王慧玲，張永志，郭大同，高 陽，尹 鵬

(1. 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710064; 2. 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

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利用ALOS數(shù)據(jù)獲取汶川MS8.0地震的震前形變

王慧玲1，張永志1，郭大同2，高 陽1，尹 鵬1

(1. 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710064; 2. 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

利用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量的短基線技術(shù)對(duì)汶川震前的地表形變進(jìn)行面狀監(jiān)測(cè)。獲取的是日本衛(wèi)星L波段的ALOS PALSAR傳感器拍攝的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。在Gamma軟件處理下，將2007年6月至2008年5月的時(shí)隔320 d的6景數(shù)據(jù)，利用stacking技術(shù)得到汶川震中地區(qū)在震前一年內(nèi)的變形速率。變形特征表明，沿著汶茂斷裂帶呈“凸”字形分布特征，斷裂帶處最大隆升值達(dá)24 cm，斷層兩側(cè)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在綿虒鎮(zhèn)附近達(dá)到最大沉降值22 cm。與前人用D-InSAR所做出的研究結(jié)果相比，二者具有很好的一致性。

汶川地震；形變；SBAS_InSAR；ALOS數(shù)據(jù)

2008年5月12日四川省汶川縣(31.0°N，103.4°E)MS8.0地震，是近年來破壞程度和強(qiáng)烈程度最為嚴(yán)重的一次[1]。地殼運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是地球內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力作用下引起的地殼一些相對(duì)運(yùn)動(dòng)(包括垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)等)。從預(yù)變應(yīng)變建立到同震移位，進(jìn)一步到后震彈性恢復(fù)，地震周圍地表變速變形，甚至達(dá)幾十厘米[2]。本文利用小基線技術(shù)對(duì)汶川地區(qū)震前進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)研究，得到一年之內(nèi)汶川地區(qū)地面的形變速率，并將研究結(jié)果與前人結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探討地震前地表形變呈現(xiàn)的規(guī)律。

汶川地震震區(qū)海拔高，地勢(shì)險(xiǎn)峻，利用水準(zhǔn)測(cè)量和布設(shè)GPS形變觀測(cè)點(diǎn)的方法較困難，很難獲取研究區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的形變情況，即使獲取到部分圖像，也不是連續(xù)的[3]。曾有人通過分析獲取到的斷層和GPS觀測(cè)資料，得到了與經(jīng)驗(yàn)和理解相悖的結(jié)果，因?yàn)樵诘卣鸨l(fā)前期，無明顯的變化結(jié)果，且越靠近震中，變化越不明顯[4]。顯然，這是與現(xiàn)實(shí)不符的。

D-InSAR是近幾年發(fā)展起來的一種用于地形和地面變形測(cè)繪的強(qiáng)大技術(shù)，有著全天候和晝夜成像的能力以及寬空間覆蓋高分辨率和高測(cè)量精度的特點(diǎn)[5]。2004年,李震等采用該技術(shù)對(duì)青藏公路沿線進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)，所得結(jié)果與實(shí)地監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)形變數(shù)據(jù)非常吻合[6]；但是，該技術(shù)因?yàn)楸O(jiān)測(cè)精度受時(shí)間和空間相關(guān)性以及大氣延遲的影響，只能得到單個(gè)變形成果，不能得到研究區(qū)域表面變形的時(shí)間演化情況[7]。

基于此，部分國(guó)際學(xué)者提出了基于D-InSAR的時(shí)序InSAR技術(shù)(multi-temporal InSAR)，通過對(duì)大量數(shù)據(jù)在高相位點(diǎn)目標(biāo)的分析，獲得了研究區(qū)地表面變形速率和變形時(shí)間序列[8]。短基線集(SBAS-InSAR)技術(shù)通過多干涉對(duì)組合對(duì)多個(gè)解纏相位圖進(jìn)行最小二乘求解，可以有效消除或削弱解纏粗差和大氣延遲誤差的影響，高精度地獲取地面形變量[9]。此外，該方法無需大量SAR影像，是一種非常有效的InSAR處理方法，在大城市地面沉降、火山緩慢變化、斷層蠕動(dòng)等方面表現(xiàn)出了極大的潛力和優(yōu)勢(shì)[10]。本文嘗試?yán)迷摷夹g(shù)提取汶川震前震中位置的形變時(shí)間序列，以探究發(fā)震前期活動(dòng)的狀態(tài)。

1 SBAS-InSAR技術(shù)

1.1 SBAS-InSAR技術(shù)原理

SBAS-InSAR是由Berardino和Lanari等研究人員提出的一種不同于PS-InSAR的時(shí)間序列分析方法，可以較好地克服空間去相干[11]。SBAS-InSAR采用了奇異值分解(SVD)法求解形變速率，使較大空間基線分開成孤立SAR數(shù)據(jù)集連接起來，大大提高了觀測(cè)采樣率[12]。

圖1為SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程。

圖1 SBAS-InSAR技術(shù)處理流程

SBAS-InSAR方法是基于時(shí)間序列SAR數(shù)據(jù)生成的小基線差分干涉圖集，它可以利用平時(shí)通用的InSAR處理軟件獲得的差分干涉圖來得到地表相干目標(biāo)的形變速率和時(shí)間序列[13]。小基線技術(shù)的關(guān)鍵特征在于充分利用獲取的SAR數(shù)據(jù)，因此提高了形變量測(cè)的時(shí)間采樣頻率和研究區(qū)域的空間覆蓋率。SBAS-InSAR應(yīng)用于影像覆蓋范圍內(nèi)所有表現(xiàn)出足夠高相干性的像元，因此算法是很穩(wěn)健的[14]。

1.2 Stacking原理

Stacking方法數(shù)學(xué)模型為

2 SBAS-InSAR監(jiān)測(cè)與分析

2.1 SAR影像的選取

本次試驗(yàn)選用由美國(guó)宇航局NASA測(cè)得的SRTM數(shù)字高程模型(如圖2所示)作為地形數(shù)據(jù)。SRTM系統(tǒng)覆蓋面積之廣、采集數(shù)據(jù)量之大、精度之高在測(cè)繪史上是前所未有的。該模型的地面分辨率為3 m，垂直和水平精度分別為16和20 m，選用WGS-84坐標(biāo)系為平面基準(zhǔn)，高程基準(zhǔn)是EGM96。

圖2 龍門山部分地區(qū)地形圖虛線矩形框?yàn)檠芯繀^(qū)域位置

本文選擇23.6 cm的L波段數(shù)據(jù)，較常規(guī)5.6 cm的C波段數(shù)據(jù)信號(hào)更好，獲得的數(shù)據(jù)信噪比更高。由于衛(wèi)星上直接獲得的raw數(shù)據(jù)不能夠在Gamma終端下運(yùn)行，必須將通過互聯(lián)網(wǎng)獲得的衛(wèi)星精密星歷，轉(zhuǎn)換成軟件可以處理的單視復(fù)影像圖(SLC Image)。

為達(dá)到最佳配準(zhǔn)精度，本次試驗(yàn)選取時(shí)間居中的一景影像為主影像，其余7幅影像與其進(jìn)行配準(zhǔn)，查看配準(zhǔn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中兩幅數(shù)據(jù)由于大氣和噪聲影響，配準(zhǔn)效果較差，達(dá)不到研究要求，將這兩幅剔除。故本次試驗(yàn)?zāi)軌蛲耆錅?zhǔn)的只有6幅影像。表1是所用影像的基本參數(shù)。

表1 所用SAR影像的基本參數(shù)

2.2 時(shí)間序列技術(shù)處理

選中20070920為主影像，6幅影像兩兩干涉生成12幅干涉圖，但由于其中3幅不滿足研究要求，故而只有9幅。接著對(duì)干涉圖多視處理來增強(qiáng)圖像相干性和檢測(cè)較大尺度的形變信息。多視因子設(shè)為12：28。采用兩次自適應(yīng)濾波法，去除由于失相關(guān)引起的微小形變，從而達(dá)到提高信噪比的目的[14]。兩次濾波窗口分別設(shè)為256、128，濾波因子設(shè)為0.5。數(shù)據(jù)處理過程中，許多失相干因素的影響會(huì)間斷地獲取干涉相位，使得相位周期性和趨勢(shì)性受到破壞，增加相位解纏的難度，更甚的是可能造成相位解纏出錯(cuò)。而小基線多干涉對(duì)組合可剔除相位解纏誤差。截至目前，相位解纏方法多達(dá)30多種。本次經(jīng)過幾種方法對(duì)比，最后所用的是效果較好的最小費(fèi)用流法，解纏時(shí)相干系數(shù)閾值設(shè)為0.7。

所選地區(qū)由部分山區(qū)和揚(yáng)子地塊組成，而山區(qū)部分由于植被覆蓋率較高，大氣(水汽等)影響最后結(jié)果的真實(shí)性，故而為了使最后生成的時(shí)間序列和年平均形變速率更加精確，對(duì)影像進(jìn)行了一次去大氣操作和兩次去趨勢(shì)操作。最后，用stacking技術(shù)獲取年平均形變速率圖。

2.3 InSAR監(jiān)測(cè)震前變形剖面分析

龍門山斷裂帶由龍門山后山斷裂帶(汶川-茂縣-平武-青川)、主中央斷裂帶(映秀-北川-關(guān)莊)、龍門山主山前邊界大斷裂(都江堰-漢旺-安縣)3條主斷裂帶組成[15]。為了進(jìn)一步對(duì)該地區(qū)的震前變形活動(dòng)進(jìn)行空間域的分析，根據(jù)斷裂帶走向和分布，提取了3條斷裂中變形較為明顯的汶川-茂汶斷裂帶以及主中央斷裂帶，作為南北剖面線(如圖3 H1H2所示)。

H1、H2為汶川-茂汶段裂帶的剖面線，L1、L2為主中央斷裂帶剖面線，圖4(a)為北側(cè)H1H2的剖面線形變圖，最大沉降值達(dá)到14 cm，最大隆升值達(dá)19 cm，相比于南側(cè)的L1L2(如圖4(b)所示)，變化較為凸出，而L1L2整體變化較為平緩，活動(dòng)區(qū)域基本在10 cm左右。圖4(c)為兩條剖面的疊加圖，可以看出，汶茂斷裂帶比映秀-北川斷裂帶更為活躍，這也解釋了汶茂斷裂帶為主要斷裂帶，發(fā)生地震的嚴(yán)重程度要遠(yuǎn)大于都江堰一帶。

圖3 汶川地區(qū)變形

V1—V6為垂直于H1H2的6條剖面線，其形變?nèi)鐖D5所示，從中可以看到V1剖面線地形沉降幅度最大，大約在24 cm內(nèi)左右，并且在V1、V4、V6處出現(xiàn)了斑狀沉降區(qū)，而沿著汶茂斷裂帶出現(xiàn)了“凸”狀隆升區(qū)，最大隆升值甚至達(dá)到22 cm。在綿虒鎮(zhèn)附近沿著汶川一帶有大范圍的隆起，最大幅度可達(dá)18 cm，這也可能預(yù)示著此區(qū)域附近為地震初始破裂位置，與單新建等人在2015年的調(diào)查結(jié)果一致。汶川地震震前形變場(chǎng)的分布格局顯示，沿著斷層線呈現(xiàn)出“凸”狀形變變化特征,即以發(fā)震斷層為中心的隆起形變變化，遠(yuǎn)離發(fā)震斷層兩盤均出現(xiàn)下沉。

圖4 平行于斷裂帶的剖面線形變圖

2.4 時(shí)間序列分析

針對(duì)同一剖面V3做時(shí)間序列，如圖5所示，得到6幅不同時(shí)間的形變圖。對(duì)每個(gè)時(shí)間段的V3剖面做形變圖，得到圖6。

從圖5可以看出，遠(yuǎn)離斷裂帶處的地區(qū)有斑狀下沉區(qū)，而離斷層越近，上升特征越為明顯。在圖6(c)中，即2007年9月20日，達(dá)到了沉降最大值，大約24 cm。至V3西北方向剖面起點(diǎn)15 km處開始，出現(xiàn)了上升的趨勢(shì)。在大約剖面線和斷裂帶的交點(diǎn)，出現(xiàn)了急劇的上升。2008年2月，上升值達(dá)到了最大，大約在20 cm左右。隨后在斷裂帶的東南側(cè)，開始出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。從圖6可以看出，是在距離西北端20 km處開始出現(xiàn)下降的特征。

圖5 時(shí)間序列圖

圖6 時(shí)間序列剖面

從圖6(b)和(c)中可以看出，2007年8月和9月斷裂帶的東南處也有大面積的隆起。而在2007年12月以后一直到地震前夕，變形則緩和了很多，推測(cè)與斷裂帶起伏運(yùn)動(dòng)有關(guān)系。從整體上看，同比雅安地震，汶川震中在地震爆發(fā)前一年變形較大，這也與后面汶川大地震的大爆發(fā)力以及大破壞力遙相呼應(yīng)。

3 結(jié) 論

本文總結(jié)運(yùn)用了InSAR的小基線技術(shù)，通過對(duì)汶川震中地區(qū)時(shí)間間隔為320 d的數(shù)據(jù)分析，提取了汶川一個(gè)條帶在震前一年的形變場(chǎng)，得到的震前垂直形變集中在為10～15 cm之內(nèi)，個(gè)別嚴(yán)重變形區(qū)域可達(dá)20 cm。汶川-茂縣斷裂帶為主要隆升區(qū)域，綿虒鎮(zhèn)的西北端和汶川的東南段為主要沉降區(qū)域。較前人的研究結(jié)果變形略大，可能與選取數(shù)據(jù)包含了2/3的山區(qū)部分有關(guān)，山區(qū)植被多、水汽大，對(duì)變形結(jié)果有較大的干預(yù)。此外，對(duì)于其他地區(qū)震前活動(dòng)(如北川、安縣、綿陽區(qū)域)，在InSAR形變圖上則不太明顯，推測(cè)與地震孕震規(guī)律有關(guān)。還需采用可以覆蓋龍門斷裂帶區(qū)較多的數(shù)據(jù)，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)。而對(duì)于地面垂直變形原因與地震活動(dòng)的具體關(guān)系，還需結(jié)合構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與地震活動(dòng)資料等進(jìn)一步加以佐證。

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Pre-earthquake Deformation of Wenchuan MS8.0 Earthquake

by ALOS Data

WANG Huiling1，ZHANG Yongzhi1，GUO Datong2，GAO Yang1，YIN Peng1

(1. School of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. College of Highway Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In this paper, using the short baseline technique of synthetic aperture radar interferome, we try to monitor the ground deformation before Wenchuan earthquake. Under the gamma software, the deformation rate of Wenchuan epicentral area in one year before the earthquake was obtained by using stacking technique in June, 2008 and May, 2006. The deformation characteristics indicate that the maximum uplift value reaches 24 cm along the Wenmao fault zone and the two sides of the fault show a downward trend. The maximum sedimentation value reaches 22 cm in the vicinity of Mianyang Town. By comparing with the results of D-InSAR, the two are in good agreement. The trend of vertical deformation field before the earthquake may provide a scientific basis for earthquake prediction.

Wenchuan earthquake; deformation; SBAS_InSAR; ALOS data

王慧玲，張永志，郭大同，等.利用ALOS數(shù)據(jù)獲取汶川MS8.0地震的震前形變[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(7)：39-44.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0220.

2016-11-29；

2017-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(41374028)

王慧玲(1989—)，女，碩士生，研究方向?yàn)镮nSAR理論及其應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail：wanghuilingWHL@yeah.net

P237

A

0494-0911(2017)07-0039-06