和介绍 ,本文仅简单介绍三轨法的基本原理 的相位中减去它 ,得到的结果仅包含形变相位 。然以及操作步骤 。 后进行相位到形变量的转换计算 ,最后地理编码 ,得 地震前后获取的雷达影像生成的干涉图包含地 到形变量 。 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 2 研究区域背景以及数据介绍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 1997211208 在西藏自治区那曲地区玛尼乡北约 ) 影像获取期间地壳没有发生明显的变形,另一幅反 150 k m 处发生了 M S7 . 9 地震 ,震中位于 35 . 2?N ,(映形变信息 两次影像获取期间地壳发生了明显的 87 . 3E? 。玛 尼 地 震 发 生 在 藏 北 高 原 北 部 长 达) 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 270 k m的玛尔盖茶卡断层附近 。野外考察 资料 表 变化 ,该方法的优点是无需地面信息如 D EM ,缺点 明 ,玛尼地震的地表同震破裂带长 120 k m ,以左旋 是相位解缠的质量将影响到最终的形变结果 。本文 剪切为主 ,最大左旋位移量达 4 . 5 m ,其东西两侧水 采用瑞士 GA M M A 雷达干涉处理软件进行了三轨 平位 移 约 2 , 3 m , 最 大 地 裂 缝 带 宽 度 达 300 , 法 D2In SA R 处理 ,数据处理流程如图 1 所示 。 400 m 。许力生等 1999 年的研究也表明 ,断层性质 [ 8 ] 为左旋2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 D2In SA R 技术提取地 表同震位移场 。 本次实验中选取了震前 1996204215 和 19962042 16 两景 ERS21/ 2 SA R 追逐模式数据 , 用来获取高 精度地 形 信 息 。同 时 选 取 震 后 1998204221 ER S22 SA R 数据 ,和震前 1996204216 获取的影像进行差分 干涉 ,获取同震形变信息 。In SA R 数据处理采用瑞 士 GA M MA 遥感公司开发的 GA M MA 软件 。表 1 是所用 SA R 数据的基本参数 。 表 1 SAR 影像参数表 时间间隔 垂直基线 高程模糊度 卫星 轨道号景号获取时间/ d / m / m 2 889 ERS21 24 842 204215 19961 99 . 7 95 . 3 2 889 ERS22 05 169 1996204216 735 130 . 6 72 . 8 ERS22 15 690 1998204221 2 889 图 1 三轨法 D2InSAR 数据处理流程 3 三轨法 D2In SA R 结果及分析 本文的三轨 法 差分 干涉 数 据处 理具 体 流程 如 地形对采用了相隔仅 1 d 的 ER S21/ 2 SA R 追 下 : ) 1由地形对获取地形信息 : 以 1996204216 获取 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 10 c m 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 . 7 m ,南盘垂直位移最大约 0 . 8 m 。同理图 5 表 示地震引起的水平位移量 ,每个色周代表 20 cm 的 水平位移量 ,可以看出北盘最大水平位移约 1 . 6 m , 南盘最大水平位移约 2 . 4 m 。表明了三轨法 D2In2 SA R 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 D EM 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 [ 7 ] 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 结束语 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 图 2 地形对干涉图 rada r interf ero mt r y[J ] . Nat ure ,1993 ,364 ,364 :1382142 . 分干涉图一般条纹清晰可辨 ,也可根据条纹的数量 [ 3 ] ZEB KER H A . O n t he derivatio n of co sei smic di splace2 定量地获取视线向的形变量 ,可根据卫星的视角将 [ 9 ] ment fields using diff erential radar interf ero met r y : t he 视线向的形变量换算为水平形变量,这样避免了 () L a nder eart hqua kes [ J ] . J . Geop hys. Re s ,1994 ,99 B10: 相位解缠 ,不仅节省 时间 , 而 且 避免 了新 的 误差 引 19617219634 . 入 ,而本文靠近断裂带的地区条纹密集无法辨别 ,故 [ 4 ] FUJ IWA RS S , O ZA WA S , TOB I TA M , et al . Cr ustal 需进行相位解缠以获得形变量 。 我国幅员辽阔 、自defo r matio n f ro m t he 1997 M6 . 3 a nd M6 . 2 ea rt hquake s 然条件复杂 ,很多地区如青藏 in Kyushu , J ap a n , detected by InSA R technique [ J ] . 地区自然条件及其恶劣 ,很难也不太可能通过常规 () EO S ,2000 ,81 22:18 . 手段进行监测 ,致使这些地区的监测资料缺失 。而 [ 5 ]王 超 ,刘 智 ,张 红 ,等 . 张北 - 尚义地震同震形变场 ( ) 雷达差分 干 涉 测 量 [ J ] . 科 学 通 报 , 2000 , 45 23: 25502 In SA R 技术不受这些因素的限制 , 具有全天候 、全 2556 . 天时作业的优势 , 并 且这 些 地区 植被 稀 少 , 更利 于 [ 6 ]单新建 ,柳稼航 ,马 超 . 2001 年昆仑山口西 8 . 1 级地震 In SA R 技术优势的发挥 。In SA R 技术的应用对地 同震形 变 场 特 征 的 初 步 分 析 [ J ] . 地 震 学 报 , 2004 , 26 震孕育 、地震同震形变的提取有了深入的认识 。随 () 5:4742480 . 着 In SA R 技术的日趋成熟以及越来越多高分辨率 [ 7 ]单新建 ,马 瑾 ,王长林 ,等 . 利用星载 D2InSA R 技术获 (星载 SA R 的发射 如意大利 1 m 高分辨率雷达卫星 取的地表形变场提取玛尼地震震源断层参数 [ J ] . 中国科 () () 学 D 辑,2002 ,32 10:8372844 . 系统首颗卫星 CO SMO2SkyMe d21 、德国 1 m 高分辨 [ 8 ]单新建 ,马 瑾 ,柳稼航 ,等 . 星载 D2IN SA R 技术及初步 ) 率雷达卫 星 Te r ra SA R2X 的 成 功 发 射, In SA R 技 应用 % %以 西 藏 玛 尼 地 震 为 例 [ J ] . 地 震 地 质 , 2001 , 23 术应用于地震地表形变的实时监测也将成为现实 。 () 3:4392446 . [ 9 ]单新建 ,张国宏 . 孕震区震前 D2InSA R 干涉形变场动态 参考文献() 演化图像分析 [J ] . 地震地质 ,2006 ,28 3:4412446 . [ 1 ]王 超 , 张 红 , 刘 智 . 星 载 合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量 [ 责任编辑 :刘文霞 ][ M ] . 北京 :科学出版社 ,2002 . [ 2 ] MA SSON N E T D , RO SSI M , CA RMONA C ,et al . The di splacement field of t he L a nder s eart hqua ke mapp ed by () 上接第 4 页 [ 2 ] 陈继光 ,赵成民 . GPS 桥梁高程控制网的人工神经网络究其原因在于它是建立在统计学习理论和结构风险 () 模型 [J ] . 国外公路 ,2000 2:51254 . 最小原理基础上的 ,能较好地解决小样本 、非线性 、 [ 3 ] 顾利亚 ,张 新 . GPS 跨河高程测量的附加参数拟合法 高维数和局部极小点等实际问题 。 () [J ] . 西南交通大学学报 ,1998 3:2792283 . [ 4 ] 许 曦 ,朱建军 , 刘庆元 , 等 . GPS 跨障碍高程传递的初 ) 3当跨距较长时 ,一些拟合数据虽然满足往返 () 步研究 [J ] . 工程勘察 ,2003 6:40243 . 高差闭合差的限差要求 ,但往测误差 ,或者返测误差 [ 5 ] M . N OR GA A RD. Neural net wo r k ba sed system identi2 较大 。因此 ,对于跨距较长的拟合数据 ,需要在满足 ficatio n tool bo x. Tech . Repo rt . 002E2891 ,Dep a rt ment of 往返高差闭合差的限差要求的拟合数据中 ,选取部 A uto matio n [ Z ] . Technical U niver sit y of Denmar k , 分数据作为虚拟观测数据参与平差 。为了保证虚拟 2000 . [ 6 ] 吴兆福 ,宫 鹏 ,高 飞 ,等 . 基于支持向量机的 GPS 似 观测值的可靠性 ,可以分别利用支持向量机和神经 () 大地水准面拟合 [J ] . 测绘学报 ,2004 4:3032306 . 网络的方法进行高程异常差拟合 ,再挑选这两种拟 [ 7 ] 许 曦 . 基 于 天 文 水 准 的 GPS 跨 障 碍 高 程 传 递 研 究合方法的计算结果 ,往返高差不符值比较小的作为 [ D ] . 长沙 :中南大学 , 2002 . 虚拟观测参与平差 。 [ 8 ] 李建成 , 姜卫平 . 长距离跨海高程基准传递方法的研究 ( ) [ D ] . 武汉大学学报 :信息科学版 , 2001 ,26 6:5142517 . 参考文献 [ 责任编辑 :郝丽英 ] [ 1 ]刘经南 ,施 闯 ,姚宜斌 ,等 . 多面函数拟合法及其在建立 中国地壳平面运动速度场模型中的应用研究 [ J ] . 武汉大 () 学学报 :信息科学版 ,2001 ,26 6:5002503 .