PS－InSAR技術(shù)在西秦嶺北緣斷裂帶地殼微小形變監(jiān)測中的應(yīng)用

孟秀軍 屈春燕 單新建 馬 超 徐小波

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

2)河南理工大學測繪與國土信息工程學院，焦作 454000

0 引言

西秦嶺北緣斷裂帶位于青藏高原東北部，是中國一條重要的NWW向區(qū)域性活動斷裂和地質(zhì)構(gòu)造分界線。該斷裂帶東起天水市西北的鳳凰山南麓，大致往NWW方向延伸，經(jīng)甘谷、武山、漳縣、車廠溝、鍋麻灘，延至樓勒山麓，全長約250km，往西延入青海境內(nèi)。該斷裂帶在平面上具有分段性，由幾條方向大致相近的斷裂組成，大致可分為3段:1)斷裂帶東段(渭河堡—鳳凰山段);2)斷裂帶中段(渭河堡—洮河段);(3)斷裂帶西段(洮河以西)為鍋麻灘斷裂(滕瑞增等，1994;袁道陽等，1999)。西秦嶺北緣斷裂帶是發(fā)育歷史悠久的超殼深斷裂帶，也是一條主要的強震發(fā)生帶，其地震地貌類型豐富，橫切一系列時代不同的山脊和階地，穿越一系列規(guī)模不等的河流和沖溝。在該斷裂帶上先后發(fā)生過多次強烈地震，斷裂帶東段發(fā)生5級以上的地震達11次，其中6～7級地震5次(其中6.5級2次、7級2次)。斷裂帶中段震級較小，還沒有5級以上的記錄(袁道陽等，2007)。據(jù)康來迅等(1999)的分析，由于東段斷裂左旋走滑運動強度最大和西段形態(tài)特殊的原因，所以地震活動頻度較高、震級較大。斷裂帶東、西兩端地震活動較強，中段較弱。

很多研究表明，斷裂帶會引起地殼形變也會產(chǎn)生一系列的地質(zhì)災害，比如地面塌陷、裂縫、山體開裂、滑坡等地質(zhì)災害(吳珍漢等，2005;徐志文，2006;張培震等，2008;王衛(wèi)民等，2008;郭進京等，2009)。位于青藏高原東北緣的西秦嶺也是滑坡、崩塌和泥石流地質(zhì)災害非常嚴重的地區(qū)。為了研究這條斷裂帶的現(xiàn)今活動特征，李延興等(1996)在斷裂帶兩側(cè)布設(shè)了一個GPS網(wǎng)，共埋設(shè)14個GPS點，大多數(shù)GPS點分布在斷裂帶的東段和中段兩側(cè)。在1996年、1997年和1998年分別進行了3次觀測。最后得出該斷裂帶區(qū)域的地殼總體上向SE方向運動，并且斷裂帶南側(cè)的位移速率比北側(cè)大3.8mm/a(李延興等，1999)?？祦硌?1994)根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查和14C年代資料的分析研究該斷裂帶晚更新世晚期以來左旋走滑運動的強度，得到該斷裂帶渭河Ⅱ級階地形成以來，東段左旋走滑運動速率為8.14mm/a，中段左旋走滑運動的平均速率為4.94mm/a，西段的形態(tài)特征為曲率較小的弧形，其運動速率比東段弱(康來迅等，1999)。李傳友等(2005)利用全站儀測量的大比例尺地形等高線圖得到?jīng)_溝的錯位和沖溝附近沉積的14C的年齡，分析得到西秦嶺北緣斷裂帶黃香溝段(位于整個斷裂帶的西段)全新世以來平均滑動速率為(2.94±0.15)mm/a。

測量斷層活動引起的地殼形變現(xiàn)象是地震預測研究的一項重要內(nèi)容，測定地殼形變的方法有很多，主要有地質(zhì)學方法儀器測量、大地水準測量、GPS觀測網(wǎng)等(張景發(fā)等，2006)?，F(xiàn)今隨著空間對地觀測技術(shù)的發(fā)展，InSAR技術(shù)也為精確提取地殼形變場提供了有力的工具。利用該技術(shù)可以快速精準地獲取同震及震后地表形變場的整體形態(tài)及變化特征，揭示地震引起的地表位移的空間分布、變化趨勢及地震地表破裂帶的幾何形態(tài)與規(guī)模，進而為震源斷層參數(shù)反演及地震成因機理的認識提供依據(jù)。但是軌道數(shù)據(jù)誤差、相位解纏誤差、大氣誤差和時間空間失相干會導致InSAR測量精度的降低，有時會導致干涉處理無法進行。而PS－InSAR技術(shù)大幅度提升了InSAR在地殼形變測量中的應(yīng)用空間(朱建軍等，2011)，其可以利用多時相的SAR影像和相對穩(wěn)定像素點集來獲取地表形變達到mm級的精度，在解決時間失相干的同時，計算并消除大氣影響可以保證干涉處理的正常進行，大大提高了干涉測量的精度和可靠性(邢學敏等，2011)。目前，已有很多學者采用PS－InSAR技術(shù)用于斷層活動的監(jiān)測，并取得了較好的結(jié)果(姜文亮，2007;屈春燕等，2011)。

1 PS－InSAR技術(shù)基本原理

在重復軌道干涉測量中，大氣、時間去相干和基線距去相干等因素大大降低了干涉的質(zhì)量，使得干涉應(yīng)用無法進行。Ferretti等(2001，2002)提出一項新的PS技術(shù)，可以結(jié)合多幅SAR影像進行綜合相位分析，分離出地形殘差，大氣相位等相位分量，從而提取出形變信息。

PS－InSAR技術(shù)實質(zhì)上仍是一種雷達差分干涉處理技術(shù)，但與D-InSAR技術(shù)不同的是，PS－InSAR技術(shù)充分利用在長時間間隔內(nèi)仍保持高相干，并且小于像元尺寸的永久散射體，采用二維線性(或非線性)相位回歸分析模型對高相干點的差分干涉相位回歸分析獲取微小形變，即使基線距的長度超過臨界基線距也能夠保持相干，克服了常規(guī)D-InSAR技術(shù)的空間、時間失相干和大氣相位延遲等影響。

PS－InSAR是針對高相干像素點的相位處理，其干涉相位φint由形變相位φdef、地形相位φtopo、橢球體相位(平地相位)φflat、大氣相位φatm及噪聲相位φnoi等5部分組成:其差分相位φdiff由2次成像地表形變相位φdef、外部DEM高程誤差所引入的地形相位誤差φtopo_error、衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)誤差所導致的殘余平地相位φflat_error、2次成像大氣介質(zhì)不均一性帶來的殘余大氣相位φatm和殘余噪聲相位φnoi組成。

式(4)中:B⊥為空間垂直基線，R為雷達到地面目標的斜距，λ為微波波長，θ為微波信號入射角，Δh為地表形變高程相位，設(shè)地表形變?yōu)榫€性且形變速率為V，d=V·T，T為發(fā)生形變的時間間隔。

式(7)為相干目標點上的二維線性相位模型，回歸分析以離散點目標上的差分相位φdiff為處理對象，通過多次迭代計算，去除殘余相位中的相位誤差，反復估計地形改正值和線性形變速率改正值，不斷更新地形模型和線性形變速率模型，估計最佳Δherror和v，使得回歸模型相位與觀測的差分相位達到最佳擬合，這時得到最佳的線性形變速率模型。進一步計算形變相位和位移過程。

2 研究區(qū)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)概況及SAR數(shù)據(jù)介紹

本文選用的實驗區(qū)為斷裂帶東段甘谷縣所在地區(qū)，如圖1所示。該地區(qū)最高海拔3100m，平均海拔為1500～2000m，另外，隴海鐵路與316國道一起沿渭河貫穿這個縣城，渭河兩岸為小沖積平原，地勢平坦，有很多城鎮(zhèn)和村落，且偏遠的山區(qū)也有許多小的村莊，這些城鎮(zhèn)的建筑物和小村莊以及裸露的山脊都為PS選點提供了良好的目標點源。

利用PS－InSAR技術(shù)監(jiān)測地殼形變需要同一地區(qū)大量的影像以保證較高的計算精度。本次實驗采用的是歐空局的ENVISAT ASAR降軌數(shù)據(jù)，從2008年5月至2010年9月共14景數(shù)據(jù)。ENVISAT衛(wèi)星由歐空局2002年發(fā)射，搭載的雷達傳感器ASAR工作波段為5.6cm(C波段)，外部DEM數(shù)據(jù)采用的是美國宇航局噴氣推進實驗室SRTM(90m分辨率)。所采用SAR數(shù)據(jù)干涉像對時空基線分布見表1。為了更好地研究斷裂帶的活動情況，并且提取到更多的PS點，本文選取了包含甘谷縣城的橫跨斷裂帶的區(qū)域，其范圍約為16.5km×40.6km。

2.2 研究區(qū)PS－InSAR處理

本研究采用GAMMA軟件的IPTA模塊來處理所獲得的雷達數(shù)據(jù):

圖1 研究區(qū)地理位置分布Fig.1 SRTM DEM of the test study area and SAR coverage.

(1)SAR影像的輻射校正。要對所有的SAR影像進行輻射校正，將時序SAR影像振幅值歸化到同一基準，這樣才具有可比性，探測出更準確可靠的PS點。

(2)主影像的確定和影像配準。主圖像的選擇要考慮多普勒中心、垂直基線、大氣延遲相位和成像時間間隔等因素，根據(jù)這些因素，選取了2009年11月4日的影像作為主影像，其他的SAR圖像都與此主影像來構(gòu)成干涉對。然后，對所有干涉對進行偏移量估計，將各輔圖像都重采樣到主圖像的幾何空間，距離向、方位向的配準精度都要達到0.2 pixel。

(3)PS選點及參考點的選擇。PS點的選取就是從SAR影像中挑選出那些散射特性強而且穩(wěn)定的像素。研究區(qū)內(nèi)只有渭河流域兩岸為沖積小平原，甘谷縣城位于此，因此縣城城區(qū)的建筑物為PS選點提供了良好的目標源，在圖中可以看出甘谷縣城所選的PS點較密集，而山區(qū)較為稀疏。北部山區(qū)為六盤山余脈，南部為西秦嶺山脈，在山區(qū)，PS點主要是山脊線和裸露的巖石。在IPTA中利用2種不同的點目標提取方法，一種是利用點目標特殊的光譜特征來識別點目標，另一種是基于散射強度的穩(wěn)定性識別PS點。結(jié)合這2種方法得到初選的PS點共51390個點，如圖2所示。因為甘谷縣城平坦而且離斷裂帶較近，相對較穩(wěn)定，所以參考點選在甘谷縣城。

表1 所用SAR數(shù)據(jù)的基線分布Table1 Distribution of interference baseline

圖2 平均強度圖像(a)與所選PS點目標(b)Fig.2 The average intensity image(a)and selected point targets(b).

(4)PS點相位的差分干涉和回歸分析。甘谷實驗區(qū)是對14對干涉像對進行差分干涉處理。PS點的初始差分相位是從點的干涉相位中去除DEM模擬生成的點的地形相位。初始差分干涉相位噪聲比較大，因為初始相位模型包含各種誤差，例如形變相位、基線誤差相位，大氣相位和地形誤差相位。

IPTA將通過多次回歸分析，不斷地進行各種誤差的消除，并逐步逼近真實的線性形變模型。其中回歸分析采用2種算法，分塊回歸分析和單塊回歸分析。綜合這2種算法對高質(zhì)量層多次進行回歸分析，得到可靠參數(shù)估計，如圖3中高程誤差校正值逐漸減小，使得結(jié)果更接近真實值。同時通過觀測殘余相位的平滑程度來判斷高質(zhì)量的層，如圖4中殘余相位通過多次回歸分析之后點顏色較平滑的表明解纏成功(圖3，4中SAR圖像范圍見圖2中黃色框范圍)。

圖3 不同回歸次數(shù)點數(shù)據(jù)得到的高程校正對比Fig.3 The elevation correction of point data obtained by different regression.

圖4 不同回歸次數(shù)點數(shù)據(jù)得到的殘余相位對比Fig.4 The residual phase of point data obtained by different regression.

2.3 處理結(jié)果和初步分析

通過上述一系列的處理，得到西秦嶺北緣斷裂帶中甘谷實驗區(qū)的PS形變速率分布圖，進行地理編碼后如圖5所示:

圖5 研究區(qū)形變速率圖Fig.5 Deformation rate diagram of the test study area.

圖5為處理得到的實驗區(qū)點目標線性形變速率圖。從圖中可以看出，實驗區(qū)所有點目標，色調(diào)分布還比較均勻，無局部非均勻色塊。斷裂北盤綠色點居多，斷裂南盤，紫紅色點居多，整體上這一區(qū)域的形變趨勢一致。

北盤大多為綠色的點，值在－1～－2mm/a，南盤大多為紫紅色的點，其值為3～4mm/a，兩盤的相對滑動速率約為5mm/a。北盤形變方向為負，即衛(wèi)星與地面點間距離的增加，在降軌右視模式下就表示點目標沉降或向西運動。南盤形變方向為正，即衛(wèi)星與地面點間距離的減少，在降軌右視模式下就表示點目標隆升或向東運動。假設(shè)點目標只做水平運動，沒有垂直運動，則北盤點目標的西向運動恰和南盤的點目標向東運動與西秦嶺北緣斷裂的左旋走滑方向一致，且南盤的位移速率要大于北盤。與李延興等(1999)采用GPS觀測的是整個西秦嶺斷裂帶總體兩盤相對滑動速率為3.8mm/a、康來迅等(1999)得出斷裂帶東段的走滑運動速率為8.14mm/a相接近。因此這一結(jié)果可以用來判斷當前西秦嶺北緣斷裂帶東段現(xiàn)今活動特征。

圖6為抽取實驗區(qū)4個PS點的累積位移曲線，點的位置見圖5。從圖6中可以看出這些點的形變過程有良好的線性形變趨勢。點a和點b位于西秦嶺北緣斷裂帶的北側(cè)，點a的平均移動速率為－2.1mm/a，點b的平均移動速率為－1.6mm/a，點e和點d位于西秦嶺北緣斷裂帶的北側(cè)，點c的平均移動速率為3.5mm/a，點d的平均移動速率為4.2mm/a。從圖6中也可以看出點a和點b累積位移量大體一致，點c和點d累積位移量大體一致。

圖6 研究區(qū)部分點目標的形變歷史曲線Fig.6 Deformation history curve of part of point targets in test study area.

3 結(jié)論

本文采用PS－InSAR技術(shù)監(jiān)測西秦嶺北緣斷裂帶甘谷地區(qū)的微小形變，得到2008—2010年斷裂帶北盤的運動速率為－1～－2mm/a，南盤的運動速率為3～4mm/a，符合其左旋走滑的特征。兩盤的相對滑動速率約為5mm/a，這與李延興等(1999)采用GPS測量的結(jié)果較一致。這也表明PS－InSAR可以較精確地監(jiān)測到地殼微小形變。

由于目前只選取了斷裂帶東段的一部分作為實驗區(qū)并獲得其結(jié)果，為了全面監(jiān)測西秦嶺北緣斷裂帶的微小形變，需要進一步選取斷裂帶中段和西段進行試驗，考慮到西秦嶺斷裂帶復雜的地貌，可以設(shè)置一定數(shù)量的人工角反射器來提高監(jiān)測的精度。

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