基于PSInSAR技術(shù)的長白山天池火山形變監(jiān)測

唐攀攀 單新建 王長林

1)中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094

3)中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

0 引言

長白山天池火山是環(huán)太平洋火山帶上的一座活火山，坐落在吉林省東部中朝邊境上，地理范圍為:41°20'～42°40'N，127°00'～129°00'E，全區(qū)面積約 2 萬km2。地勢以長白山主峰白云峰為中心，海拔2691m，向四周逐漸降低。天池水面海拔2189m，最深處為373m。天池火山位于西太平洋板塊俯沖帶的前沿，屬于大陸內(nèi)部向活動大陸邊緣過渡帶的火山活動?；鹕皆杏蛧姲l(fā)經(jīng)歷了巖漿形成、巖漿上升與巖漿房壓力增大等一系列復(fù)雜的時(shí)間演化過程。地震活動加劇與地表膨脹隆起是2個(gè)伴隨巖漿活動最典型的變化，因此，地表形變監(jiān)測是判斷火山活動情況的最為重要的手段之一。20世紀(jì)90年代，人們開始把天池火山作為一座具有潛在噴發(fā)危險(xiǎn)的火山進(jìn)行監(jiān)測與研究(劉若新等，1992)。天池火山的監(jiān)測最早始于1985年，到“十五”期間監(jiān)測系統(tǒng)逐漸得到完善，其中包括定點(diǎn)GPS連續(xù)觀測臺、流動GPS測點(diǎn)、水準(zhǔn)觀測線、水位和水溫觀測點(diǎn)、重力和地磁連續(xù)觀測點(diǎn)等(楊清福等，2007)。胡亞軒等(2007)依據(jù)天池火山區(qū)2002—2005年的水準(zhǔn)資料和GPS觀測資料，分析了巖漿活動特征，認(rèn)為2002—2003年火山巖漿活動較強(qiáng)，垂直和水平形變變化明顯，2003年后水平和垂直形變變化速率逐漸減小，巖漿活動逐漸減弱。李克等(2009)分析了2000年后整體的水準(zhǔn)和GPS資料，認(rèn)為2002—2005年天池火山地面發(fā)生了明顯形變，火山口處形變較大，出現(xiàn)了以火山口為中心向四周膨脹的現(xiàn)象，2006年后形變逐漸恢復(fù)正常。

除了常規(guī)手段外，InSAR技術(shù)和紅外技術(shù)也被應(yīng)用到了天池火山的形變監(jiān)測中。韓國Kim等(2004)用多景JERS－1影像做形變干涉，去除了對流層大氣和高程的影響，得出1992—1998年天池火山在穩(wěn)步抬升，平均年膨脹速率為3mm。陳國滸等(2007)利用JERS－1及ERS SAR數(shù)據(jù)對長白山火山進(jìn)行了D－InSAR處理，并反演了長白山地區(qū)火山的巖漿囊參數(shù)。韓宇飛等(2010)處理分析了1992—1998年多景JERS－1數(shù)據(jù)，得出了天池火山口形變要大于火山腳下形變的結(jié)論。季靈運(yùn)等(2009)以天池火山為例，分析了衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)用于火山活動監(jiān)測的可行性，認(rèn)為熱紅外可以作為一種常規(guī)的監(jiān)測手段納入日常的火山監(jiān)測工作中。

由于天池附近地形復(fù)雜、氣候惡劣、植被茂密，常規(guī)D－InSAR技術(shù)會受到失相關(guān)的嚴(yán)重影響。因此在影像數(shù)據(jù)達(dá)到一定積累量的前提下，本文選用永久散射體(PSInSAR)技術(shù)以期得到更好的結(jié)果。PSInSAR技術(shù)可以減弱時(shí)間失相干的影響，有效地估計(jì)并去除地形、大氣和噪聲誤差，是監(jiān)測形變的有力手段(Werner et al.，2003)。它最早由Ferretti等(2000)提出，并利用 ERS 影像開展了滑坡(Ferretti et al.，2001)和地表沉降(Ferretti et al.，2002)監(jiān)測。Colesanti等(2001，2003a，b)對PSInSAR、GPS和水準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行了對比研究，認(rèn)為PSInSAR技術(shù)形變監(jiān)測精度理論上可以達(dá)到1mm。

1 PSInSAR技術(shù)與數(shù)據(jù)處理

PSInSAR技術(shù)采用長時(shí)間序列的影像數(shù)據(jù)，把研究對象從平面轉(zhuǎn)移到穩(wěn)定的永久散射體點(diǎn)上。這些永久散射體在時(shí)間序列的影像上呈現(xiàn)出比較穩(wěn)定的散射特征，并擁有較高的信噪比，因此在很大程度上克服了時(shí)間失相干和噪聲的影響，從而提高了形變估計(jì)的精度。PSIn-SAR技術(shù)的處理步驟如下:首先是主影像的選擇與配準(zhǔn)，主影像選擇要確保干涉對基線盡可能短，配準(zhǔn)精度要求為0.2像元。其次是永久散射體PS點(diǎn)的識別，可以采用相干系數(shù)閾值，振幅閾值等多種方法。然后進(jìn)行解纏和高程誤差的去除。解纏采用最小成本流優(yōu)化算法，高程誤差引起的相位與垂直基線呈線性關(guān)系，可以采用線性回歸的方法進(jìn)行估計(jì)并去除。最后根據(jù)在時(shí)間維、空間維上的相關(guān)性特征，采用濾波的方法，進(jìn)行噪聲相位和大氣延遲相位的去除。

本文共采用不同時(shí)間段的2種數(shù)據(jù)，分別是:1)2007—2010年間的14景ASAR影像，數(shù)據(jù)覆蓋范圍為127.18°～128.65°E，41.46°～42.40°N，主影像獲取時(shí)間為2008年8月15日，基線分布如表1所示。2)1992—1998年19景JERS－1影像，重疊區(qū)域范圍約為127.85°～128.37°E，41.80°～42.18°N，主影像獲取時(shí)間為1995年8月16日，基線分布如表2所示。對比2種影像數(shù)據(jù)，ASAR影像的質(zhì)量要明顯好于JERS－1影像。首先，ASAR干涉對的空間基線和時(shí)間基線比較小，其中空間基線最大為518m，時(shí)間基線最大為560d;而JERS－1干涉對空間基線最大的為2761m，時(shí)間基線最大的為1144d。基線越大，失相干越嚴(yán)重，信噪比越低，因此JERS－1干涉效果受失相干影像較大。其次，ENVISAT衛(wèi)星定軌精度比較高，軌道精度可以達(dá)到1m;JERS－1軌道精度很低，軌道誤差較大。

長白山天池火山地區(qū)地形復(fù)雜，積雪期長，且四周原始森林圍繞，植被茂密，僅是在天池火山口有部分裸巖。特殊的氣候、地理環(huán)境不僅造成了天池附近的PS點(diǎn)稀少，還很容易引起SAR干涉圖像的失相干。既要克服失相干的影響，又要保證一定的PS點(diǎn)密度，這是天池火山區(qū)PS處理的難點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)依據(jù)單幅SLC影像的光譜特征和多幅影像強(qiáng)度的穩(wěn)定性來選擇PS候選點(diǎn)(Ferretti et al.，2000;Wegmuller，2005)。光譜特征包括像元的強(qiáng)度和光譜相關(guān)性等，適合于影像數(shù)量較少時(shí)PS點(diǎn)的識別。2種影像均生成約2000個(gè)PS點(diǎn)，這些點(diǎn)主要集中在天池火山附近有巖石裸露的山區(qū)，植被茂密的平坦地區(qū)點(diǎn)十分稀少。此外，在影像上為亮色調(diào)的山脊，PS點(diǎn)比較密集。

表1 ASAR干涉對(2008－08－15為主影像)Table1 ASAR interferential pairs(Reference image:2008－08－15)

表2 JERS－1干涉對(1995－08－16為主影像)Table2 JERS－1 interferential pairs(Reference image:1995－08－16)

為了減小DEM誤差的影響，采用多主影像方法去除高程誤差。根據(jù)季節(jié)氣候大致將一年分為無雪覆蓋期(4—10月)與有雪覆蓋期(11月至翌年3月)，然后選擇時(shí)間、空間基線較小的干涉對，線性回歸估計(jì)高程誤差。

2 結(jié)果分析

PSInSAR技術(shù)獲取的是雷達(dá)視線向地表形變值，本文中也均指雷達(dá)視線向的形變速率和形變值。雷達(dá)視線向指由地面指向衛(wèi)星的方向，實(shí)驗(yàn)采用的ASAR影像雷達(dá)波入射角為23.03°，JERS－1入射角為38.84°，因此由ASAR影像獲取的形變更貼近于垂直方向。ASAR和JERS影像雷達(dá)視線向方向分別如圖1和圖3所示。

2007—2010年ASAR形變速率如圖1所示。PS點(diǎn)的形變速率值位于－10～10mm/a之間，平均形變速率為3mm/a，以整體抬升為主。天池火山口四周，PS點(diǎn)分布較為密集，形變速率值主要在6～7mm/a之間?；鹕娇跂|南側(cè)PS點(diǎn)密度明顯大于火山口西北側(cè)，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因主要有2個(gè):1)東南側(cè)正對著雷達(dá)波入射方向，受到透視收縮影響，后向散射能量聚集;2)參考點(diǎn)選在東南側(cè)山腳下，離參考點(diǎn)越遠(yuǎn)的地方，PS點(diǎn)就越稀少。相比火山口，火山半山坡和山腳下的PS點(diǎn)形變速率值有了明顯的減小，基本上在－2～2mm/a之間，可以認(rèn)為這些點(diǎn)是穩(wěn)定的。遠(yuǎn)離天池火山，地表覆蓋以植被為主，PS點(diǎn)比較零散。

圖1 2007—2010年ASAR影像形變速率圖Fig.1 Deformation rates of ASAR images from 2007—2010.

圖1中紅色三角標(biāo)明的是一條水準(zhǔn)測線，共有12個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)組成，北端點(diǎn)在天池山門南4.5km處的黃松甸，南端點(diǎn)在天池下面瀑布附近，全長24.8km，相對高差為901m。該測線在2006—2009年采用瑞士徠卡DNA03型電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量，實(shí)測每km偶然中誤差為0.13mm。觀測周期為每年1次，觀測時(shí)間在8—9月份(劉國明等，2011)。選取4個(gè)水準(zhǔn)和PS點(diǎn)重合的試驗(yàn)點(diǎn)P1，P2，P3，P4(圖1)，分析其形變歷史如圖2。從圖中可以看出，水準(zhǔn)測量與PSInSAR監(jiān)測的形變結(jié)果吻合較好。其中，P1和P2兩個(gè)點(diǎn)離天池火山口較遠(yuǎn)，較為穩(wěn)定，2006—2010年間的最大形變量在2mm左右。P3和P4兩個(gè)點(diǎn)靠近火山口，活動性較強(qiáng)，形變振幅在5～8mm之間，且呈現(xiàn)一定程度的抬升。由此可見，火山活動對火山口附近地表變化影響較大。這與2002—2005年長白山水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果(李克等，2009)相吻合，這段時(shí)間是天池火山活躍期，水準(zhǔn)線上3a的累積形變量達(dá)到了6.8cm，且火山口形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于火山四周地表的形變。

1992—1998年，JERS－1的形變速率如圖3所示。因?yàn)槔走_(dá)波入射方向和參考點(diǎn)選擇的影響，PS點(diǎn)主要集中在火山口的東南側(cè)，西北側(cè)零星分布。形變速率值位于－20～20mm/a之間，以正值為主，平均形變速率為6mm/a。JERS－1結(jié)果顯示，1992—1998年間，天池火山同樣以抬升為主，抬升形變速率大于2007—2010年的ASAR結(jié)果。韓宇飛等(2010)的常規(guī)DInSAR處理結(jié)果顯示1995—1998年天池地區(qū)形變速率達(dá)到5mm/a。韓國Kim等(2004)用同樣數(shù)據(jù)得出1992—1998年天池火山平均年膨脹速率為3mm。

圖2 形變歷史:a，b，c，d分別代表P1，P2，P3，P4等4個(gè)點(diǎn)形變Fig.2 Deformation history:Map a，b，c and d represent the deformation of point P1，P2，P3 and P4 respectively.

ASAR和JERS－1兩種影像的結(jié)果存在一些差異。首先表現(xiàn)在PS點(diǎn)的分布上，ASAR影像的PS點(diǎn)主要圍繞著火山口密集分布，離火山口越遠(yuǎn)的地方，PS點(diǎn)越稀少。經(jīng)過實(shí)地考察得知，長白山天池在離火山口較近海拔較高的地方，植被稀少，有大量裸露巖石分布。而在火山四周海拔較低的地方，則是茂密的長白山森林。因此ASAR影像的PS點(diǎn)分布與現(xiàn)實(shí)相符。JERS－1影像的PS點(diǎn)主要沿一些特殊地形分布，如條帶狀延伸的斜坡，它們在圖像上發(fā)生了透視收縮，強(qiáng)度值很大，易被選作PS點(diǎn)。另外，系統(tǒng)參數(shù)和圖像質(zhì)量也造成了一定程度的差異。JERS－1影像是L波段數(shù)據(jù)，中心入射角約為38°，雖然穿透地表能力比ASAR強(qiáng)，但大的入射角不適用于地形起伏的山區(qū)。而且JERS－1影像噪聲水平很高，影響了PS點(diǎn)的識別。2種影像PS點(diǎn)的形變值也有很大差異。由于獲取時(shí)間不同，2種形變結(jié)果在量上沒有可比性。但是從PS點(diǎn)形變的分布效果來看，ASAR影像的結(jié)果要好于JERS－1影像。ASAR影像上，PS點(diǎn)的形變速率分布比較有規(guī)律，從山頂?shù)缴侥_下逐漸減小。JERS－1影像上PS點(diǎn)的速率值分布則略顯雜亂。主要原因是JERS－1數(shù)據(jù)定軌精度比較低，而且軌道基線遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ASAR影像，因此基線誤差和空間失相干對形變估計(jì)會產(chǎn)生很大的影響。

圖3 1992—1998年JERS－1影像形變速率圖Fig.3 Deformation rates of JERS－1 images from1992—1998.

2種影像結(jié)果也有一致性。首先，PS點(diǎn)形變速率都以正值為主，平均形變速率也都為正值。這與他人研究成果一致，天池火山近些年來一直處于整體抬升狀態(tài)。其次，2種結(jié)果都有一些PS點(diǎn)形變值為負(fù)，且負(fù)值較大的PS點(diǎn)分布沒有規(guī)律。原因可能有以下幾方面:1)PS技術(shù)只能獲取相對形變速率，無法獲取絕對值，因此要選取穩(wěn)定點(diǎn)作為解算參考點(diǎn)(Wegmuller，2005)。一些PS點(diǎn)形變速率值雖然為負(fù)，但如果值很小，并不能確定這些點(diǎn)就是下沉的。同樣，一些很小的速率為正值的PS點(diǎn)，也不能代表這個(gè)點(diǎn)就是抬升的。所以我們把形變速率在－2～2mm/a之間的PS點(diǎn)稱為穩(wěn)定點(diǎn)。2)數(shù)據(jù)問題，ASAR影像的精度受到了數(shù)據(jù)量的嚴(yán)重制約(Ferretti et al.，2000)，JERS－1影像質(zhì)量又比較差，這就會導(dǎo)致各種誤差排除不干凈，部分點(diǎn)形變結(jié)果不太可靠。因此認(rèn)為那些零散分布的、比較大的負(fù)形變點(diǎn)是不可靠的。3)近些年天池地區(qū)人工開發(fā)比較頻繁，這會引起一些不可知的非線性形變，使得PS處理的結(jié)果難以解釋。

值得一提的是，SAR影像和水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)能較好地反映天池火山在垂直向的形變特征，對水平向的形變卻不敏感或完全不能體現(xiàn)。這就需要補(bǔ)充水平方向的觀測資料，才能更全面掌握天池地表的運(yùn)動特征。2000年，在天池火山附近布設(shè)了8個(gè)GPS站點(diǎn)組成觀測網(wǎng)，并于2000—2005年進(jìn)行了多期觀測。觀測結(jié)果表明，在水平方向，天池火山以火山口為中心呈放射狀運(yùn)動態(tài)勢(李克等，2009)。由此可以得出，垂直方向整體隆升，水平方向以火山口為中心向四周擴(kuò)散，是長白山天池火山地表整體形變的特征。

3 結(jié)論

本文選取了長白山天池火山地區(qū)的14景ASAR影像，19景JERS－1影像，用PSInSAR技術(shù)分別獲取了2007—2010年和1992—1998年兩個(gè)時(shí)間段的天池火山形變信息，再加上部分水準(zhǔn)測量和GPS測量形變資料，分析長白山天池火山近些年的地表形變特征。結(jié)果表明:

(1)1992—1998年間，天池火山區(qū)域的PS點(diǎn)形變速率主要位于－6～14mm/a之間，平均形變速率為6mm/a;2007—2010年間，PS點(diǎn)形變速率主要在－5～5mm/a間，平均形變速率為3mm/a。這表明天池火山在這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)都有整體抬升趨勢，1992—1998年間火山較為活躍，2007—2010年間火山活動趨于平緩。

(2)天池火山口附近，地表抬升趨勢更為明顯。越遠(yuǎn)離天池火山口，這種趨勢越弱。這在2002—2005年水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)(李克等，2009)上有較好的體現(xiàn)，從山下到火山口，同一時(shí)間段內(nèi)觀測點(diǎn)的形變差達(dá)到了數(shù)cm。

(3)ASAR和JERS－1影像，雷達(dá)視線向貼近垂直方向，對水平方向形變不敏感，GPS測量的水平形變結(jié)果，則清晰地展現(xiàn)了火山地表水平運(yùn)動特征。天池火山是個(gè)活火山，近百年雖然沒有噴發(fā)過，但巖層底下時(shí)常有巖漿活動，越靠近火山口，巖漿活動越劇烈，水平運(yùn)動越明顯。

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