多孔径InSAR技术电离层校正方法及二维形变场应用研究——以玉树地震为例

差分合成孔径雷达干涉测量技术只能监测地表在雷达视线方向上的一维形变,这极大的限制了其发展和应用.本文详细介绍了一种利用单对干涉影像监测地表二维形变的方法——多孔径InSAR(MAI)技术,研究了基线误差和电离层对该技术的影响,发展了利用顾及方向性的滤波和插值方法改正电离层的影响.最后,以2010年玉树地震为研究对象,利用两景PALSAR影像给出了地表的同震二维形变场.研究结果表明,MAI技术要明显优于传统的灰度偏移量法,在同震形变监测和震源参数反演中具有巨大的潜力.     

利用合成孔径雷达差分干涉测量技术监测伊朗Bam地震同震形变场

介绍了差分干涉测量的原理、差分干涉数据对的选取方法,以及三轨法差分干涉测量数据处理的流程.利用星载合成孔径雷达差分干涉(D-InSAR)测量技术和ENVISAT ASAR雷达数据对2003年12月26日伊朗Bam 6.5级地震引起的地表形变场进行了测量试验,成功地获取了Bam地震的蝴蝶状的同震形变场生成了地表形变的等值线图,并且根据相干图确定了地震造成破坏最严重的区域的位置、分布及面积.试验证明D-InSAR技术是地表形变测量和地震研究的一个强大和有效的工具.     

ERS卫星雷达干涉测量:1999年台湾集集大地震震前和同震地表位移

1999年集集大地震(Mw=7.6)是20世纪以来台湾岛内最大的地震.在本研究中,5个不同时间获取的ERS-1/2卫星合成孔径雷达图像被组合,并被处理成多个差分干涉图,以此来考查与该地震相关的地表位移场.这些差分干涉图(空间分辨率为50m×50m)详细地揭示了沿台湾西海岸震中附近150km2陆地范围内的震前和同震地表形变.几个具有较长时间(2-3a)跨度的震前干涉图呈现出高度的相关性和一致性,并均显示出约1个干涉条纹,相当于沿kd 雷达视线方向的地表位移在空间尺度上呈相对总量为28.3mm的分布;而具有短时间跨度(0.5-la)的同震干涉图呈现出显著的反映地震形变的干涉条纹(9-10个条纹),相当于沿雷达视线方向的地表位移在空间尺度上呈相对总量为25.5-28.3cm的分布,这些由干涉处理所得到的形变观测结果与GPS测量结果吻合程度很高(相关系数达0.95),证实了干涉形变精度可达1cm.特别地,这些高分辨率的同震形变干涉结果可以为该地震的物理机制解释提供极好的观测数据,同时也展示了使用短波段InSAR监测长时间累积的微小震前地表位移是可能的.     

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。     

雷达干涉测量在地震形变研究中的应用

合成孔径雷达干涉测量(DInSAR)以厘米乃至毫米的精度和很大的空间覆盖范围实现地表形变观测,它是进行地壳形变观测的重要手段,在地震形变研究中发挥着越来越重要的作用。本文首先简要给出了微波雷达测量的特征,阐述了雷达图像数据处理的基本方法,分析了InSAR技术的主要影响因素和观测精度。结合较新的研究成果,分析了雷达遥感图像研究地震形变的方法,讨论了DInSAR在震间、同震和震后形变观测研究中的最新进展。同时讨论了目前我国应用DInSAR研究地震形变中面临的主要问题,最后阐述了应用雷达干涉测量研究地震形变的发展趋势。     

基于D-InSAR技术的伊朗巴姆地震地表形变监测

以伊朗巴姆地区为例,对伊朗巴姆地震造成的地表形变进行了差分干涉测量,得到了垂直向的同震三维形变场,并运用GIS三维分析技术对形变场进行了分析。实验结果表明,地震在巴姆城市的东侧造成了较大形变,在西侧也产生了微量形变。巴姆城市北部地块沉降,南部地块隆起。同时在巴姆城市南部可明显看到地震造成的断层。实验结果验证了基于C波段的SAR数据的D-InSAR技术在干燥地区监测地表形变方面的可行性。本文对产生去相关效应的原因进行了解释,认为对于干燥少植被的地区干涉效果较好。并指出,如果能够通过技术进步提高雷达干涉测量的精度并降低观测成本,同时将该技术与GPS、GIS等技术相结合,从而更好地研究形变机理,这将对地质灾害的研究产生重大意义。     

2010年青海玉树地震同震-震后形变场特征及演化过程

基于星载合成孔径雷达差分干涉测量技术(DInSAR)和4期ENVISAT/ASAR雷达数据,获得了不同时间基线的三个同震干涉形变场和两个震后干涉形变场,并对这五个在时段上互有重叠的形变场进行了综合分析.结果表明,玉树地震同震形变场为围绕发震断层NW展布的椭圆形干涉条纹,覆盖范围约89 km×59 km.断层运动性质为左旋走滑.两盘最大视线向相对形变量至少达45 cm,最大形变出现在结古镇附近.时间基线不同的同震形变场总体上基本一致,但两盘最大相对形变量和局部形变存在差异.震后时间较长的干涉对反映的最大形变量反而减小;在震后时间较短的干涉对上于结古镇西南侧观测到的局部形变,在震后时间较长的干涉对上却没有出现.分析认为在形变量最大的结古镇附近可能出现了震后快速弹性回弹,导致随震后时间延续,形变量反而减小的现象.玉树地震震后形变主要出现在断层附近、震后不久的时段内,形变量在8 cm以下,具有与同震方向一致和相反的两种震后形变方式.在结古镇西南观测到一个与同震形变相反的局部沉降,应为震后弹性回弹.在微观震中处的断层附近观测到与同震方向一致的震后形变,可能是震后余滑.通过对地震前后不同时间基线的多个干涉对的联合对比分析,可以在一定程度上区分同震形变与震后形变,更好地研究地震引起的变形过程,特别是地震断层附近短期震后形变场的演化过程,为进一步研究断层带的岩性特征、物理力学及运动特性提供约束.     

伊朗巴姆6.5级地震同震形变场的获取与解译

介绍了雷达差分干涉测量的原理,利用星载合成孔径雷达差分干涉测量技术和ENVISAT ASAR雷达数据,成功获取了2003年12月26日发生在伊朗巴姆的6.5级地震引起的同震形变场,通过生成地表形变的剖面图及等值线图,对形变场进行了深入的解译与分析,同时根据相干图确定了地震造成破坏最严重区域的位置、分布及面积.     

D-InSAR技术应用于汶川地震地表位移场的空间分析

基于星载合成孔径雷达差分干涉测量技术(D-InSAR),利用7个条带共112景日本ALOS/PALSAR raw格式雷达数据,采用两通差分干涉处理模式,获取了2008年5月12日汶川MS8.0地震发震断层周围约450km×500km区域的同震形变干涉纹图。通过对干涉纹图的定性分析,确定了非相干带的分布范围,据此对相位连续条带和相位不连续条带采用不同的相位解缠方案,实现了7个条带的成功解缠,获得了数值化的干涉形变场图像,并通过形变等值线和跨断层形变剖面线等方法对干涉形变场的空间分布和演化特征进行了分析。结果表明:汶川地震造成的地表形变场沿映秀-北川断裂带分布,形变范围很大,但主要集中在发震断层南北两侧各约100km的近场区。其中断层附近由西向东宽约3015km,长约250km的区域为非相干带,是本次地震中变形最强烈并伴有地表破裂发生的区域,其形变梯度已超出InSAR测度能力。在非相干带两侧宽度各约70km,具有清晰可辨连续完整并向发震断层收敛的包络状干涉条纹区域是次一级形变区,距离发震断层越近,形变梯度和幅度越大,其视线向位移为北盘沉降,南盘抬升。相对于数据条带南北边缘,北盘最大累积沉     

利用GPS和InSAR数据反演2011年日本东北MW9.0地震断层的同震滑动分布

本文首先对Envisat/ASAR数据进行干涉处理, 获取2011年日本东北M_W9.0地震的地表InSAR同震形变场; 然后通过对InSAR同震形变数据重采样方法的深入分析, 选择条纹率法结合干涉图的空间相干性对InSAR同震形变数据进行重采样; 最后基于弹性半空间位错模型, 联合InSAR与GPS形变数据, 采用最小二乘法反演发震断层的滑动分布. 研究结果表明: 考虑相干性的条纹率重采样方法, 更适用于形变场中存在除断层外的有限边界、 且形变场范围较大的InSAR数据重采样处理; 断层滑动主要发生在地表以下50 km范围内, 最大滑动量为49.9 m, 矩张量为4.89×1022 N·m, 所对应的矩震级为M_W9.1, 与地震学反演的结果比较吻合.      

激光实时干涉计量技术和雷达差分干涉技术测量形变的对比研究及其意义

分别叙述了激光干涉技术和雷达差分干涉技术的原理及应用. 采用激光实时干涉计量技术实验室观测试样在加压过程中的形变,研究不同破裂孕育区所表现的不同应变异常场特征. 采用雷达差分干涉技术可以测量地形及地表形变,并且有西藏玛尼、张北——尚义等地震前后的形变测量结果. 指出激光实时干涉计量技术与雷达差分干涉技术相似,都是以条纹变化图研究形变异常场特征. 因此, 对雷达差分干涉技术测量的孕震过程中的形变场,特别是临近大震发生前的形变场特征进行观测和以激光干涉技术进行实验及对比研究均将很有意义.      

基于InSAR地表形变约束的玛多MS7.4地震孕育发生机理数值模拟研究

2021年5月22日在青海玛多发生MS7.4 地震,此次地震造成了严重的地表破坏.本文通过合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术得到了 Sentinel-1 升、降轨同震地表形变、东西方向和垂直方向的同震形变场.并根据东西向地表的错动,勾画出了地震破裂面分段结构.以 InSAR地表形变观测为约束,构建了能反映玛多地震破裂特点的三维黏弹性有限元模型,模拟得到了玛多地震的三维同震形变及应力场变化和演化特征,讨论了玛多地震的成因及玛多地震的发生对周边断层的影响.结果显示:玛多地震为典型的左旋走滑型地震,其中东部错动量相对较大;玛多地震的余震都分布在库仑应力升高的影区,说明玛多地震序列使得断层上积累的应变得到了充分的释放,未来余震的发生会朝西南和东北方向发展.玛多地震的发生形成了多个应力强加载区,推测玛多地震的发生大大增加了部分临近断裂带滑动的可能.2010年玉树 7.3 级地震引起的库仑应力变化在玛多地震主破裂面上的投影为正数,推测玉树地震对玛多地震具有促进作用.研究结果可以为大震后的余震分布判断提供定量参考依据.     

利用差分干涉雷达测量技术(D-InSAR)提取同震形变场h

简要介绍了合成孔径雷达干涉测量技术、差分干涉雷达测量技术，并对干涉测量精度进行了简单讨论．以西藏玛尼地区为例，通过三通差分干涉处理，获取了玛尼地震同震形变场.结果表明:形变场长200 km、宽115 km．干涉条纹以北东东向发震断层——玛尔盖茶卡断层为中心分布，且基本与发震断层平行；通过对干涉形变图进行分析，发震断层可分为3段，其中西段长约23 km，中段长约60 km，东段长约26 km，整个发震断层共长110 km；震中附近最大隆起斜距向位移量为162.4 cm，断层西侧最大沉降斜距向位移量为103.6 cm，震中最大地面水平位错为7.96 m．      

基于多期DInSAR数据的2016年定结地震序列发震断层特征研究

2016年5月22日,在西藏定结县发生四次MW4~5地震,研究本序列地震的发震断层几何和运动特征对于认识周边活动断裂性质具有重要意义.由于发震地区偏远,且观测台网分布稀疏,本研究采用星载雷达干涉测量(DInSAR)技术进行了同震形变场重建,但是定结地震震级较小,单干涉像对获取的形变场受相位噪声影响较大.为了解决这一问题,本研究基于时间序列Sentinel-1A干涉数据生成多期同震与非同震干涉图,并利用叠加平均法对本次定结地震同震形变场进行重建,提取了定结2016年5月22日多次地震产生的同震累计整体形变场.基于InSAR同震形变场和区域地质特征,研究进行了滑动分布反演,确定其主要贡献的发震断层几何参数及滑动分布:断层走向为188°,倾角为43°,平均滑动角为78°,发震断层的运动性质以正断为主兼具少量左旋走滑分量,滑动主要集中在断层垂直深度0~9km处,最大滑动量约为25cm,位于断层倾向深度3km处,反演得到的矩震级为MW5.58.本研究结果表明采用星载InSAR叠加平均技术可以较好地压制相位噪声,有效提取此类中小型浅源地震同震微弱形变场.最后,我们认为本次定结地震与藏南拆离断层与申扎-定结断层的活动密切相关.     

孕震过程中几个典型形变场的实验研究

采用激光实时干涉计量技术,观测刻有不同“构造”的试样在加压过程中的形变,研究不同破裂孕育区所表现的不同应变异常场特征。其实验结果与大同6．1级地震前后的应变场分布和运用雷达差分干涉技术测量的西藏玛尼地震、张北-尚义地震后的形变结果对比发现：（1）在一个大地震前后,孕震区出现特征形变场并可以由实验验证;（2）激光实时干涉计量技术与雷达差分干涉技术相似,激光全息技术可以在各种模拟条件下研究多种形式的形变异常场特征。建议用雷达差分干涉技术测量和研究孕震过程中的形变场特别是临近大震发生前的形变场特征,并进行相应的实验和观测研究。     

联合GNSS和InSAR观测位移反演2008年汶川大地震断层位错模型参数

利用现代空间大地测量技术,尤其是卫星合成孔径雷达干涉测量,能够获取高精度、高空间分辨率的同震和孕震形变,为地震断层形变和破裂机制研究提供了前所未有的机遇。本文介绍了利用大地测量观测数据反演地震断层位错模型参数的贝叶斯反演方法。联合运用2008汶川大地震前后GNSS和InSAR技术观测获得的同震位移,反演了地震断层的几何参数和滑动位错分布。研究结果表明,汶川地震的断层滑动主要集中在倾角较陡的浅部,同时包含逆冲和右旋走滑,其中最大逆冲6.1m,最大右旋6.5m。根据断层滑动分布正演计算得到的上盘同震位移明显小于下盘,预示该断层两侧孕震形变可能存在较大的不对称性。     

利用考虑地形起伏的反演方法获取2017年伊拉克MW7.3地震的断层参数及滑动分布

2017年11月13日伊拉克北部地区苏莱曼尼亚省发生了M_W7.3地震, 造成了重大的人员和经济损失。 本文利用升降轨的Sentinel-1和降轨的ALOS-2卫星的SAR数据, 通过差分干涉测量技术获取了该地震的同震形变场, 联合DInSAR和MAI技术, 采用抗差最小二乘法求解该地震的同震三维形变场。 基于改进的考虑地形起伏的均匀位错模型反演确定了发震断层的断层参数, 最后基于非均匀位错模型得到了发震断层的分布式滑动分布模型。 结果显示: ALOS-2卫星降轨轨道观测到的伊拉克地震引起的LOS向地表形变最大为55.8 cm抬升和47.9 cm下沉; Sentinel-1卫星观测到的伊拉克地震引起的LOS向地表形变为: 升轨轨道最大为87.9 cm抬升和17.1 cm下沉; 降轨轨道最大为55.6 cm抬升和38 cm下沉; 相对于前人的研究成果, 本文利用改进的考虑地形起伏的反演方法得到的发震断层几何参数表明发震断层为NNW走向, 倾向角为352°, 同震破裂以逆冲为主, 同时兼有一定的左旋走滑分量。 基于均匀位错模型反演得到的断层滑动分布结果表明, 同震破裂未延伸至地表, 主要滑动量集中在12~18 km, 最大滑动量位于15 km深度, 达到4.3m, 反演得到的矩震级为M_W7.35, 与UGSG、 GCMT等机构给出的结果一致。     

基于子带干涉测量技术的巴基斯坦地震形变获取研究

2013年9月24日发生在巴基斯坦俾路支省(Balochistan)境内阿瓦兰县(Awaran)的MW7.7级地震,在地表产生了最大达10m的滑动量.利用TerraSAR-X短波雷达数据获取的InSAR同震形变场产生了密集且大范围的干涉条纹,给后续的相位解缠带来困难.而子带干涉法是一种无需或只需进行少量相位解缠,即可获得绝对相位差的新方法.其主要思路是通过缩减带宽以增长波长,从而减少干涉条纹数,降低解缠难度或不需解缠直接得到绝对相位差.但由于带宽的缩减,导致噪声的增大和旁瓣带来的额外干扰,使干涉图质量下降,因此在子带干涉参数选取、噪声滤波以及处理流程等方面需要特殊处理,特别是子带的中心频率和带宽的选取会很大程度地影响测量精度.首先选取典型DEM实验区,以干涉图相干性和误差为评价指标,利用逐步参数选取法,研究相关参数对子带干涉测量的影响,制定最优的参数方案,认识参数选取的原则和方法.在此基础上,将子带干涉应用于巴基斯坦地震的同震形变场获取.最后,将子带干涉、Landsat 8光学影像的交叉频谱相关法、offset-tracking、常规DInSAR获取的同震形变场进行比较,并与模型拟合的形变场进行对比分析.结果表明,子带干涉虽然会受失相干的影响,其提取的形变场范围相较于Landsat 8和offset-tracking有所缺失,但在共同覆盖的区域其精度和噪声水平更优,相比较于常规DInSAR,更适用于条纹密集和形变量大的地区.     

利用D-InSAR技术研究西藏改则地震同震形变场

针对2008年1月9日MW6.4西藏改则地震和2008年1月16日的MW5.9余震,通过两通(2-pass)加外部DEM差分干涉处理技术(D-InSAR),提取了地震区域2次地震累积的视线向(LOS)同震形变场。结果表明:发震断层均为正断层,位于依布茶卡-日干配错断裂端点附近。主震发震断层走向为N30°E,余震发震断层走向为N21°E,两断层距离约7km;在影像上主震发震断层有造成地表破裂的痕迹,余震未见地表破裂的痕迹;这次地震造成的同震形变场长约30km,宽约20km,主震断层上盘和下盘视线向最大形变量分别为39.2cm和11.2cm,两盘相对位错达50.4cm,余震造成的视线向形变量为9.4cm     

基于D-InSAR技术的玉树Ms7.1地震同震形变场提取与分析

2010年4月14日青海玉树县发生了Ms7.1地震.本文利用差分干涉合成孔径雷达(D-InSAR)测量技术,通过对日本先进陆地观测卫星搭载的ALOS PALSAR获得的雷达数据进行处理,提取了此次地震的同震干涉形变场.结果表明,形变场分布特征与其发震断层甘孜-玉树断裂带的左旋走滑特征一致;最大视线向形变量为-61.4c...