InSAR形變測(cè)量及其在地震學(xué)中應(yīng)用的研究.pdf

1、InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)是一種新型空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，它具有高空間分辨率、高精度和面矩陣測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)際地學(xué)界的廣泛關(guān)注。然而SAR采用側(cè)視成像工作方式，其形變干涉圖只含有地表形變?cè)诶走_(dá)視線向的信息，因此關(guān)于InSAR形變測(cè)量結(jié)果的解釋和應(yīng)用等問(wèn)題還有待于進(jìn)一步研究。 本文基于InSAR成像理論，提出了利用衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和形變模型模擬地表形變場(chǎng)干涉圖的方法。在

2、此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三個(gè)理想位移模型并模擬得到了相應(yīng)的三個(gè)不同方向的形變SAR干涉圖。對(duì)比模擬干涉圖中得到的形變位移量與理想形變模型得出：差分干涉圖對(duì)不同方位形變的敏感性存在明顯差異；對(duì)豎直向形變最敏感，距離向次之，對(duì)方位向形變最不敏感?？紤]到SAR干涉圖與GPS、精確水準(zhǔn)測(cè)量等常規(guī)大地測(cè)量結(jié)果之間缺乏直觀可比性，同時(shí)干涉圖不便直接用于其它相關(guān)研究，本文提出了直接從三個(gè)不同視角形變干涉圖中獲取三維形變位移場(chǎng)的方法。為了檢驗(yàn)該方法的正確性，本

3、文首先采用數(shù)值模擬方法模擬了三個(gè)不同視角的同一形變場(chǎng)的SAR．干涉圖，然后利用相位場(chǎng)解纏算法得到了形變場(chǎng)在三個(gè)不同視向的位移量，再通過(guò)矢量分解獲取了形變位移場(chǎng)的三分量。結(jié)果顯示：反演得到的地表形變位移三分量基本能再現(xiàn)形變場(chǎng)模型，且三個(gè)分量的誤差均小于15％。理論和模型計(jì)算表明利用形變干涉圖直接獲取形變位移三分量是可行的。 基于文章提出的直接從三個(gè)不同視角的形變干涉圖中計(jì)算三維形變位移場(chǎng)的方法，本文獲取了2003年伊朗Barn地震

4、的三維同震形變位移場(chǎng)。利用歐空局提供的7景Bam地震的Envisat衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)，采用差分干涉算法處理獲取了兩幅降軌同震形變干涉圖和一幅升軌震后形變干涉圖。兩幅降軌同震形變干涉圖中干涉條紋的大小和形狀都比較類(lèi)似，說(shuō)明它們反映的幾乎是同一形變位移場(chǎng)。由于生成這兩幅降軌干涉圖的主像相同，而從像視角略有差異，因此可以認(rèn)為這兩幅形變干涉圖是視角不同的同一地表形變干涉圖。基于以上分析，本文通過(guò)配準(zhǔn)干涉像對(duì)的幅度影像，獲取了形變位移場(chǎng)在方位向的分

5、量，然后將其分解得到了地震形變水平位移場(chǎng)，結(jié)合從解纏相位場(chǎng)中得到的雷達(dá)視線向位移，獲取了形變位移場(chǎng)的豎直向分量。水平位移場(chǎng)顯示Bam地震主斷層為隱伏右旋走滑斷層，這與整個(gè)區(qū)域的大地構(gòu)造背景相吻合。同時(shí)根據(jù)水平位移矢量的方向差異，我們勾繪出了該隱伏的地震斷層在地表的走向和格局，顯示Bam地震對(duì)應(yīng)的隱伏斷層呈“Y”字形分布，與Nakamura 2005給出的結(jié)果基本吻合。結(jié)果證實(shí)了從兩個(gè)不同視角的干涉像對(duì)和形變干涉圖中獲取形變位移三分量的可

6、行性。由于干涉像對(duì)的基線和時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)以及大氣擾動(dòng)等干擾因素的影響，實(shí)際的InSAR干涉圖常含有大量噪聲。大多數(shù)常用去噪算法直接對(duì)干涉圖操作，但是在很多情況下不但去噪效果不好，而且會(huì)導(dǎo)致有用信息的損失或歪曲。利用小波多分辨分析能有效刻畫(huà)噪聲等非平穩(wěn)信號(hào)并使噪聲趨于白化的特點(diǎn)，本文提出了以小波包變換為基本算法，利用Wiener濾波器在小波域?qū)?fù)干涉圖實(shí)部和虛部分別去噪的新方案。通過(guò)選用不同的小波基函數(shù)和加噪模擬干涉圖實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：Daubec

7、hies小波和雙正交樣條小波干涉圖去噪效果相當(dāng)，多級(jí)小波包分解去噪比一級(jí)小波包分解效果更好，但會(huì)損失相對(duì)較多的邊緣信息。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)本文方案的有效性，我們采用本文方案、Wiener濾波方法和小波包軟閾值法對(duì)兩幅含噪水平不同的實(shí)際干涉圖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明在小波域采用Wiener濾波方法既能有效消去干涉圖中噪聲，又能最大限度的保留干涉圖的邊緣信息，去噪效果明顯優(yōu)于后兩者。 為了解決人口稀疏和地震觀測(cè)能力不足地區(qū)的地震定位問(wèn)題，嘗

8、試了利用InSAR準(zhǔn)確測(cè)定地震震中位置的方法。目前，基于InSAR技術(shù)定位地震震中還很不成熟，尚在發(fā)展之中。對(duì)于強(qiáng)烈地震而言，震中地區(qū)地表破裂區(qū)域較大，破壞嚴(yán)重，地面形變格局復(fù)雜，故在震中區(qū)域的InSAR干涉條紋不清晰，很難準(zhǔn)確確定震中位置。而對(duì)于小地震，地表形變往往太小，或是InSAR數(shù)據(jù)獲取時(shí)間間隔過(guò)大，采用差分干涉方法不能有效地監(jiān)測(cè)。中等強(qiáng)度的淺源地震對(duì)應(yīng)的地面形變較為平緩，其SAR數(shù)據(jù)相對(duì)于強(qiáng)烈地震和小地震來(lái)說(shuō)相干性較好，同震形

9、變場(chǎng)干涉圖噪聲小、條紋比較清晰。通常距離震中越遠(yuǎn)形變?cè)叫。缮鎴D的條紋率越低，因此可以根據(jù)形變場(chǎng)干涉條紋的分布來(lái)確定震中位置。本文利用1999年3月15日新疆庫(kù)車(chē)Mw5.4地震的三景SAR數(shù)據(jù)，對(duì)基于InSAR技術(shù)定位地震震中進(jìn)行了探索性研究。首先利用SAR數(shù)據(jù)生成了庫(kù)車(chē)地震同震形變場(chǎng)差分干涉圖，然后采用精確的地理編碼方法對(duì)差分干涉圖進(jìn)行地理編碼，從而得到具有大地坐標(biāo)的形變場(chǎng)干涉圖。不過(guò)，庫(kù)車(chē)地震的三景SAR．?dāng)?shù)據(jù)組成的像對(duì)時(shí)間基線距比

10、較大，干涉圖中大部分區(qū)域失相干嚴(yán)重，本文只能根據(jù)同震形變場(chǎng)差分干涉圖中僅存的干涉環(huán)分布，初步確定庫(kù)車(chē)地震震中位置為(82°36′E，41°53′N(xiāo))。這一結(jié)果與Harvard大學(xué)給出的震中位置相距20公里左右，與新疆地震局、USGS給出的震中位置僅相差1.5公里左右的距離，并且本文的定位結(jié)果位于該地震等震線的最內(nèi)層之中，表明InSAR方法定位結(jié)果基本上是可信的。由于本文所采用的SAR數(shù)據(jù)受到限制，沒(méi)有得到高質(zhì)量的地震同震形變干涉圖，使I