基于InSAR與多源數據的三維形變場獲取研究與應用

郭利民

（中國地震局地質研究所，北京100029）

基于InSAR與多源數據的三維形變場獲取研究與應用

郭利民

（中國地震局地質研究所，北京100029）

中圖分類號：P315.72＋5；

文獻標識碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235－4975.2015.08.008

合成孔徑雷達干涉測量技術（Interferometry Synthetic Aperture Radar，InSAR）近幾十年來得到迅猛發展，在獲取地面形變信息方面具有獨特的優勢，使得人類可以在太空對地表進行長時間大范圍的監測。但是，InSAR獲取的形變不是地表的真實變形，而是變形的垂直向、東西向、南北向分量在衛星視線方向上的投影，即存在視線向（Line of Sight，LOS）模糊問題。對于地震、地殼運動、工程建設等變形特征的認識，需要提取地表運動的三維特征，這不僅對深刻理解斷層運動方式、形變特征，分析地震發生機制有十分重要的作用，而且對人們有效監測及預報地面沉降、塌陷等災害同樣具有重要的實用價值。

本文詳細分析了InSAR形變監測的視線向模糊問題及可能的三維形變場解決方案。根據InSAR和GPS的技術特點，分別提出和改進了InSAR與GPS結合插值處理模型、多波段InSAR與多孔徑雷達干涉測量技術（Multiple－aperture SAR Interferometry，MAI）結合直接解算模型和聯合PSInSAR與GPS震間微小三維場模型。在此基礎上，以汶川地震、玉樹地震及海原斷裂帶為研究對象，獲取了同震和震間三維形變場，并詳細分析和論述了形變場特征，取得了一些新的認識。

本文研究工作主要取得了如下成果和認識：

（1）分析GPS三維形變分量和InSAR視線向觀測值之間的投影關系，探討了重軌In－SAR形變測量的局限性，即視線向模糊問題。針對各自的觀測特點，采用多波段InSAR、GPS、MAI等觀測手段及之間的結合，能夠在空間域和觀測優勢方向上互相補充，不但可提高觀測精度，而且可獲取地表豐富的三維形變場信息。通過分析和研究，本文提出和改進了3個三維形變場獲取模型。

①提出基于InSAR與GPS結合獲取三維形變場的插值處理模型。選取部分質量較好的GPS觀測值，通過投影至衛星觀測視線向，對同名點InSAR視線向觀測量進行校正；利用GPS水準觀測精度高這一優勢，利用盡可能多的GPS水平觀測數據，通過插值方法獲取地表水平形變場；最后結合InSAR一維視線向觀測值，獲取同震三維形變場垂直方向分量。考慮到斷層上盤或者下盤的形變矢量的大小和方向變化呈有序穩定狀態，插值過程中先對地表

水平形變矢量的大小和方向進行插值，然后再進行EW和NS向分解，這比直接對EW和NS向形變進行插值更接近真實的形變特征。

②改進多波段InSAR與MAI結合直接解算模型。直接利用不同SAR衛星的3種不同視線向的形變場，構建三維形變解算模型進行解算。其優勢是具有較高的可信度，避免了模擬、假設等方法帶來的不確定因素。缺點是需要不同SAR衛星，在一些研究區數據無法保障。

③提出PSInSAR與GPS震間微小三維場插值模型。針對地表微小形變運動提出PSIn－SAR與GPS聯合獲取三維震間形變場模型。采用PSInSAR方法獲取研究區的地表微小形變量，結合GPS水平形變觀測，依據插值算法，提出了獲取震間三維形變場模型。

（2）通過InSAR技術獲取了汶川、玉樹地震的同震形變場，分析了地震同震地表形變特征。

首先，通過InSAR獲取的汶川地震發震斷層周圍約450km×500km區域的同震形變場，形變場反映出汶川地震地表同震形變場的分布特征，即干涉條紋以北東向發震斷層（映秀—北川斷裂）為中心，且呈包絡狀分布。形變場南側甚至到達樂山、重慶一帶，北側到南坪、武都、康縣。從干涉條紋的分布格局可以看出，發震斷層兩側干涉條紋有多次起伏，且有一定的兩盤不對稱性，這說明位錯量沿斷層分布是不均勻的。在發震斷層南西端映秀鎮附近，出現了排列細密的同心干涉條紋，說明這一帶的形變強度非常大。北川縣城南東側，有平行于斷層密集的干涉條紋包絡，表明該段發震斷層有較大的地表位錯量。在汶川地震震中位置，條紋開始包絡震中，表明震中附近是發震斷層的西端點。在青川附近，條紋已包絡了發震斷層，顯示出了斷層東端形成的形變場格局。發震斷層附近，斷層兩側均表現為局部抬升，且沿斷層形變量分布很不均勻，表現出較強的分段性。

玉樹地震獲取的InSAR形變場條紋圍繞甘孜—玉樹斷裂北西向展布的橢圓狀干涉條紋，而且條紋在斷層兩側基本呈對稱分布。反映斷層兩盤形變梯度和形變量大體相當，沒有明顯形變突出的主動盤，這也正是剪切走滑斷層運動所具有的形變場特征。在形變場的西部和東部圍繞斷層跡線有兩個局部形變條紋環，而在這兩個局部形變之間有一小段未發生地表破裂的弱形變區。由形變條紋分布，我們可初步判定發震斷層長約76km；東段約32km的斷層滑動到達地表，形成較為明顯的地表破裂分布；西段則形成較為連續的形變條紋。InSAR形變場整體分布特征與野外調查及偏移量追蹤的結果均較為吻合。

（3）應用基于InSAR與GPS三維插值處理模型，獲得汶川地震三維同震形變場，分析了三維形變特征，特別是斷層垂直形變特征。

通過三維形變場可以看出，發震斷層南段向北運動明顯，有一定的右旋走滑分量，龍門山發震斷層的逆沖分量由南向北逐步遞減，其主要逆沖形變量集中在映秀—連山坪、茶坪—北川縣城—南壩區段。同時注意到，在映秀鎮—連山坪一帶出現了東向位移極大區域，斷層上盤東向位移量達到了5.85m，斷層下盤向西位移量大約為1m。而在茶坪—北川縣城—南壩區段，斷層下盤向西位移量達到了－2.80m，斷層上盤向東位移量為2.9m。發震斷層南段上盤向東運動占絕對優勢，而發震斷層中北段，則轉換為發震斷層上下盤對沖位移為主。斷層兩側垂直形變衰減較快，橫跨斷裂帶形變量大于30cm的寬度不超過50km；沿發震斷層附近垂直形變高值區分布不均勻，主要集中分布在發震斷裂的南段、中段和北端。

（4）應用多波段InSAR與MAI結合直接解算模型，獲得玉樹地震斷層分布特征及震區三維形變特征。

利用ALOS和ENVISAT數據差分干涉得到的形變場及ALOS數據采用MAI方法得到