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?？紤]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