GPS与PS-InSAR联网监测的台湾屏东地区三维地表形变场

联合高精度的GPS水平位移观测和高密度的PS-InSAR雷达视线位移测量,实现地表三维形变的精确反演.本文在准确计算卫星轨道方位角基础上,使用GPS观测位移与星载雷达LOS方向形变的投影转换模型,将雷达LOS方向形变转换为垂直方向位移,并基于地面GPS与SAR影像PS目标联合构建形变监测网,采用参数平差算法估计区域地表形变场.以地质构造活动极其活跃的台湾岛及其西南屏东高雄地区为例,联合屏东地区48个GPS监测台站与雷达PS目标,监测该地区从1995-1999年间由于板块构造挤压运动和地下水抽取导致的三维地表形变.结果表明,该地区年均水平位移量为向西30~50 mm/a,高雄沿海地区发生明显的逆时针西偏南的逐渐增大的水平位移;垂直位移为屏东平原南部呈现-10 mm/a~-15 mm/a的地面沉降,而平原北部和高雄地区呈现约+5 mm/a~+10 mm/a的地面抬升.     

永久散射体雷达差分干涉应用于区域地表沉降探测

永久散射体干涉测量技术可以克服常规干涉方法在区域地表形变测量中的雷达信号失相关和大气延迟影响. 本文对基于永久散射体的干涉处理全过程进行了分析, 基于差分相位的两个主要特性: 沉降信号时序相关、地形相位与空间基线成比例, 提出构建PS网络, 并采用间接观测平差法估计沉降速度网和高程修正网的全局最优解. 实验选取上海地区近10年间的ERS-1/2卫星C波段SAR数据进行干涉处理, 在永久散射体上分离形变信号、高程修正和大气分量, 并最终提取上海地区高分辨率地面沉降速度场, PS结果与地面精密观测成果吻合较好.     

雷达干涉PS网络的基线识别与解算方法

时序雷达干涉图中的永久散射体(PS)可看作“天然GPS点”, 以构成网络用于监测长期的地表形变. 本文提出采用邻接矩阵拓扑模型对基于Delaunay剖分算法生成的PS网络进行基线识别, 并采用时序相干最大化算法求解PS基线的线性形变速度增量和高程误差增量. 该数据模型和计算方法被应用于探测香港地区2006~2007年间的区域地表沉降. 实验研究采用由Envisat卫星ASAR传感器对该地区成像所获取的时序SAR影像作为数据源, 并联合该地区12个GPS连续运行参考站的观测数据予以大气修正和地面控制. 实验结果表明, 该模型和方法应用于地表形变测量是有效的和可靠的, PS网络方法探测地面沉降的精度约为±2.0 mm/a.     

融合升降轨SAR干涉相位和幅度信息揭示地表三维形变场的研究

针对InSAR技术只能监测地表在雷达视线方向上的形变的缺点, 详细介绍了融合升降轨SAR干涉相位和幅度信息监测地表三维形变的具体方法. 该方法主要分为3个步骤: (1) 利用升降轨SAR干涉相位监测地表在2个不同雷达视线方向上的形变; (2) 利用升降轨SAR幅度信息获取地表在2个不同方位向上的形变; (3) 采用最小二乘准则和Helmert方差分量估计融合上述4个不同方向的形变, 从而估计地表三维形变场. 以2003年伊朗Bam地震为例, 应用该方法成功地揭示了该地震引起的地表三维形变场, 结果显示Bam地区北部出现了明显地表下沉和沿近西南方向的水平运动, 而南部则出现地表隆起和沿近东南方向的水平运动. 上下、南北和东西3个方向上的地表形变场都很好地吻合了地震断层所在的位置, 最大形变量分别达22, 40和30 cm. 最后, 将此三维形变场与利用Okada模型模拟的三维形变场进行了比较, 证明了该方法能够得到可靠且精度较高的地表三维形变场.     

基于时间序列SAR影像分析方法的三峡大坝稳定性监测

本文提出了结合永久散射体和准永久散射体干涉测量技术的时间序列合成孔径雷达（SAR）影像几何信息提取方案,利用2003～2008年获取的40景SAR影像量测并分析了三峡大坝运行时的稳定性问题及其周边区域的形变规律.我们发现在数据获取期间,三峡大坝左段的时效沉降基本停止,大坝形变受水位的影响较大,季节性变化也有一定体现.该实验结果和已发表的该坝段形变监测结果十分吻合.在数据处理结果中我们还在大坝上游秭归县附近堤坝发现一处形变异常.研究结果表明了时间序列SAR影像信息提取技术在大坝稳定性监测及坝区形变参数获取中的应用潜力.     

基于ASAR升降轨数据解算于田Ms7.3地震3D同震形变场

对覆盖同一地区的ASAR升降轨数据进行二通法差分干涉处理,获取2008年3月21日于田地震在两种LOS方向下干涉纹图.通过对于涉纹图的判读,结合震源机制解、地质构造和余震分布,认为于田地震断层为略有走滑分量的NE向正断层.考虑到于田地震的走滑分量微小的特定形变特点,在形变场三维解算中加人沿断层方向形变值近似为0的约束条件,结合已有的升降轨LOS方向形变约束,可以满足求解三维形变场的条件.解算的三维形变场结果表明,在雷达相干区域内,下盘抬升最高值达到15 cm,上盘沉降最大值达到22 cm,水平拉张的最大形变值出现在下盘,形变量达115 cm,这说明于田地震拉张特征明显.该结果为进一步认识于田地震的同震变形特征提供参考.     

通过InSAR与GPS数据融合获取汶川地震同震三维形变场

针对In SAR与GPS两类独立的观测数据,利用广义测量平差理论中方差分量估计法,合理分配权重,有效地融合了这两类观测数据,从而估算出了地表在三维方向上的形变场。以四川汶川地震为例,利用In SAR干涉测量结果和一定数量的GPS观测值,通过该方法获取了地震断层两侧高相干区域上三维形变场,清晰地显示了汶川地震的逆冲和右旋走滑分量的位置分布整体特征。结果表明,在EW、SN和UD方向上地表形变量与GPS结果能够很好地吻合,融合结果在三维方向上的均方根误差均不超过5cm,证明了该方法能够得到精度较高的地震同震三维形变场,也揭示了利用方差分量估计法对相互独立数据之间有效融合的可行性。     

提取地震同震形变场特征的最佳雷达波段问题研究

利用弹性形变模型, 并以走滑型断层为例, 对地震同震形变场进行了模拟研究。 结合雷达成像几何关系, 得到干涉雷达的LOS向形变场以及干涉相位条纹图像。 对比分析了不同雷达波段(X波、 C波、 L波)以及不同雷达入射角(30°和50°)的同震形变场和干涉相位图。 结果表明, 同一雷达波段不同雷达入射角的LOS向形变场会有不同的效果, 入射角逐渐增大时, LOS向形变量随之增大, 体现了发震断层走滑特征; 采用不同雷达入射角, 其探测到的地表形变垂向分量和水平分量信息量不同, 表明入射角较大或较小时能够分别较好地对地表形变的水平变化和垂向变化进行监测; 同一雷达入射角, 不同雷达波段的干涉相位条纹有明显区别, 波长越短, 干涉条纹越密集, 容易出现去相关现象, 长波长的干涉相位条纹比较清晰。 从某种意义上讲, 尽管长波长的干涉相位反映地表形变信息的细节会减少, 但受噪声影响较小, 抗干扰性能较短波长的强, 干涉像对相干性高。 地表形变表现为长期缓慢的小幅度渐变性形态, 也表现为短期迅速的大面积突发性形态。 不同雷达波长探测到的地表形变有效信息不同, 为了更好地利用干涉雷达对各种尺度和不同变化速率的地表形变进行监测, 需要在满足精度的条件下尽可能地选择波长较长及多样化的雷达数据。     

综合InSAR和应变张量估计2016年MW7.0熊本地震同震三维形变场

利用合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)影像提取与地质活动相关的三维地表形变场,对深入理解地质灾害的形成机制及其潜在灾害风险评估非常重要.目前,利用SAR影像的同震三维形变场提取主要利用单个像素点的多次观测构建观测方程,然后基于加权最小二乘(Weighted Least Squares,WLS)方法分解从而获得同震三维形变场,因此该方法缺乏对相邻像素点空间相关性的约束.考虑相邻同震位移点的应力连续性,研究学者提出了顾及大地测量应变张量和卫星形变观测的SAR同震三维形变场方法(Extended Simultaneous and Integrated Strain Tensor Estimation from geodetic and satellite deformation Measurements,ESISTEM).本文以2016年MW7.0熊本地震为例,收集了覆盖此次地震的ALOS-2卫星升降轨影像,利用传统差分InSAR(DInSAR)方法和子孔径雷达干涉测量(Multiple Aperture InSAR,MAI)方法分别对升降轨SAR影像对进行处理,得到视线向(LOS)形变和方位向形变,最后利用ESISTEM方法获取此次地震的三维同震形变场.此外,利用GPS和野外考察观测对本文的三维形变场结果进行结果精度分析.研究结果表明,与传统WLS方法相比,ESISTEM方法不仅能有效抑制奇异像素点对形变结果的干扰,同时对近断层的失相干信号能进行较好的恢复,更有助于解释地表破裂区的地震形变特征和掌握地震发生机制.本文确定的三维同震形变场结果显示主形变区发生在Futagawa断层中部和Hinagu断层最北端,最大水平位移为2m,抬升为0.55m.断层破裂以NE-SW走向的右旋走滑为主兼有部分正断成分.应变张量分析表明发震断层处受到了明显的收缩力和剪切力的作用.     

福建省泉州地区断裂带地壳形变PS-InSAR监测

PS-InSAR技术能够有效降低常规差分干涉雷达受时间失相干、空间失相干和大气效应的影响,在常规D-InSAR不能形成干涉条纹的情况下,可利用时间序列的雷达影像和相位稳定的永久散射体目标点获取离散的PS像素点形变速率。以福建省泉州地区的断裂带为研究对象,对1996-1999年的22景ERS SAR数据进行PS-InSAR处理,得出研究区主要断裂的视线向位移速率为3~5mm/a,表明该区断裂仍有一定的活动性,具有潜在的地震危险。     

A Quantitative Assessment of DInSAR Measurements of Interseismic Deformation: The Southern San Andreas Fault Case Study

We investigate the capabilities and limitations of the Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (DInSAR) techniques, in particular of the Small BAseline Subset (SBAS) approach, to measure surface deformation in active seismogenetic areas. The DInSAR analysis of low-amplitude, long-wavelength deformation, such as that due to interseismic strain accumulation, is limited by intrinsic trade-offs between deformation signals and orbital uncertainties of SAR platforms in their contributions to the interferometric phases, the latter being typically well approximated by phase ramps. Such trade-offs can be substantially reduced by employing auxiliary measurements of the long-wavelength velocity field. We use continuous Global Positioning System (GPS) measurements from a properly distributed set of stations to perform a pre-filtering operation of the available DInSAR interferograms. In particular, the GPS measurements are used to estimate the secular velocity signal, approximated by a spatial ramp within the azimuth-range radar imaging plane; the phase ramps derived from the GPS data are then subtracted from the available set of DInSAR interferograms. This pre-filtering step allows us to compensate for the major component of the long-wavelength range change that, within the SBAS procedure, might be wrongly interpreted and filtered out as orbital phase ramps. With this correction, the final results are obtained by simply adding the pre-filtered long-wavelength deformation signal to the SBAS retrieved time series. The proposed approach has been applied to a set of ERS-1/2 SAR data acquired during the 1992–2006 time interval over a 200?×?200?km area around the Coachella Valley section of the San Andreas Fault in Southern California, USA. We present results of the comparison between the SBAS and the Line Of Sight (LOS)—projected GPS time series of the USGC/PBO network, as well as the mean LOS velocity fields derived using SBAS, GPS and stacking techniques. Our analysis demonstrates the effectiveness of the presented approach and provides a quantitative assessment of the accuracy of DInSAR measurements of interseismic deformation in a tectonically active area.     

基于方差分量估计的多源InSAR数据自适应融合形变测量

近年来,合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术在地面沉降监测方面展现了巨大的应用潜力,但受其重访周期和一维形变测量能力的限制,仅利用单一轨道卫星观测数据很难揭示真实的地表形变特征及其演化规律.随着在轨运行的SAR卫星系统不断增加,使得融合相同时间段内覆盖同一区域的多源多轨道InSAR数据成为可能.然而目前普遍采用的多源InSAR数据融合方法均为针对大尺度形变监测设计,或者忽略南北向形变甚至水平形变,容易造成误判.为此,本文对经典小基线集(Small Baseline Subset, SBAS)时序InSAR分析方法进行改进,在其形变反演模型中加入东西向和南北向形变参数,采用方差分量估计方法解算多源观测数据验后方差,通过迭代精化确定权重矩阵,从而获得形变参数的最优估值.使用美国南加州地区的ALOS PALSAR和ENVISAT ASAR数据开展实验,利用南加州综合GPS网(SCIGN)位于研究区域内的9个站点观测数据进行验证,结果表明本文方法得到的融合形变测量结果在垂直向上能够准确反映地表形变波动,周期性与GPS观测比较一致;同时,融合得到的三维形变场显示南加州洛杉矶地区存在不可忽略的水平形变,东西向形变测量精度略高于南北向.因此,基于方差分量估计的多源InSAR融合方法在提高形变测量时间序列连续性的同时,能够更准确地反演研究区域三维形变特征.     

西南天山地表三维位移场及断层位错模型

利用1992—2012年间西南天山GPS观测和2003—2009年EnviSAT卫星InSAR图像,构建西南天山与塔里木盆地间(喀什坳陷)震间变形的三维位移场,约束区域内滑脱断层运动模型.结果显示:位于喀什坳陷基底与沉积盖层间埋深为12~18km的主滑脱断层进入西南天山(迈丹—喀拉铁克断裂带以北)沿高角度断坡深入天山底部至23~33km,并北倾1°~2°延伸至天山内部,从完全闭锁到自由蠕滑,滑动速率9~10mm·a-1.依据断层位错模型,1902年阿图什M8大地震可能从铁列克断层根部23km左右开始破裂,沿高角度断坡断层扩展25~30km的距离至科克塔木背斜南翼托特拱拜孜—阿尔帕雷克断裂.1902年阿图什地震可能导致阿图什背斜下方埋深2~12km的高角度断坡断层以2~3mm·a-1速率持续蠕滑,蠕滑过程释放的应力等价于一次Mw6.7左右的中强地震,西南天山及喀什坳陷基底滑脱断层控制了西南天山及前陆地带的现今变形和地震活动.     

基于InSAR、GPS形变场的长白山地区火山岩浆囊参数模拟研究

利用差分合成孔径雷达干涉测量技术（DInSAR）获取长白山地区的形变场.结果显示1995~1998年期间,位于长白山东南侧的间白山火山存在6~12 cm的视线向形变,而长白山天池火山处于平静期,没有明显形变.利用2002~2003年的GPS和水准获取的形变数据,分别采用Mogi单源、双源模型反演了长白山地区火山的岩浆囊参数.其中双源模型拟合效果较为理想,两个点源一个位于长白山天池老火山口下方7.9 km处,另一个位于间白山火山下方5.5 km处.对双源模型反演得到的岩浆囊参数进行适当调整,拟合得到与InSAR形变场基本吻合的结果.上述研究结果表明长白山地区火山活动存在时间上的间歇性和空间上的迁移性,为进一步研究长白山地区火山活动机制提供了参考和依据.     

Crustal block rotations in Chinese mainland revealed by GPS measurements

We simulate GPS horizontal velocity field in terms of rotations of crustal blocks to describe deformation behavior of the Chinese mainland and its neighboring areas.31 crustal blocks are bounded primarily by~30 Quaternary faults with distinct geometries and variable long-term rates of<20 mm/a,and 1 683 GPS velocities were determined from decade-long observations mostly with an averaged uncertainty of 1?2 mm/a.We define GPS velocity at a site by the combination of motion of rigid block and elastic strain ind...     

Computing Crustal Strain Using Repeated GPS Survey

A method for computing crustal horizontal velocities and strain-rates using repeated GPS survey and other crustal deformation measurement was presented in detail. Based on the data taken from the Crustal Deformation Monitoring-Networks with GPS in the whole country and North China, we derived the average horizontal velocities of the points of the networks and simulated the horizontal velocity and strain-rate fields in the corresponding areas. From these results, we can conclude: (1) GPS can effectively detect current crustal motion and deformation, and (2) the method presented in the paper is valid, and through its use, calculated results can provide more information about current crustal motion and deformation than direct observation data.