基于InSAR技術的城市爆炸地表形變特征研究

楊云飛，李金平,2

(1.云南師范大學地理學部，昆明 650500；2.西部資源環境地理信息技術教育部工程研究中心，昆明 650500)

近年來城市爆炸時常發生，造成了巨大的人員傷亡和財產損失，如天津港爆炸[1]、響水爆炸[2-4]和貝魯特爆炸[5]等。差分干涉測量(Differential InSAR，D-InSAR)技術是目前國內外在InSAR應用上最為成熟的技術，這項技術通過星載合成孔徑雷達監測地球表面形變精度在厘米級甚至毫米級。Gabriel等[6]在1989年首次驗證了D-InSAR技術具有監測地表微小形變的能力；Goldstein等[7]在1993年把D-InSAR技術應用于南極的冰川移動監測并獲得成功，成果發表于Science。同年Massonnet等[8]利用D-InSAR技術獲取了1992年加利福尼亞Landers地震同震形變場。此后，D-InSAR技術被廣泛應用于由各種原因引發的地表形變的監測中，包括地震、滑坡、火山運動、冰川移動等自然現象[9-14]，還包括礦山開采、地下水抽取等人類活動[15-18]。

本文采用D-InSAR技術對爆炸產生地表形變場進行監測，同時對比天然地震產生形變場，得到爆炸產生的形變場特點，為爆炸后的重建提供形變信息支持；并基于形變值與薩道夫斯基公式構建城市爆炸形變模型。

1 研究區概況

天津港爆炸中心位于東經117.74°、北緯39.04°，從衛星影像(見圖1)看，爆炸約554 m范圍內設施嚴重損毀。響水爆炸位于東經119.76°、北緯34.34°，爆炸340 m范圍內建筑損毀嚴重(見圖2)。貝魯特爆炸位于東經35.52°、北緯33.90°貝魯特港口內，爆炸范圍約553 m內港口設施摧毀殆盡，在約943 m范圍內樓房有明顯震碎物品墜落(見圖3)。作為對比的天然地震選取2017年伊朗Mw7.3，其震中位于伊朗-伊拉克邊界歐亞板塊與阿拉伯板塊碰撞交匯處的扎格羅斯褶皺沖斷帶，構造活動強烈地震多發(根據地球物理中板塊運動模型NUVEL -1A計算結果顯示，阿拉伯板塊以30 mm/yr撞向歐亞板塊[19])；從地貌特征來看，震中區域植被稀疏，利于合成孔徑雷達進行干涉測量；以上兩個因素也造就了此區域作為InSAR技術監測地震引發形變較為理想的試驗場(見圖4)。

圖1 天津港爆炸衛星影像Fig.1 Satellite image of Tianjin Port explosion

圖2 響水爆炸衛星影像Fig.2 Satellite image of Xiangshui explosion

圖3 貝魯特爆炸衛星影像Fig.3 Satellite image of Beirut explosion

2 數據及數據處理

Sentinel-1A數據來自于歐州航天局于2014-04-03發射的全新C波段SAR衛星， 它可以提供具有周期性且精確的大范圍形變監測，性能比ERS-1/2、ENVISAT ASAR衛星獲取的SAR影像更為完善，具有噪聲小、影像干涉能力更強、監測精度更高、周期更短和免費申請獲取等特點[20]。本文分別選取覆蓋該爆炸、地震事件發生前后區域的一組 Sentinel-1A影像數據(SLC格式)，通過D-InSAR技術來獲取爆炸產生形變場和地震產生形變場，影像參數如表1所示。

表1 研究區影像參數

D-InSAR技術其數據處理流程可分為：數據輸入、干涉圖生成、濾波和相干性計算、去平地效應及相位解纏、軌道精煉和重去平、相位轉形變及地理編碼[20]。鑒于軌道存在的系統誤差、平地效應及不同地物具有不同相干性的實際特點，本次數據處理過程中通過引入外部數據和多次調整參數，獲得了較為可靠結果，具體如下：數據輸入中通過添加衛星精密軌道數據AUX_POEORB降低系統誤差產生的影響提高數據處理精度；干涉噪聲先采用距離向比方位向為1∶4的多視處理，之后選擇高通濾波(Goldstein)去除相位噪聲；利用STRM數據(30 m×30 m)外部數字高程模型(DEM)去除地形相位產生的影響；采用最小費用流法進行相位解纏，將纏繞的相位校正到高相干性參考點上，更好地還原地表形變引起的真實相位變化；在估算和去除殘余的恒定相位后，軌道誤差依然存在，由此選取GCP控制點，對干涉圖進行重新估算，減小誤差；經過以上處理獲取的純凈相位信息轉化為形變位移信息(包括生成雷達視線方向形變、垂直方向形變)并進行地理編碼得到實際應用中對應的地表形變。

3 爆炸形變特征分析

天津港爆炸中心附近分別出現了一個較大沉降和隆升區域，其東向出現兩個較大的沉降漏斗區域，整體監測區域垂直向形變范圍在-3.7 ～ 4.8 cm(見圖5)；響水爆炸中心附近出現了一個較小沉降區域但整體主要表現為隆升，其東向形變整體較西向劇烈，整體監測區域垂直向形變范圍在-4.5～3.8 cm(見圖6)；貝魯特港爆炸中心附近主要表現為沉降但有小片區域表現為隆升，其東向主要表現為隆升西向主要表現為沉降，整體監測區域垂直向形變范圍在-4.9～1.8 cm(見圖7)。從天津港爆炸、響水爆炸及貝魯特港爆炸雷達視線向形變場和垂直形變場綜合來看：爆炸中心周邊出現有密集且不連續(隆升與沉降交錯)的形變，結合爆炸前后衛星影像地表隆升與沉降交錯區域多發于建筑物密集且損毀嚴重區域，符合實際中建筑倒塌現象。由形變判斷發生建筑損毀區域，天津港爆炸損毀范圍半徑約在2 034 m；響水爆炸損毀半徑約在830 m；貝魯特港爆炸損毀半徑約在2 100 m。通過對比天然地震產生形變場(見圖8)，地表爆炸所引發的地表形變更多的表現出一種雜亂的不連續波動。

圖6 響水爆炸形變場Fig.6 Deformation field of Xiangshui explosion

圖7 貝魯特港口爆炸形變場Fig.7 Deformation field of Beirut Port explosion

圖8 地震形變場Fig.8 Earthquake deformation field

4 城市爆炸形變模型構建

綜合爆炸前后遙感影像目視解譯及爆炸形變場(InSAR)獲取信息，如表2所示。由表2發現從遙感影像目視解譯能較為準確地獲取爆炸源周邊建筑物倒塌的范圍(范圍內損壞等級為完全破壞)；綜合InSAR技術監測到的爆炸形變范圍，可以獲取形變邊界至建筑物倒塌邊界范圍內的建筑物受損情況(范圍內損壞等級為次嚴重破壞至基本無破壞)。

表2 遙感方式獲取爆炸影響信息

由于爆炸發生在日常生產運輸的地方(化工園區、港口)可認為爆炸是在普通地面發生，在此前提下爆炸產生的空氣沖擊波超壓可以運用薩道夫斯基公式[21]計算:

(1)

式中：Δp為空氣沖擊波的超壓值,kPa；m為TNT炸藥的質量，kg；R為爆炸半徑，m。

由公式(1)結合表2遙感手段獲取的邊界范圍信息計算空氣沖擊波的超壓值(見表3)。

表3 爆炸在遙感獲取邊界范圍下超壓值

在已知爆炸當量情況下，通過遙感手段可快速獲取損毀范圍和形變范圍，即在較短的時間里獲得損毀嚴重范圍和次損毀嚴重范圍內空氣沖擊波的超壓值。

由于D-InSAR形變監測具有臨界形變梯度[22]，由于臨近爆炸中心，破壞等級在完全破壞范圍內存在大量區域真實形變超過D-InSAR形變監測能力范圍，因此本文在城市爆炸形變模型構建中不考慮完全破壞區域；通過獲取的次嚴重區域至基本不受影響區域內空氣沖擊波的超壓值及范圍內形變值，以形變值作為自變量，超壓值作為因變量，通過分析3次爆炸形變值、超壓值曲線發現3次爆炸具有一致的曲線特征(見圖9)；通過對3次爆炸形變曲線擬合得到基于3次爆炸的爆炸形變模型：y=-0.160x3+0.273x2-1.854x+13.150。

圖9 次嚴重區域至基本不受影響區域形變—空氣沖擊波超壓模型Fig. 9 Deformation from severe area to basically unaffected area-air shock wave overpressure model

5 結論

1)通過獲取3次爆炸事件所引發的地表形變場，發現爆炸所引發的形變相較于天然地震具有不連續波動的特點。

2)結合爆炸前后衛星影像發現形變隆升區域為建筑密集區，以此為依據可通過形變隆升的區域評估爆炸帶來的毀傷范圍。

3)對于較大沉降區域，可能處于不穩定的地質區，災害后重建時需重點評估。

4)通過總結3次爆炸形變與空氣沖擊波超壓值曲線特點，構建了次嚴重區域至基本不受影響區域形變—空氣沖擊波超壓模型。