瑪尼里氏74級地震地表形變和同震形變的遙感分析

瑪尼里氏74級地震地表形變和同震形變的遙感分析

近年來，通過合成孔道斷裂干預(yù)測量（imark）是一項開發(fā)迅速的高科技。能夠高精度提取表面的三維變形信息（精度可達到2mm級），可以為地殼變形信息的獲取提供先進的手段。它不僅是一種全球、時間、連續(xù)的空間覆蓋，而且是一種高度自動化和高成本的先進方法。1997-11-08在西藏瑪尼發(fā)生7.4級地震,震中為北緯35°06′、東經(jīng)87°18′。該震區(qū)由于海拔高、交通和生活極其困難,所以GPS沒有布點,其它測量手段也難以涉及,而InSAR技術(shù)卻顯示出了監(jiān)測地震形變和地震斷層活動的特別優(yōu)勢。本文用該技術(shù)成功地獲取了該地震震前一年的地殼形變場的圖像,以及震時的同震形變圖像。1瑪尼地區(qū)地震構(gòu)造背景及地震地質(zhì)特點該區(qū)地處青藏塊狀隆起中部,可可西里山南側(cè)與羊湖壓陷型盆地之間,周邊發(fā)育年輕弧形褶皺山系,地殼厚度為68～70km,東西向的斜坡帶,新構(gòu)造運動表現(xiàn)為強烈擠壓作用下塊體間產(chǎn)生大規(guī)模水平滑移,兼有垂直差異運動。自1976年以來,在北緯34°12′～36°12′,東經(jīng)86°18′～88°18′的范圍內(nèi),共發(fā)生里氏4.0級以上的地震達24次,最大為7.5級。1999年9月中國地震局組織了瑪尼地震考察,發(fā)現(xiàn)瑪尼地區(qū)構(gòu)造地貌景觀及斷層構(gòu)造形跡十分豐富,同震地表破裂帶象一條拉開了的巨型拉鏈,全長120km,幾何結(jié)構(gòu)組合及其地貌位錯顯示出純左旋剪切性質(zhì),兼有極少量的逆沖分量;地震斷層陡傾或近于直立,東西兩端部的地震地表破裂帶明顯變寬,可達30～50m,主要由一系列雁列狀張性正斷層組成;單個正斷層規(guī)模、同震垂直位移量等向端部逐漸減少,最大左旋位移達4.5m,其東西兩側(cè)水平位移約2～3m,向西位移衰減較快,向東衰減較慢;與主斷裂走向平行的地裂縫發(fā)育,地裂縫形變帶最大寬度達300～400m。顯然,瑪尼地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造部位特殊,現(xiàn)代地殼運動強烈,瑪尼地震斷層運動明顯,同震形變幅度大。研究其同震形變及地震斷層具有重要的意義。2地表影像的干涉處理InSAR就是利用合成孔徑雷達(SAR)在平行軌道上對同一地區(qū)獲取2幅(或2幅以上)的單視復(fù)數(shù)影像來形成干涉,生成干涉圖像,進而得到該地區(qū)的三維地表信息。在實際應(yīng)用中,利用InSAR技術(shù)測量地殼形變?nèi)〉脤嵸|(zhì)性的進展也只是近幾年的事情,而且由于InSAR處理技術(shù)比較復(fù)雜,又經(jīng)常缺乏優(yōu)質(zhì)可靠的SAR數(shù)據(jù),所以InSAR用于測量地殼形變成功的實例并不是很多。3圖像誤差的校正差分InSAR的主要工作步驟包括:像對選擇、復(fù)圖像對亞像元精度的配準、干涉圖像的生成、干涉圖像的平地校正、全相位恢復(fù)、差分像對確定及參數(shù)調(diào)整、差分干涉圖計算等。1模數(shù)圖像壓測合成孔徑雷達影像每一像元數(shù)值以復(fù)數(shù)方式記錄,其模數(shù)與地物波譜反射率具有某種相似的物理意義,模數(shù)圖像在活動斷層分析、像對相干性分析及像對配準方面具有重要的用途。2互相關(guān)的標(biāo)準化準備利用兩幅影像上已知對應(yīng)點以最小二乘法來獲得其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系式。對應(yīng)點尋找方式通常選擇以區(qū)塊匹配的互相關(guān)法作為尋找對應(yīng)坐標(biāo)的方法。3干涉圖的產(chǎn)生SAR影像像對需要非常精確的影像套合,以避免較大的位移致使無法產(chǎn)生干涉圖。由相關(guān)系數(shù)矩陣上所獲得的共軛像點位置為整數(shù)值,但是真正的最大相關(guān)位置不一定在整數(shù)位置,因此要利用相關(guān)系數(shù)矩陣上以峰值為中心的局部矩陣,求出亞像元精度的坐標(biāo)位移。4提供干涉圖調(diào)值基線距可用來檢驗SAR影像是否適合干涉處理,提供干涉圖微調(diào)時起始基線距及參與建立相位差轉(zhuǎn)換至高程的函數(shù)。經(jīng)驗表明,基線距不能超過1100m,亦不能少于40m。5多點平均處理兩幅像對圖像中對應(yīng)的像元以共軛復(fù)數(shù)相乘,即可決定其相位差,然后在某一窗口范圍內(nèi)進行多視點的相位差平均。為抑制變形過劇,須進行多點平均處理。原始的單視點影像做完取樣后,先作兩復(fù)數(shù)取共軛后相乘,在此影像上取一特定的窗口,將其中每個獨立度量值平均之后再取需要的振幅、相位等影像。用來平均的窗口大小取決于方位向與距離向的像元分辨率,ERS-1/2通常選擇平均的窗口大小以5∶1為原則,之后獲得約20m×20m分辨率的影像。6原始影像同相干條件的關(guān)系在多視點平均的過程中,每一個平均窗口內(nèi)的相位差變化與兩幅原始影像攝取時的相干條件有關(guān)。當(dāng)兩幅原始影像高度相干時,相鄰像元的相位變化應(yīng)該是連續(xù)的。相干性影像是對干涉相位質(zhì)量的評估,在連續(xù)的相位還原中可以為安全路徑的評估提供參考。7軌道模型相位角模擬兩衛(wèi)星到地面相位變化的一個有效解決方法就是假想一組軌道的位置,據(jù)此計算地表每個像元到兩顆衛(wèi)星的距離,將距離轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的相位角,再經(jīng)過2π的調(diào)制可以得到一幅以軌道模型為基礎(chǔ)的平地模擬相位圖。在影像上,每一像元對衛(wèi)星的斜距是精確已知的,但因衛(wèi)星、地面空間位置的微小變動,兩幅影像的投影明顯不同。在對第二幅影像作重取樣時可以解決像元對應(yīng)的問題,但是每一點到衛(wèi)星的距離已被改變,須重新計算。8干涉圖質(zhì)量調(diào)整用原SAR復(fù)數(shù)影像對計算出的相位差矩陣中每一數(shù)值,以鄰近小窗口求相位差平均值,以獲得平滑的相位差矩陣,并由已知高程點間相位殘差,調(diào)整基線長來改善干涉圖的質(zhì)量。91中斷圖將平滑化及微調(diào)后的相位差矩陣,以灰度編碼,產(chǎn)生所謂的相位影像,而相同相位差值會形成雷達干涉圖中的干涉條紋。10地形效應(yīng)的反思干涉圖中顯示了地形效應(yīng),需要兩個SAR復(fù)數(shù)影像對來計算形變,基本方法是先計算近似形變,然后再根據(jù)此近似形變對無變形區(qū)消除干涉條紋。11全相位恢復(fù)內(nèi)相位差值計算相位差后,相位影像中每一像元值的范圍均介于-π至π之間,方可避免干涉圖像產(chǎn)生時模糊不清。但實際相位差值應(yīng)為主幅值加上2π的倍數(shù)。全相位恢復(fù)就是恢復(fù)實際的相位差值。給定一起始點逐點計算,以求得全幅相位整數(shù)倍數(shù),加上原有的相位差,便可得到全相位圖。相位還原后,利用中值濾波器用鄰近值填滿影像中殘余阻隔墻的遮蔽區(qū)。12進行制裁的必要性恢復(fù)相位后的雷達干涉圖仍與地形圖有差異,需進行改正。對已知基線長度而言,高程資料為相位差的函數(shù),故改正后再利用轉(zhuǎn)換函數(shù)計算出高程資料,即可獲得DEM資料。13差分分干涉雷達圖像用三次過境SAR數(shù)據(jù)計算獲得2幅對應(yīng)的干涉圖像(有一個共用的圖像)是一種常用方法。再由2幅對應(yīng)的干涉圖像推導(dǎo)出差分干涉雷達圖像。有關(guān)差分圖像的計算公式如下:φ′flat?B′⊥B⊥φflat=2πλΔρ?φflat′-B⊥′B⊥φflat=2πλΔρ?式中:B⊥和B′⊥為兩像對垂直基線距,ue001φflat和ue001φ′flat為對應(yīng)的經(jīng)平地校正后的干涉相位圖。由上式,只需要垂直基線距和殘余相位圖就可以計算地殼位移形變場。4試驗中sar數(shù)據(jù)的基本含義和處理結(jié)果1每景的常用數(shù)據(jù)所選5景圖像數(shù)據(jù)時間分別為1996-05-20(編號1,衛(wèi)星ERS-1)、1996-05-21(編號2,衛(wèi)星ERS-2)、1997-06-10(編號5,衛(wèi)星ERS-2)、1998-03-17(編號3,衛(wèi)星ERS-2)和1998-04-20(編號4,衛(wèi)星ERS-2),每景數(shù)據(jù)以震中(35°06′,87°18′)為圖像中心。2像對相干的基本概念由本項研究使用的5景圖像組合成5組像對,分別是2-1、2-5、2-4、3-4和4-5,其基線距在42m至311m之間,完全能滿足像對相干的基本條件。3匹配參數(shù)選取根據(jù)前人的工作經(jīng)驗和我們的反復(fù)試驗,選擇如下的匹配參數(shù):區(qū)塊大小為距離向50像元、方位向250像元,全圖共有50×60個區(qū)塊。5個像對匹配品質(zhì)指標(biāo)都很好。4位移向量圖對比從5幅共軛點位移向量圖上可以直觀地看出每個像對中主從圖像位置的對應(yīng)關(guān)系。其中2-1、3-4像對位移向量圖非常穩(wěn)定,說明所匹配的兩幅圖像相關(guān)性非常好;2-5像對位移向量圖上有4處比較紊亂,說明這4處圖像相關(guān)性差,分析是由于水(冰)面的變化、山體陰影和雪造成;2-4像對位移向量圖有6處地方紊亂,其中4處與2-5相同,只是范圍更大,變化幅度更大,說明隨時間的推移,圖像間相關(guān)性逐步減少。5水面和山地陰陽處具相干性2-1、3-4像對整體相干性較好,只是在局部的水面相干性較低;2-5像對相干性也較好,但所有水面和山地陰影處具較低的相干性;2-4像對相干性與2-5基本相近;4-5相干性較3-4為低,但相干性相對均勻,水面部分沒有特別的變化。6基線距和頻數(shù)2-1、2-5模擬相位周期較大、頻數(shù)較少,反映基線距較短;3-4、3-5模擬相位周期較小、頻數(shù)較多,這主要是由于基線距較長造成的。7干涉條紋特征2-1(圖1)、3-4圖(圖略)的絕對相位差圖上干涉條紋較為規(guī)則、清晰可見,反映像對相干性較好;2-5、2-4、4-5干涉條紋局部有不連續(xù)現(xiàn)象,說明局部的干涉性遭到破壞。8剩余相位差圖將絕對相位差去除精確軌道模型相位后可獲殘余相位圖。各像對的殘余相位圖基本反映了地形的概貌,其干涉條紋的窄寬反映了基線距的長短。9因體法校正由于基線距及模擬相位的誤差,計算的殘余相位圖往往不準確,所以需要進行平地校正,所獲得的平地校正后的圖像即為平地相位差圖。如3-4像對需進行平地相位校正,平地相位差圖質(zhì)量非常高(圖2),干涉條紋與等高線相當(dāng),地貌特征與地形圖完全吻合。10殘余相位解決法本文利用像對相干圖像為權(quán)值,采用最小二乘法將各像對殘余相位圖解纏以恢復(fù)相位,這種方法簡捷方便。所得到的還原波數(shù)圖與等高線圖相象,但不能將這些解纏圖看作等高線圖。11圖像差分像對2.將5個像對再組成兩個差分像對2-1-5和2-4-5。其差分計算公式為:C2?1?5=A2?1+2.08B2?5?C2?4?5=A2?4+1.3B2?5?C2-1-5=A2-1+2.08B2-5?C2-4-5=A2-4+1.3B2-5?其中:A2-1,A2-4分別為主像對2-1和2-4全相位恢復(fù)圖像,B2-5為副像對2-5全相位恢復(fù)圖像,C2-1-5,C2-4-5分別代表差分像對2-1-5和2-4-5差分干涉圖像。圖3為2-4-5的差分干涉圖(同震形變),圖4為其解釋圖。5差分變形條紋從代表同震形變場的差分干涉圖(圖3)中可以發(fā)現(xiàn),發(fā)震斷層在圖像中上部。在斷層附近,干涉條紋密集;而在斷層較遠處,干涉條紋較稀疏。在遙感影像上能判斷出斷層的大致位置,斷層發(fā)育與線性地貌有關(guān),斷層較為平直,斷層走向為北東向。在斷層的東側(cè),發(fā)育兩條分支斷層,這在影像上不能看到,僅僅是通過差分變形條紋確定的。圖中干涉條紋以斷層為中心呈不對稱分布,在斷層附近的局部部位上可以看到干涉條紋似有切斷和拖拽現(xiàn)象(這反映斷層的走滑特性),斷層南側(cè)條紋復(fù)雜多變,但可以分辨出一個呈半圓狀的變形中心,這顯示在斷層的滑移過程中的地表面的微起伏變化和介質(zhì)條件的差異。干涉條紋向外逐步變寬,反映出斷層附近的變形梯度大,向外變形梯度小。根據(jù)條紋寬窄變化的趨勢預(yù)測,無變形區(qū)在超出本次試驗處理范圍不遠的地方。較大幅度的變形區(qū)寬度約為15～20km,這種較大變形幅度只出現(xiàn)在斷層兩側(cè)不大的區(qū)域現(xiàn)象,這與巖石力學(xué)實驗?zāi)茌^好地吻合。估計形變幅度的方法,就是從無變形區(qū)開始起算,每個條紋大約代表2.8cm