福建省泉州地區斷裂帶地殼形變PS-InSAR監測

福建省泉州地區斷裂帶地殼形變PS-InSAR監測

田福金1， 郭建明2

(1.南京地質調查中心，江蘇 南京210016；

2.中國科學院地質與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心，甘肅 蘭州730000)

摘要：PS-InSAR 技術能夠有效降低常規差分干涉雷達受時間失相干、空間失相干和大氣效應的影響，在常規D-InSAR不能形成干涉條紋的情況下，可利用時間序列的雷達影像和相位穩定的永久散射體目標點獲取離散的PS像素點形變速率。以福建省泉州地區的斷裂帶為研究對象，對1996-1999年的22景ERS SAR數據進行PS-InSAR處理，得出研究區主要斷裂的視線向位移速率為3～5 mm/a，表明該區斷裂仍有一定的活動性，具有潛在的地震危險。

關鍵詞：PS-InSAR； 泉州地區； 永久散射體； 斷裂帶； 地殼形變

收稿日期：*2014-05-14

基金項目：中國地質調查局“海峽西岸重點地區活動斷裂調查與區域地殼穩定性評價”項目(1212012220009)；“海峽西岸經濟區地質環境調查評價與區劃綜合研究”項目(1212011140030)；中國科學院“西部行動計劃項目”(KZCX2-XB3-12)

作者簡介：田福金(1981-)，男，助理研究員，主要從事水工環地質調查工作.E-mail：tfj250207@163.com

通訊作者：郭建明(1973-)，男，副研究員，主要從事構造地質學研究.E-mail：gjm2001cn@yahoo.com

中圖分類號:P315； P223文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0196

ApplicationofthePS-InSARTechniquetoCrustalDeformationof

FaultZonesintheQuanzhouAreaofFujianProvince

TIANFu-jin1， GUO Jian-ming2

(1.Nanjing Center，China Geological Survey，Nanjing，Jiangsu210016，China；

2.Lanzhou Research Center of Oil & Gas Resources，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，

Lanzhou，Gansu730000，China)

Abstract：The interferometric SAR (Synthetic Aperture Radar)technique has the capability to measure ground deformation in a wide range of applications.It is possible to exploit (Differential-) SAR interferometry to measure small terrain displacements，but single measurements can be considered reliable only in cases of larger displacements，and several types of incoherent temporal change reduce the accuracy of the interferometric phase.The exploitation of several measures (i.e.，interferometric stacking and analysis of SAR phase time series) is of great interest with regard to the improvement of single measurements.The exploitation of a series of N SAR images (interferometric stacking) allows the identification of areas (pixels) that show a coherent and consistent signal (displacement) over time. The persistent scatterer (PS)-InSAR technique，which is more applicable to point targets and man-made features than InSAR，can effectively reduce the losses of temporal and spatial coherence，and reduce the influence of atmospheric effects. In cases where interference fringes of conventional D-InSAR cannot be formed，radar image time series and the phase stability of permanent point targets can be used to obtain deformation rates of discrete PS pixels.The Stanford method for persistent scatterers (StaMPS) software package that implements an InSAR persistent scatterer (PS) method is used in the study.There are two preprocessing steps necessary before beginning the PS/MTI processing method：focusing of the raw data and forming interferograms from single-look complex images.ROI PAC was used for the focusing and Doris for the interferogram formation.The fault zones located in Quanzhou in Fujian Province are the research object，and 22 ERS SAR datasets from 1996 to 1999 were used for processing by the PS-InSAR method. After the steps of SLC image generation，interferogram formation，phase noise estimation，PS selection，PS weeding，phase correction，and phase unwrapping，the time series of each pixel was processed separately and a set of height residuals and average displacement rates was extensively tested；the pair “flattening at best” the measured phases was selected as the solution. We obtained the crustal deformation that corresponded to the maximization of the temporal coherence of the pixel time series for a linear displacement of the active fault in the Quanzhou area. The results show that the displacement rate of the main faults is 3～5 mm/a，indicating that the fault zones remain active with the potential for seismic hazard.

Keywords：PS-InSAR；Quanzhouarea；PSupermanetscatterers；faultzone；crustaldeformation

0引言

福建省地處我國東南沿海大陸邊緣，靠近歐亞板塊與菲律賓板塊的匯聚邊界。菲律賓板塊的向西推擠以及歐亞板塊的向東仰沖相互作用于臺灣島，形成以中央山脈隆起區為主的臺灣擠壓構造變形帶，成為現今最強烈的地殼構造變形區之一。受該板塊活動的影響，與臺灣隔海相鄰的福建地區是我國大陸東南沿海地震活動最強的主體活動構造區[1]。

福建地區的構造由NE向和NW向2組斷裂控制，NE向斷裂帶有政和—大埔斷裂帶、長樂—南澳斷裂帶和濱海斷裂帶3條深大斷裂帶；NW向為韓江斷裂、九龍江斷裂、永安—晉江斷裂、興化灣斷裂和閩江斷裂等斷裂帶[2-3](圖1)。據野外和震源機制解工作，這些斷裂多表現為高角度的走滑斷裂，具有一定的垂直分量[4-5]。據GPS觀測結果，福建地區斷裂的活動速率為3mm/a左右[6]。

圖1　福建省斷裂構造解譯圖 Fig.1　Faults structure interpretation of Fujian province

隨著近年來衛星技術的發展，雷達遙感技術對地面形變的監測取得了巨大成功。尤其是20世紀 60年代發展起來的合成孔徑雷達干涉測量技術(SyntheticApertureRadarInterferometry，簡稱InSAR)，具有全天候和連續空間覆蓋的特征，而且通過差分干涉雷達測量技術(D-InSAR)能夠測量地面形變厘米甚至毫米級的形變[7-9]。但常規的D-InSAR形變監測技術在精度上受到時間和空間失相干和大氣延遲效應的影響，嚴重地制約著D-InSAR技術在地面形變監測中的進一步應用。

為解決常規D-InSAR技術的干涉相位失相干和大氣影響等瓶頸問題，有研究者提出了永久散射體干涉測量技術[10-13]。所謂永久散射體(PermanentScatterers，簡稱PS)就是指能在相當長的時間內保持穩定反射特性的散射體。它能夠有效地降低常規差分干涉雷達受時間失相干，空間失相干和大氣效應的影響，在常規D-InSAR不能形成干涉條紋的情況下，利用時間序列的雷達影像和相位穩定的永久散射體目標點獲取離散的PS像素點形變速率，并內插出整個實驗區域的地表形變情況。同時，有效地抑制時間和空間基線失相干，大氣效應等影響，能夠隨意監測任何地方的地面長期連續形變情況，將是今后地面形變監測發展的主要方向[14-16]。

永安—晉江斷裂帶與長樂—南澳斷裂帶相交的泉州地區是海峽西岸地表形變最活躍的地區。該區人口稠密，工業發達，開展對這些斷裂帶地表形變PS-InSAR監測，了解其活動性，對該地區國土規劃、產業布局、城市發展和重大工程建設都具有重要意義。

1實驗處理及結果分析

1.1數據處理流程

PS-InSAR技術的數據處理流程為：首先選取影像數據中的一景作為公共主影像，其余所有影像為從影像，配準并重采樣到主影像空間，生成時序一次差分干涉圖。接著采用一定的PS點目標識別方法識別一系列具有穩定散射特性的PS點目標，并提取干涉相位。然后采用外部DEM，通過對DEM坐標系轉換、和影像配準、模擬成SAR相位等步驟，逐對把DEM模擬的SAR相位減去，生成時間序列二次差分干涉圖。最后通過參數估計求解地表變形速率和DEM高程修正值。

1.2數據準備

為采用PS-InSAR技術調查、監測泉州地區斷裂帶活動情況，收集并購買了多種數據，包括歐空局的ERS-1/ERS-2數據、DEM數據等。

根據研究區域的經緯度，利用網上免費的數據查詢軟件，對研究區域的存檔數據進行查詢。目前常用的SAR數據查詢軟件有DESCW和EOLISA軟件，都提供了詳細的干涉雷達數據信息，包括傳感器、影像獲取時間、Oribit、Track、Frame、干涉基線等。綜合時間基線和空間基線選擇需要的合適數據進行了預訂和購買(表1)。

在形變監測中，為去除干涉相位中的地形相位，研究選取了由美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯合測量的SRTM-DEM數據SRTM3(3arc-seconds)作為外部DEM數據。本研究所采用數據產品為V4.1版本，于2003年開始公開發布，數據范圍為N24.2°～25.2°，E108°～109°。

1.3數據處理

主影像的選取需要綜合考慮時間基線、空間基線和多譜勒中心頻率等因素，一般根據時間基線最小、多普勒中心頻率離差最小和空間基線最小3個原則，選取最優主影像。本研究選取最優主影像為19980403 景SAR數據。其它影像與主影像構成21個干涉對的空間垂直基線和時間基線，如表1 所示。將從影像SAR數據、外部DEM數據與主影像SAR數據配準并重采樣。選好參考主影像后，需將所有從影像配準到主影像上，使主、從影像上對應同一地表地物的像素位置上一一對應。影像對的配準精度直接影響后面干涉對的相位相干性，所以在PS-InSAR處理中要求影像對配準精度達到0.2個像元。

表 1　1996-1999年時間段干涉對集

形變時序分析采用干涉疊加InSAR分析軟件StaMPS/MTI(StanfordMethodforPersistentScatterers/Multi-TemporalInSAR)。該軟件基于地面上在一定時期內具有穩定散射特性的高相干點，包括永久散射體處理方法和小基線集處理方法，由Roi_pac、DORIS、Snaphu、Triangle等幾個常用InSAR軟件輔助構成，其中Roi_pac軟件用于成像處理，由RAW格式數據生成標準CEOS格式的SLC數據；DORIS軟件用于SLC數據讀取、配準、DEM相位轉換、生成干涉圖；Snaphu軟件用于干涉圖解纏，以及PS的三維解纏；MatlabforLinux，用于后續PS/SBAS處理；Triangle用于將PS點組成Delaunary三角網。處理選用19980403為主影像，其他影像為從影像，分別與主影像進行干涉處理形成了21幅干涉圖(圖2)。可見其總體相干性較差，然而由于PS-InSAR技術是以高相干點為對象進行相位的時間序列分析，在一定程度上拓展了數據對基線的要求，同時又可以在一定程度上削弱大氣延遲對結果的影響。

圖2　泉州地區PS技術處理生成的干涉圖 Fig.2　Interferogram processed by PS-InSAR in Quanzhou area

圖3　1996-1999年泉州地區PS點平均形變速率圖 Fig.3　Average deformation rate of PS points in Quanzhou area from 1996 to 1999

在經過多次迭代處理獲取了消除大氣、軌道等各種誤差的相位解纏后，采用SVD方法估計形變結果，通過在高相干點上進行相位的時間序列分析，最終得到該區域1996—1999年的年平均形變速率圖(圖3，圖4)。從監測結果上來看，該地區的整體形較小，形變量級介于每年-8 ～9mm。由于該地區地形復雜、水汽較大，大氣延遲仍會對結果具有一定的影響。從相位解纏圖上看(圖5)，在PS點上的解纏相位在空間分布上相對平滑，認為存在較大解纏誤差的可能性較小，基本可以認為解纏相位可靠。為了進一步分析結果的可靠性，計算了年平均速率的標準差分布圖(圖6)。從圖中可以明顯看出，年平均速率總體結果較可靠，大部分PS點年平均速率標準差在1～2mm/a左右。

圖4　1996-1999年泉州地區年PS點平均形變速率內插三維圖 Fig.4　Interpolated 3-D graph of average deformation rate of PS points in Quanzhou area from 1996 to 1999

圖5　PS技術處理生成的解纏相位圖 Fig.5　Unwrapped-phase map pocessed by PS-InSAR

圖6　1996-1999年泉州地區年平均形變速率標準差分布圖 Fig.6　The standard deviation distribution map of annual mean deformation rate in Quanzhou area from 1996 to 1999

圖7　PS結果AB、CD地形剖面及1996-1999年平均形變速率剖面圖 Fig.7　Profile of AB，CD and annual mean deformation rate processed by PS from 1996 to 1999

1.4結果分析

從泉州地區1996-1999年平均形變速率與斷裂帶分布的結果中可以看出，斷裂發育處呈現形變界線。研究區斷層面較陡，有水平擦痕和水平錯斷水系，表明NE向和NW向兩組斷裂為共軛走滑斷層。斷層兩側形變速率不一致，其年平均LOS向滑動速率可達3～5mm左右(圖7)。

2結論

通過PS-InSAR技術監測分析了海峽西岸泉州地區的構造形變情況。以長樂—南澳斷裂帶和永安—晉江斷裂為研究區選取高相干PS點做相位回歸分析，得出斷裂帶兩盤的年位移速率為3～5mm。形變監測結果表明長樂—南澳斷裂帶和永安—晉江斷裂具有較強的活動性，依然具有發生較大地震的可能性，是地區潛在的安全隱患。

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