基于InSAR 技術的大錫特金火山形變監測

李 飛，楊成生

（1. 楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 7121002；2. 長安大學，陜西 西安 710054）

火山噴發是最嚴重的自然災害之一，其結果不但會直接造成人員和財產損失，還會引起氣候變化，引發自然災害[1]。自1991 年菲律賓Pinatubo 火山噴發之后，全球的火山活動進入了一個相對活躍的時期[1]。世界上大部分的火山位于人口密集的發展中國家。因此，世界各國都非常重視關于火山噴發的監測、預測，以便最大程度減少火山噴發造成的損失[2]。

1 研究區域概況

大錫特金島位于太平洋海域（美國火山島），總面積245 km2，長19 km、寬13 km，隸屬安德烈亞諾夫群島，歸阿拉斯加州管轄，最高點海拔1 740 m，島上無人居住[3]。大錫特金火山基本大體呈橢圓形（長半軸5.5 km，短半軸4 km），是由一個年代較早且頂部已消失的中央火山以及西北側的寄生火山錐組成的復合結構，寄生火山錐上方崩塌而形成了一個直徑約為1.2 km的破火山口。全島最高點位于中央火山的東南側殘頂，海拔1 740 m。大錫特金火山自18 世紀后期起有較多次火山活動記錄，大多規模較小。最新一次火山活動發生于2013年9月，此次規模較大，阿拉斯加火山觀測所已經將這座火山的警戒級別上調至黃色（建議級），并且可以清晰地看到大錫特金火山西側破火山口內的火山穹丘正在持續地噴出氣體。該火山在2013年9月發生的劇烈噴發，對當地的環境和氣候造成嚴重的影響。據觀測資料表明，大錫特金火山在噴發之前，其表面已經發生了嚴重的形變。

2 TerraSAR-X衛星及數據查詢

由德國和歐洲合作開發的TerraSAR-X 衛星，于2007-06-15 發射升空，軌道位于極地軌道上高514 km[4]，所使用的雷達波段為X 波段，衛星分辨率大約1 m，壽命5 a（在排除氣象條件、照度、云層覆蓋的情況下）。本次實驗所采用的研究區域位于太平洋海域的大錫特金島的大錫特金火山，大錫特金島（51.40～52.10N,175.48～176.17W），采用SAR 數據為TerraSAR-X，查詢到10景數據，采用了其中的4景數據。表1為覆蓋研究區域的TerraSAR 數據列表，合計4 景數據，第一景數據的拍攝時間為2013-08-16，第二 景2013-08-27， 第 三 景2014-08-03， 第 四 景2014-08-14。

表1 TerraSAR數據列表

3 DEM數據獲取

SRTM DEM是美國航空航天局（NASA）和美國國家測繪局同歐洲國家合作，共同研發的一臺遙感測繪系統平臺，系統搭載在航天飛機上進行了11 d的飛行，共獲得數據9.8 萬億字節，全球陸地80%被覆蓋，歷經數年構建了全球數字高程模型，數據處理時長為2 a[5]。目前其精度仍在隨算法更新而進步。獲取SRTM DEM首先進入網站http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/，選擇30 m分辨率版本的DEM 進行下載， 查詢區域為51.40～52.10N，175.48～176.17W，下載文件共4個，分別是N51W176、N51W177、N52W176、N52W177。

4 實 驗

4.1 D-InSAR技術處理流程

主要工具為ENVI 軟件下的SARscape 的D-InSAR Displacement Workflow模塊。

1）基線估算：估算時間基線和空間基線以及多普勒偏移等主從數據的情況[6]，是進行后續工作的必要條件。

2）數據的導入：要進行數據的導入必須將原始的TerraSAR-X 數據轉換成為SARscape 的格式，因此還必須進行格式轉換的工作，將原始RAW格式的數據轉換成SLC 單視復數數據，再進行數據的導入工作。數據的導入工作完成之后，會生成視數比的數據。

3）干涉圖的生成：此時根據前一步驟導入數據生成的視數比，將距離和方向視數分別改為14和6[6]，制圖分辨率設置為25，然后進行干涉圖的生成。

4）濾波和相干性計算：此步驟的目的是為了去除噪聲和計算相干性是否滿足要求。選用Goldstein濾波法，減少失相干噪聲，提升干涉條紋清晰度[7]。

5）相位解纏：相位變化超過周期2π，便重新開始和循環。相位解纏解決2π模糊的問題，解纏后濾波相位與地形信息的線性變化相對應[8]。解纏方法使用的是Minimum Cost Flow，解纏分解等級設置為1。

6）控制點的選擇：在已有文件或用于軌道精煉的控制點文件中選擇控制點。控制點的優選相干性高的干涉圖區域，避開未去除地形相位區域、變化的區域和解纏錯誤區域[9]。

7）軌道精煉和重去平：用Automatic Refinement方法進行軌道精煉，計算相位偏移，糾正衛星軌道和相位偏移，消除可能的斜坡相位[6]，這種方法是首先根據輸入的控制點估算軌道形態，并將軌道精煉的多項式次數選擇3次。

8）相位轉形變及地理編碼：將經過絕對校準和解纏的相位結合合成相位，轉換為形變數據以及地理編碼到制圖坐標系統，將得到LOS 方向上的形變[10]。其中相干性閾值設置為0.18，并且不計算垂直方向的形變以及斜坡形變，并將方位角和入射角的角度設置為0°，X方向的水平分辨率和Y方向上的水平分辨率設置為25，并去除圖像外的無用值，這一步的目的是對圖像外的區域做掩膜處理。

9）結果輸出：自動對形變數據進行密度分割并配色展示，成果如圖1所示。

圖1 2013-08-06～2013-08-27最終形變圖

4.2 結果分析

經過上述的二軌法D-InSAR處理，得到2013-08-16與2013-08-27，以及2014-08-03與2014-08-14期間大錫特金火山的表面形變結果圖。接下來將會對2013年8 月期間與2014 年8 月期間大錫特金火山表面形變量進行對比分析，包括火山表面整體形變量時間對比分析、以及垂直于火山口的兩條剖線的剖面形變量的對比分析。

4.2.1 火山表面整體形變量時間對比分析

據調查發現，大錫特金火山在2013年9月曾發生過一次劇烈的噴發，對當地的生態環境造成巨大的影響，圖1和圖2以及圖4是火山噴發前后的火山表面形變結果圖，由于兩幅形變圖是在火山噴發前后生成的，因此分析這兩幅形變圖對于研究火山噴發與火山表面形變之間的關系有重要的意義。

圖2 2014-08-03～2014-08-14最終形變圖

圖4 2014-08-03～2014-08-14剖線方向圖

圖1 表示了2013 年8 月期間大錫特金火山表面形變量結果圖，從圖中可以看出大錫特金火山的火山口有明顯的隆起，形變量最高達到了+3.4 cm，隨著遠離火山口，隆起的形變量逐漸降低，到了火山口的邊緣形變量基本為0。隨著距離火山口越來越遠，火山表面雖然出現了沉降，但是沉降量并不大，基本在-9 mm左右，并且到了火山的山腳下趨于穩定。

圖2 表示了2014 年8 月期間大錫特金火山表面形變量結果圖，從圖中可以看出大錫特金火山的火山口形變并不明顯，只有輕微的沉降形變量，形變量大約為-5 mm。隨著距離火山口的越來越遠，直至大錫特金火山的山腳下，形變量基本上沒有變化，大體形變量在-5 mm～+5 mm之間徘徊，整體上趨于穩定。

圖1 是在火山噴發前大約半個月生成的形變圖，從圖中可以看出，火山口附近有明顯的隆起，而且距離火山口水平距離1 km之內的圓周范圍內的隆起形變量與火山口的隆起形變量非常接近，大約為+3 cm，這說明火山噴發前期，火山口周圍會有明顯的隆起，且隆起的形變量大約在+3 cm 左右。火山內部噴出物快速由火山口向地表釋放，形成隆起。上覆巖層圍壓，使巖漿中的大量揮發分無法溢出，當巖漿上升接近地表時[11]，壓力增大，會造成火山表面的隆起，當表面壓力承受值超出一定閾值之后，火山便會噴發。

圖2 是在火山噴發之后大約8 個月生成的形變圖，從圖中可以看出，在火山口附近沒有明顯的形變，而且距離火山口水平距離1 km之內的圓周范圍內的形變量也非常小，與火山口附近的形變量基本一致，大多在±5 mm 之間徘徊。據可靠的觀測資料顯示，在2013年9月期間大錫特金火山噴發之后，該火山的活動趨于穩定。此時可以說明，在火山活動趨于穩定的期間，火山口附近及周圍1 km之內的區域表面形變非常微小，數值在±5 mm之間徘徊，沒有明顯的隆起現象。

由此可以得出結論，在火山噴發的前夕，必然會伴隨著火山口附近地表的隆起，隆起形變量大約在+3 cm左右。隨著火山噴發之后的火山活動日趨穩定，火山口及附近地表的形變量微乎其微，大約在-5 mm～+5 mm之間徘徊。通過雷達影像對可能發生火山噴發的地區進行干涉處理，生成地表形變圖，可以有效地監測火山活動的情況，對于火山噴發的早期預警、火山災害的監測、火山噴發的災后疏散都有著非常積極的作用。

4.2.2 剖面分析

通過火山表面整體形變量對比分析，表明火山噴發前夕，火山口及附近地表會隆起，且隆起形變量在+3 cm左右。而在火山活動趨于穩定的時期，火山口及附近地表的形變量非常微小，大約形變量在-5 mm～+5 mm之間。接下來將會做垂直于火山口的兩條剖線，并進行剖面形變量對比分析，來驗證上述結論。

如圖3、4所示，所做的2條剖線分別垂直于火山口。其中L1 方向為從西向東，L2 方向垂直于L1 方向為從南到北，然后分析2013 年8 月形變圖和2014 年8 月形變圖沿著2 條剖線的剖面形變量，并進行對比分析，驗證上述結論。

圖3 2013-08-06～2013-08-27剖線方向圖

圖5表示大錫特金火山在2013年8月期間和2014年8 月期間在L1 方向的剖面形變量走勢圖，圖6 表示大錫特金火山在2013年8月期間和2014年8月期間在L2方向的剖面形變量走勢圖。兩幅圖中分別都有火山口在剖線L1 方向和剖線L2 方向的相對位置，以此來分析火山口在L1方向和L2方向的剖面形變量走勢圖，并推斷火山表面形變與火山噴發的關系。由2013年8月期間大錫特金火山表面形變圖可知，在火山口及附近地表出現了明顯的隆起，隆起形變量達到了+3 cm。在火山噴發之后，火山活動日趨穩定的時期，大錫特金火山在2014年8月期間的形變圖表明，火山口及附近地表的形變量非常微小，基本在-5 mm～+5 mm之間徘徊。

圖5 大錫特金火山L1方向剖面圖

圖6 大錫特金火山L2方向剖面圖

如圖5 所示，大錫特金火山在2013 年8 月期間沿著L1方向的剖面形變基本都在+3 cm左右，沒有太大的波動，并且距離火山口越近，形變量越大，在火山口位置的形變量達到了頂峰，此時臨近火山噴發，因此大錫特金火山沿著L1方向的形變量都非常高。從圖5中又可以看出，大錫特金火山在2014年8 月期間沿著L1方向的剖面形變非常微小，基本都在-5 mm～+5 mm之間徘徊，隨著距離火山口越近，形變量基本為0，這是因為距離火山噴發已經過去了11個月，火山活動日趨穩定，沒有太大的波動。

如圖6 所示，大錫特金火山在2013 年8 月期間沿著L2 方向的剖面形變與沿著L1 方向的剖面形變基本一致，都是保持在+3 cm 左右的隆起形變，并且距離火山口越近，隆起的形變量越大。從圖6中又可以看出，大錫特金火山在2014年8月期間沿著L2方向的剖面形變與沿著L1 方向的剖面形變雖然略有不同，但大體趨勢一致，都是形變量非常小，基本在-5 mm～+5 mm之間徘徊，并且距離火山口越近，形變量幾乎為0。

上述所選的兩條剖線L1 與L2 具有代表性，通過2013年8月期間和2014年8月期間大錫特金火山沿著L1 方向與L2 方向的剖面形變圖，并進行對比分析，驗證上述結論。得出了大錫特金火山在噴發前夕，火山口及附近地表會有隆起，隆起形變量約在+3 cm 左右，在火山活動日趨穩定的時期，火山口及附近地表會有微小形變，形變量約在-5 mm～+5 mm左右。通過分析一段時間內火山表面的形變量，推測火山是否有噴發的可能，對于火山噴發災害早期預警，災后疏散有著非常重要的作用。

5 結 語

本文利用D-InSAR技術對大錫特金火山的表面形變量進行分析，說明了火山表面隆起及沉降的情況，并繪制了時序的剖面圖，直觀地揭示出火山表面形變與火山噴發之間的關系，也證明所采用的分析方法對地面形變監測真實有效。