新疆喀什地区地震研究.docx
《新疆喀什地区地震研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新疆喀什地区地震研究.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
新疆喀什地区地震研究
基于INSAR的新疆喀什地区地震研究
摘要
为研究新疆喀什地区伽师县北部2020年1月19日发生的地震对该地区的影响，对地震区域使用D-InSAR技术进行干涉测量，获取震区的地表变化信息。
在SARscape软件下通过引入欧洲航天局公布的4景Sentinel-1A雷达影像，以及相对应的21天精密轨道参数文件和震区的SRTM-3version4数据,从空间和地面两个方面减小数据处理过程中的误差，提高震区测量精度。
研究结果表明，此次地震造成的地表形变以抬升为主，震区的断层破裂性质是以逆冲推覆为主，兼具少量走滑运动。
升、降轨影像对经过处理后得到的同震形变场并不完全相同，但总体的变化趋势是相同的。
此次地震对吐和高速公路、314国道及玉代克力克乡、古勒鲁克乡等乡镇影响较大。
利用哨兵卫星SAR数据对震区进行形变测量，可以得到较好的干涉结果。
关键词：
地震；哨兵卫星；合成孔径雷达干涉测量；合成孔径雷达差分干涉测量；
两轨法
Abstract
InordertostudytheimpactoftheearthquakeonJanuary19,2020inthenorthofJiashiCounty,Kashgar,Xinjiang,theinterferometricmeasurementoftheearthquakeareausingD-InSARtechnologywasobtainedDataofsurfaceshapevariableinearthquakearea.UndertheSARscapesoftware,byintroducing4scenesofSentinel-1AradarimagesprovidedbytheEuropeanSpaceAgency,andthecorresponding21-dayprecisionorbitparameterfileandSRTMversion4dataoftheearthquakezone,thedataprocessingprocessisreducedfrombothspaceandgroundaspectsError,improvethemeasurementaccuracyoftheearthquakezone.Theresultsshowthatthesurfacedeformationcausedbytheearthquakeismainlyuplift,andthefaultruptureismainlythrustnappe,withasmallamountofstrikeslip.Theascendinganddescendingorbitimagesarenotidenticaltothecoseismicdeformationfieldobtainedafterprocessing,buttheoverallchangetrendisthesame.Ithasagreatinflue-nceonTuheHighway,ChinaNationalHighway314andothertownshipssuchasYudaiKaliktownshipandGularuktownship.UsingthesentinelsatelliteSARdatatomeasurethedeformationintheseismicareacangetbetterinterferenceresults.
Keywords:
earthquake;Sentinelsatellite;InSAR;D-InSAR;twotrackmethod
第1章绪论
1.1研究背景及意义
地震给人类社会带来的损失和伤害是非常严重的，是所有自然灾害中对人类威胁最大的一种。
根据相关科研机构统计，地球每年都会发生500万次左右的地震，有很多地震人类是无法感知到的，因为大部分的地震震级很小且震源位于地球深处；但是每年发生在人类聚集地的地震仍有很多，20世纪有记载的地震就造成了全世界120多万人死亡。
二战结束后人类社会迅速发展，建筑水平也不断的提高，但地震对人类社会造成的危害因人口的激增而变得愈加严重。
我国境内发生的地震多数分布在西部地区以及台湾地区，而西部地区则存在GPS站点覆盖率低、测量数据少、地势陡峻、交通不便、人工实地观测困难且效率低等问题，因此西部地区发生地震后，科研人员无法及时获得足够的测量数据资料。
合成孔径雷达干涉测量技术（InterferometricSyntheticApertureRadar），具有全天时全天候、范围广、不需要现场实测布设控制点、高分辨率高精度等优点，极大的提高了科研人员的工作效率，监测精度也能满足多种需求。
十几年间InSAR技术在地震区域形变观测、区域性地面沉降监测工作中有了非常多的成功应用，显示出了该技术出色的实际应用价值和研究的潜力。
合成孔径雷达干涉测量技术是主动式雷达测量技术，是结合了雷达遥感技术和射电天文干涉技术产生的对地测量方法。
它利用雷达将微波发射到目标区域，然后传感器就可以接收到来自于目标区域反射的回波，进而得到同一区域成像的雷达影像对；如果两张影像之间存在相干条件，那么对这两张影像进行共轭处理就可以得到干涉图，基于干涉图相位变化值，得到两次成像过程中微波走过路程的差值，再将差值转换到所需坐标系下就可以获得目标区域的地表变化情况，可用于地图的快速更新以及地表形变测量等。
本次研究使用D-InSAR技术获取震区的地表形变信息，并在此基础上分析地震发生后的地表形变情况和成因，以实际操作检验InSAR技术在实际中的应用效果。
根据中国地震台网测定2020年1月19日21时27分许，新疆喀什地区伽师县北部发生Ms6.4级地震，震中位于北纬39.83度，东经77.21度，震源深度约16Km。
截至2020年1月20日，此次地震已造成1人死亡、2人轻伤。
此次地震发生在中国大陆主要的强震频发区：
乌恰—喀什地区（包括巴楚—伽师），该地区历史上曾发生过1902年阿图什8级大震[1]。
自1900年以来，该地区平均2．5年发生一次6级以上的地震，在1996年至2003年的8年时间里，伽师县以及周边地区发生的6级及以上的地震达12次，是中国大陆6级地震发生次数最频繁的地区之一，因此地区人员比较密集，地震所造成的损失也是非常严重的。
基于InSAR技术的地表形变信息测量，能够较好的克服传统大地测量所面临的问题，如交通不便、工作效率低等问题，而且InSAR技术相对于传统形变测量的最大优点是可以在极短的时间内通过卫星获取大面积区域的形变信息，极大的节省了人力和物力成本，提高了工作效率，是一种研究地震地表形变的比较好的技术方法。
1.2研究目标和内容
1.2.1研究目标
伽师县地震引起当地地表剧烈震动，周边县市震感强烈，造成当地较为严重的财产损失，准确观测震区地表形变，对于地震机制的准确认识和风险评估具有重要意义。
因此，本项研究将阐述InSAR技术的基本理论，简述InSAR技术的误差来源，并利用D-InSAR技术获取伽师县震区的地表形变信息，结合地质构造以及大陆板块运动对形变结果和地震成因进行分析。
1.2.2研究内容
本文以欧洲航天局公布的Sentinel-1A影像作为研究2020年伽师县地震的数据来源，利用覆盖震区的升、降轨两对SAR数据进行两轨差分干涉处理，提取了此次地震的LOS向、垂直方向以及东西方向的同震位移形变场，对结果进行分析，指出此次研究过程中存在的不足之处和需要改进的地方。
主要研究内容如下：
1）InSAR技术概述，介绍合成孔径雷达干涉测量的基本原理，同时对InSAR干涉测量过程中的误差干扰进行分析，简述合成孔径雷达差分干涉测量的几种方法及差别。
2）根据震区的相关地理气象资料以及卫星成像方式选择合适的卫星影像，伽师县植被稀疏、常年少雨、大气厚度小，是进行InSAR数据处理实验的理想区域。
D-InSAR数据处理中的外部DEM误差主要是由于DEM精度引起，因此选择合适的外部DEM数据也是不容忽视的。
3）介绍伽师县地质构造背景，使用D-InSAR技术中的二轨测量法对雷达影像数据进行处理，得到伽师县地震的同震形变场，并进一步的对子区域进行干涉处理，获取更为精确的结果，然后对升、降轨形变场进行合成，获取垂直方向和东西方向的形变场，结合断层运动情况对此次地震进行分析。
1.3Insar技术发展史及国内外研究现状
1.3.1InSAR技术发展史及国外研究现状
干涉理论最早可以追溯到托马斯杨双缝干涉实验[2]3。
合成孔径雷达在上世纪50年代末成功研制，由于该传感器具有覆盖范围广、不受天气和大气影像等优点，迅速在测绘领域占据了重要地位[3]。
1969年，InSAR技术首先被美国喷气推进实验室应用于对火星和月球表面观测[4]；1974年，Graham提出使用InSAR技术对地球表面进行测量，并利用机载双天线X波段SAR图像干涉测量得到了地面高程图[5]2。
D-InSAR的概念于1989年首次被Gabriel等人提出，即对不同时间段的SAR数据进行干涉差分将平地效应去除，成功获取了美国加利福尼亚因皮尔河谷的极小高程变化信息[2]4。
1993年，Massonnet等使用ERS-1SAR影像数据进行D-InSAR处理，成功得到了1992年Landers地震的形变场，该结果与其他类型测量得到的结果一致[6]，研究成果发表在自然杂志上，使得InSAR被更多的人所知道，很大程度上促进了InSAR技术的发展和应用。
1994年，Zebker等人发明了不使用外部数字高程模型同样能够得到较高精度的形变信息的差分方法[7]。
在之后的十多年间，DInSAR在地震形变场的提取与反演，沉降监测，建筑物位移，滑坡监测等方面得到了广泛应用。
但是随着研究与应用的深入，DInSAR的缺点也逐渐暴露出来，如容易受时空矢相关、大气延迟、相位噪声等误差影响导致相干性较差，不利于得到高精度的地表形变信息。
为了解决上述问题，科研机构发现对地面目标点进行长时间的序列监测研究可以有效的提高观测结果的精度，PS-InSAR和SBAS-InSAR技术是目前使用率较高的方法[8]。
2001年，Ferretti等人提出了永久散射体合成孔径雷达干涉测量（即PS-InSAR），包括PS点的相关概念，以及解算方法等[9]。
2002年，SBAS-InSAR技术由Berardino和Lanari等人提出，该方法利用小基线避免空间失相关，得到的形变图在空间上也更为连续[10]，而且精度可以达到毫米级。
2006年,Bechor等人提出了MAI处理方法，将重复轨道的两幅SAR影像数据进行干涉处理，可以得到方位向的形变信息，大大提高了方位向偏移量的估计精度[11]。
此后的多年间，InSAR时序分析算法在国际上成为研究热点，很多先进思想被不断引入，也不断的出现新的科研成果。
1.3.2国内研究现状
国内对于InSAR技术的研究起步较晚，但国家相关部门对此技术非常重视，因此发展和应用速度较快，短短几年间在国内已经出现了很多成功案例，得到了许多成果。
王超团队利用航天飞机成象雷达1994年10月获取的昆仑山干涉数据，获取了数字高程模型[12]。
2002年，单新建团队将DInSAR技术应用于地震测量中，获取了我国西藏地区玛尼地震大面积地表形变信息[13]。
2004年，李德仁等人在杂志上系统的介绍了永久散射体干涉测量技术（PSI）的原理和应用实例，讨论了PSI技术的特点和发展方向[14]。
2006年，廖明生等人对使用InSAR技术基于点目标监测地表微小形变进行了研究[15]。
2007年刘国祥等人开发了一套基于永久散射体观测网络探测地表形变的算法，并以上海市沉降场为研究对象，验证了算法的可靠性[16]。
2008年，葛大庆与研究人员使用SBAS-InSAR处理方法获取了廊坊市及周边地区高精度城市地表沉降变化信息[17]。
同年5月12日，汶川县发生了震级高达Ms8.0的地震，造成了巨大的生命财产损失。
地震发生后，单新建等人使用InSAR数据系统研究了此次地震的形变特征[18]。
此后，该技术在国内发展迅速，在城市沉降监测、滑坡监测等方面都取得了令人满意的结果。
迄今为止，已经有越来越多的科研团队和高校加入到研究InSAR技术的队伍中来，也有许多的科技公司将InSAR技术应用到工程监测项目中。
随着科学技术的发展，InSAR技术会有更高的精度，处理也会更加的便利，逐步的成为常规的观测手段，得到更为广泛的应用。
1.4论文组织结构
本文分为4个章节，各章节的内容如下：
第一章为绪论，这一部分主要介绍本篇论文所研究的新疆喀什地区伽师县地震的背景和意义，然后对国内外相关科研机构对InSAR技术的研究现状和相应的成果进行介绍，最后系统说明本文的章节布局。
第二章主要介绍InSAR技术的基本原理，包括合成孔径雷达成像、D-InSAR基本原理和差分干涉测量的几种方法。
分析卫星影像数据选择，外部DEM数据选择，数据处理过程中参数的设置和处理过程中的关键点，为下文获取伽师县地震地表形变信息提供参考。
第三章主要介绍伽师县地震地表形变信息的获取。
首先对喀什地区的地质构造背景进行阐述，然后介绍数据来源和数据处理的具体流程，最后利用形变结果图对此次地震的影响范围进行分析。
第四章为总结部分，总结主要研究工作、结论以及成果，分析研究过程中存在的缺点与不足，并展望将来的工作内容。
第2章InSAR基本原理
2.1引言
合成孔径雷达是在使用脉冲压缩技术来扩展频率范围的基础上提高了距离向的分辨率，然后对多次观测目标接收到的雷达回波进行合成处理，这样就得到了拥有更高方位向分辨率的SAR影像[19]。
InSAR技术是结合合成孔径雷达和微波干涉技术产生的[5]8，通过对雷达卫星在不同位置获取的两幅或多幅影像进行干涉处理，再分析卫星、波束视向以及基线之间的关系，就可以得到地表的高程信息。
D-InSAR技术是InSAR技术应用的一个拓展，具有高精度的形变捕捉能力，正是这种能力使得D-InSAR技术被地质灾害所青睐，应用范围也越来越广。
本章首先将对合成孔径雷达成像的基本原理进行简介，然后给出两轨差分法、三轨差分法、四轨差分法干涉测量的步骤流程，分析D-ISnAR形变监测中的误差来源，并以两轨差分法为基础进行数据的选择。
2.2合成孔径雷达成像原理
合成孔径雷达（SAR）搭载微波成像传感器，是一种主动式的对地观测系统。
通过向目标发射微波并接收目标反射回来的回波信号，从而获取相位信息，合成孔径雷达相对于真实孔径雷达的主要优势在于不增加天线长度的情况下提高了影像的分辨率[2]10。
真实孔径雷达方位向分辨率大小主要依赖于传感器天线长度，而合成孔径雷达的优势在于相对于目标天线位置可以随时间而变化，根据天线位置对雷达接收的回波信号进行合成，得到比物理天线更高分辨率的影像[2]11。
图2-1表示合成孔径雷达观测地面的几何原理示意图。
图中，雷达在飞行过程中，传感器的接收天线在t1-t2这个时间内不断地向地物A发射雷达脉冲频率，并不断地接收来自于目标地物的反射信号，这样获取的信息量就大大增加。
传感器在这一时间段内的飞行距离相当于一个很长的天线，对传感器在不同位置获取的反射信号进行多普勒效应处理，可以模拟一个较长的天线，获得与大孔径雷达相似的观测结果[2]11。
合成后的天线孔径设为LS,则方向位分辨率可以表达为：
ΔL=
（2-1）
式中，R是雷达天线中心到辐射带中心的斜距，λ为雷达波长。
图2-1合成孔径雷达地面辐射几何示意图
真实雷达方位向分辨率为：
Δ
=
（2-2）
式中L为雷达真实孔径。
天线的最大合成孔径等于真实孔径雷达方位向分辨率[19]20，则联合（2-2）式可以推出以下结果：
ΔL=
=
=L（2-3）
由上式可以看出，合成孔径雷达的方向位分辨率只与真实孔径的天线长度有关，又因为双程位移，所以方向位分辨率只有真实天线孔径的一半[19]21，即合成孔径雷达的方向位分辨率为
。
根据上述推演过程可知，合成孔径雷达的方向位分辨率与距离、波长都不相关，只与实际搭载的真实天线长度L有关。
与真实孔径雷达相比较，合成孔径雷达分辨率得到很大提高。
但是天线长度也不能无限制的减小，因为天线需要产生功率足够大的雷达波束[2]11。
2.3合成孔径雷达差分干涉测量基本原理和方法
2.3.1D-InSAR基本原理
InSAR技术在地表形变监测中具有相对广泛的应用，但通过干涉处理得到的相位中包含有参考椭球面和地形等具有显著影响的相位，为了分离出形变信息，必须把上述相位从初始干涉相位中去除，差分干涉测量方法应运而生。
D-InSAR技术通过平台搭载的传感器获取包含有监测区域地表形变信息的相位，对SAR数据进行处理后得到监测区域的地表形变量。
合成孔径雷达差分干涉测量技术的基本原理是利用雷达卫星获取同一区域不同时间的两幅SAR影像，先对影像进行配准然后进行干涉处理，生成包含参考椭球面相位、地形相位、形变相位以及噪声相位（如大气延迟相位、轨道误差相位、矢相干噪声相位等）的干涉相位图[2]21。
对干涉图进行二次差分去除干涉相位中参考椭球面相位、地形相位以及噪声相位等干扰因素，从而可以确定目标与雷达距离的关系，得到研究区域的地表形变信息[8]5，这个过程就是D-InSAR。
影像得到的干涉相位的组成可以表示为：
Φ=
+
+
+
+
（2-4）
式中，
为地平效应相位，采用精密轨道数据可以去除；
是地形相位，可以用DEM模拟地形相位消除；
是大气延迟相位；
为噪声相位，可以通过滤波进行削弱或去除；
为地表形变相位[20]。
如式（2-5）所示，得到形变相位后，根据形变相位与形变量
的数学关系即可计算出地面形变量[2]21（注意：
形变量是DInSAR获取的沿雷达视线方向的，LOS）。
=-
（2-5）
在D-InSAR数据处理过程中，根据所需数据的不同，通常将处理方法分为两轨+外部DEM法、三轨法、四轨法三种。
2.3.2二轨法DInSAR
二轨法是差分干涉处理中最常用的方法。
首先对跨越形变期的SAR影像对进行干涉处理，得到包含有参考椭球面相位、地形相位、噪声相位和形变相位的干涉相位图。
然后利用已知的监测区域外部DEM和SAR卫星成像参数模拟出雷达坐标系下的地形相位，对干涉相位和模拟相位进行差分处理，就可以将地形相位从干涉图中去除得到仅包含形变相位的差分干涉图，根据式（2-5）就可以计算出形变量。
目前外部DEM数据免费公开且具有高分辨率，二轨法已经成为研究地表形变最常用的方法。
图2-2二轨法差分干涉测量处理流程
二轨法数据处理步骤如图2-2所示，主要包括图像精配准、滤波、相位解缠、相位转形变等一系列操作，步骤操作如下：
（1）SAR数据影像选取
主从影像数据处理得到的干涉图直接决定了研究地区地表沉降变化量的准确度。
（2）影像配准
以形变前的影像为主影像，形变后的为从影像，对主从影像进行配准。
影像配准的精度直接影响最后生成结果的质量，选择合适的配准方法确定主从影像间映射关系，尽可能使干涉相位少受SAR数据配准精度的影响。
（3）生成干涉图
获得主从影像间像素对应关系后，就可以进行干涉处理，干涉图就是对复数形式的SLC影像复进行共轭相乘得到的影像[5]14。
（4）去平地效应（参考椭球面相位）
平地效应是由于合成孔径雷达采用的斜距成像方式造成的，使得干涉图中会产生非常密集的明暗相间的条纹，对于相位解缠会造成很大困难，因此在进行相位解缠前需要除去平地相位，通过引入高精度的外部DEM数据即可去除[8]7。
（5）去除地形相位
想要得到有效的形变相位，必须把地形相位从干涉图中去除。
使用参考DEM与影像进行配准，就可以得到DEM的大地坐标与SAR影像坐标的转换关系，然后提取处SAR影像范围内每个像元所对应的高程信息与卫星参数结合就可以模拟出SAR影像坐标下的地形相位[2]23。
对模拟相位进行再次差分，就得到了差分干涉图。
（6）滤波与相位解缠
进行到这一步骤，干涉相位中的参考椭球面相位和地形相位已经去除，但仍然存在各种噪声的影响，需要对干涉图进行滤波处理，进而提高信噪比，这也是保证相位解缠质量的必要步骤。
相位解缠是处理步骤中非常重要的一步，解缠结果决定得到的地表形变量质量的好坏。
它的实质是对影像中相位整周数的结算和恢复，从而获取相位的绝对关系[2]23。
（7）相位转形变与地理编码
通过式（2-5）可将解缠后的相位转换为形变。
SAR数据计算中用到的是斜距坐标系，想要得到基于大地坐标系的形变结果，可以利用DEM配准时取得的坐标转换关系，更方便于应用。
2.3.3三轨法、四轨法DInSAR
三轨差分干涉测量法和四轨差分干涉测量法与二轨法的最大差别在于前两者不需要外部DEM的参与，但是需要三景或四景覆盖同一观测区域的SAR影像，对于影像的获取时间和轨道等也有一定的要求，因此相较于二轨法应用比较少。
三轨法需要三幅SAR影像，首先选取形变前时间基线较短的两幅影像，然后选取一幅形变后的影像。
以未跨越形变期的两幅影像中的一幅作为公共主影像，其余两幅作为从影像[3]15。
将从影像和公共主影像两两配对组成干涉对，时间基线跨越形变期的干涉对称为形变对，未跨越形变期的干涉对称作地形对。
根据二轨法基本原理可以知道，经过干涉处理后，地形对因为没有跨越形变期，所以干涉相位不包含形变相位；而形变对则包含地形相位和形变相位[2]24。
对地形对干涉相位与形变对干涉相位进行二次差分处理，就可以从形变对相位中去除地形相位，这样就得到了形变相位信息，三轨法数据处理步骤如图2-3所示。
图2-3三轨差分干涉测量法处理流程
四轨法获取地表形变信息需要对四幅雷达影像进行干涉处理，包括三幅形变前的影像和一幅形变后的影像。
将两幅形变前的时间基线较短的影像数据作为地形对，另外一幅形变前的影像与形变后的影像作为形变对，先对两对影像进行干涉处理，再对两个干涉相位进行二次差分处理，就可以得到形变相位，进而得到地面形变量。
四轨法差分干涉测量的数据处理步骤如图2-4所示。
三轨法与四轨法差分干涉测量虽然不需要外部数字高程数据，但是对于SAR数据的要求较高，各种限制条件也比较多，在实际应用中没有二轨法应用广泛，但是对一些特殊情况也提供了更多的选择。
图2-4四轨差分干涉测量法处理流程
2.3.4D-InSA形变监测误差来源
在使用SAR数据通过D-InSAR技术获取形变结果的过程中，许多的误差会对结果产生影响。
包括失相干误差、大气误差、DEM误差和相位解缠误差等，本节将对上述误差进行简述。
（1）失相干误差
多种要素在干涉处理过程中影响着干涉图的相干性，如时间失相干、几何失相干等。
时间失相干是指地物在雷达两次获取数据期间发生变化导致的去相干，与自然或者人类社会的活动导致地物发生变化以及地物自身的性质有关。
干旱地区因植被稀少而具有比较好的相干性，气候多变以及植被茂密的区域相干性则比较差[5]19。
产生几何失相干的原因是卫星两次过境轨道偏差过大，对同一目标的观测相位存在很大的不同，进而导致干涉相干性的降低。
（2）大气误差
微波信号在大气中传播时，由于大气折射率的变化导致信号在传播过程中发生路径或者速度的变化，会降低形变测量的精度。
大气中组分不稳定，变化较快，有着很大的不确定性，没
升级会员 