D-INSAR技术在震区三维同震形变场解算模型中的应用

 摘 要
合成孔径雷达差分干涉测量技术（D-InSAR）是地震形变监测的一种重要方法，其监测精度很高，一般能达到厘米甚至毫米级。相对于传统的GPS技术、水准测量等形变测量的技术而言，D-InSAR技术具有覆盖范围广、分辨率高、不受云雨限制等优点，但该方法存在的一大主要问题是视线向模糊问题，即D-InSAR测量获得的形变场只是地表形变场在雷达视线向上的投影，并不能真实的反映出地表在东西向、竖直向、南北向的形变特征，然而在真实情况下，地震的发生必然会造成震区在东西向、南北向、竖直向产生形变。获得震区的三维形变场对于全面了解震源机制和预防地震具有重大的意义。
本文的研究内容主要如下：1）为了获取震区三维形变场，本文在雷达差分干涉测量技术的基础上，归纳建立了两种解决雷达干涉测量视线向模糊问题的模型，即结合D-InSAR技术和MAI技术的三维解算模型和结合D-InSAR技术和Offsets法的三维解算模型。随后，本文以巴姆地震为例，选用ENVISAT ASAR传感器所获得的影像数据为实验数据源，分别使用上述两种方法解算了巴姆地震的三维形变场。2）本文在对比分析了巴姆地震的形变特征后揭示了巴姆地震的震源机制和破裂模式。同时本文对上述两种解算模型进行了对比分析，指出了其各自的优劣性，以期为以后的科学研究提供参考。
关键词：地表形变,视线向模糊,三维形变,MAI技术,Offsets法,巴姆地震
目录
1 引言 1
1.1 选题背景和研究意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 研究内容和技术路线 5
1.4 论文的组织结构 6
2 合成孔径雷达形变测量原理介绍 7
2.1 “二轨法”D-InSAR技术简介 7
2.2 结合MAI技术的解算模型 17
2.3 结合Offsets技术的解算模型 22
2.4 本章小结 25
3 研究区和实验数据介绍 26
3.1 巴姆地震事件概述 26
3.2 数据源及数据选取 27
3.3 本章小结 29
4 巴姆地震三维形变场的解算 30
4.1 D-InSAR技术获取巴姆地震在雷达视线向的形变场 30
4.2 结合D-InSAR数据和MAI数据解算巴姆地震三维形变场 33
4.3 结合D-InSAR数据和Offsets数据解算巴姆地震三维形变场 39
4.4 两种模型优劣性分析 44
4.5 本章小结 45
5 结论与展望 46
5.1 工作结论 46
5.2 展望 47
参考文献 48
致谢 51
附录 53

1 引言
1.1 选题背景和研究意义
地震又称地动、地振动，是地壳在内外应力作用下快速释放能量的过程中造成地壳振动，同时产生地震波的一种自然现象。地震造成的破坏极大，地震发生的同时常常会伴随着有毒气体的泄露，有时还会产生海啸、火山喷发等地质灾害。地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，是引起地震的主要原因[28]。 1920年12月16日，发生了人类历史上罕见的的“环球大震”，该地震发生在中国宁夏海原一带，大半个中国都有震感[1]。1960年5月22日发生了世界历史上最大地震，即震级达到8.9级的智利地震。地震造成多次滑坡，迫使瑞尼赫湖上涨，造成近百万人无家可归。2003年12月26日，在伊朗东南部克尔曼省的巴姆（Bam）郡发生了里氏6.6级大地震，造成26271人死亡和三万多人受伤。2009年4月6日意大利拉奎拉(L'Aquila)地区发生了Mw6.3地震.这次地震使拉奎拉这座中世纪古城遭受严重破坏,致使296人丧生,1500人受伤,近65579人无家可归。
每年全球发生数百万次地震，国内外的研究人员都对地震进行了长期的研究，为了揭示地震发震机制，预防地震，必须先获得震区同震形变场。长期以来，针对震区形变监测的传统方法主要有大地水准测量、GPS测量和电子测距测量等。尽管这几种形变监测方法的成熟度和精确度非常高，但他们存在着一些不足之处，主要有：1）耗时、费力，需要大量的人才和资金的支持，同时对于矿区等危险区域的测量加大了测量人员的测量难度；2）测量范围小、空间分辨率低，不适合大规模的快速测量；3）水准测量和GPS测量成本太高，测量受人力物力等的限制，对于大面积地表形变监测来说无法满足要求。鉴于传统测量方法的局限性，一种新的测量地表形变的方法得到了发展。合成孔径雷达差分干涉测量技术（Differential Interfe- rometric Synthetic Aperture Radar）能够快速、高精度、大面积的获取地面形变量，同时具有全天时，不受云雨限制的特点，并且可以在不同频率、不同极化方式下获得地面目标信息，补充了传统测量方法的不足之处[2,13]。利用地震前后的两张SAR影像可以获得震区地表的形变场，但D-InSAR技术获取的仅仅是雷达在视线向（LOS）的形变量，即所谓的视线向模糊问题。该形变量是东西向、南北向、竖直向形变在雷达视线向的投影。其中，竖直向形变占得比重最大。在研究地震震源机制时，仅仅知道雷达视线向的形变是不够的，还必须结合其他的方法来获得震区的三维形变场。
多孔径合成孔径干涉雷达技术（Multiple-Aperture SAR Interferometry, MAI）和图像匹配偏离法（Offsets）弥补了D-InSAR技术的不足，用D-InSAR技术分别结合这两种方法均可以获得震区的三维形变场。本文分别用这两种方法解算了巴姆地震的三维形变场，并对这两种方法进行了对比分析，以期对震区三维形变场的解算有更深入的认识。同时，由于这两种方法都可以适用于全球多数地区且实现起来比较容易，这对于了解地震和进一步的预测地震具有重要意义。

1.3 研究内容和技术路线
本设计的研究内容是一个比较成熟的领域即对地震区地表形变的研究，但研究的课题却比较新颖——结合D-InSAR技术和其他数据来解算地震区的三维形变场。本研究的主要内容如下：针对雷达干涉测量的视线向模糊问题，本文提出了两种解决方案：
1）结合D-InSAR技术和MAI技术来解算震区三维形变场。
2) 结合D-InSAR技术和Offsets法来解算震区三维形变场。
本文主要以巴姆地震为例，采用以上两种方法来获取震区的三维形变场。通过对实验结果的分析来得出这两种模型各自的优劣性，从而为今后的三维形变场解算提供参考。
本文的技术路线如下图所示：