张玲, 刘斌, 葛大庆,等.多源SAR数据唐山活动断裂形变探测
| 引用本文: |
| 张玲, 刘斌, 葛大庆, 郭小方. 基于多源SAR数据唐山城区活动断裂微小差异形变探测[J]. 国土资源遥感, 2020, 32(3): 114-120. ZHANG Ling, LIU Bin, GE Daqing, GUO Xiaofang. Detecting tiny differential deformation of Tangshan urban active fault using multi-source SAR data. Remote Sensing for Land & Resources, 2020, 32(3): 114-120. |
基于多源SAR数据唐山城区活动断裂微小差异形变探测
张玲,, 刘斌, 葛大庆, 郭小方
中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083
活动断裂活动特征存在明显的时空分异性,需要长期有效地进行监测。合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture Radar,InSAR)技术是近些年来地表形变调查监测的主要技术手段之一,具有覆盖范围广、信息获取效率高、成本低等优势。以InSAR技术为手段,采用相干目标点长时间序列分析方法,利用RADARSAT-2卫星Wide模式30 m空间分辨率和TerraSAR-X卫星Strip模式3 m空间分辨率这2种雷达数据,开展了唐山市城区主要活动断裂两侧微小差异性形变探测的应用研究。结果显示,城区内唐山—古冶断裂较为明显,最大的差异量在2 mm/a。以RADARSAT-2卫星C波段中等分辨率雷达数据为数据源的形变结果可以清晰地呈现出活动断裂两侧差异性形变; 而TerraSAR-X卫星X波段数据雷达波长较短,受地表覆被变化影响较大,且活动断裂的变化相对于该量值较小,较难从地表形变中分离出断裂两侧的差异性形变。
0 引言
合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture Radar,InSAR)技术是近20 a间快速发展起来的一门空间几何形态测量遥感技术,已成功应用于全球数字高程模型(digital elevation model,DEM)获取和各类地表形变场的监测工作,包括地震位移、地面沉降、山体滑坡、冰川移动和工程形变等。活动断裂的空间活动性在重大工程选址、城市规划和地震安全性评价等工作中有重要意义,常采用跨断层监测网、线开展三维向量(垂直、张压和错动)变化监测,为断层活动性分析提供精确资料。
相对于广泛应用InSAR开展监测工作的其他形变,活动断裂本身变化非常小,大陆内部断层的滑动速率以2~5 mm/a最为典型[1]。开展活动断裂InSAR监测的研究较少,但在已有研究中均体现了InSAR空间采样密度高、空间连续性好、覆盖面积大的优势[2,3],且已有研究的试验区主要分布在受人为活动较少的地区。活动断裂活动表现为水平(张压)方向、水平(走滑)方向和垂直(升降)方向。唐山断裂近些年来整体在水平方向呈现微弱的右旋张性活动,垂直方向呈正断层活动,不同时段的运动状况有所不同[4]。目前,InSAR技术在覆盖范围上可以实现数百km的连续覆盖,监测精度为mm级,视线向监测灵敏度优于1~2 mm。在满足相干性要求的条件下,采用InSAR技术可以探测到断裂两侧垂向相对活动性较大的差异性形变。
本研究利用RADARSAT-2卫星和TerraSAR-X卫星2种雷达数据分别开展InSAR处理,以相干目标为监测对象,构建监测网络,实现这些目标干涉相位的时间序列分析,获取了唐山市区域性地表形变结果,通过活动断裂两侧相干点目标的形变分析,呈现了穿越唐山市区的主要活动断裂两盘差异性活动特征。进一步证明InSAR技术可以作为一项活动断裂垂直向形变监测的手段,与传统断层监测手段相结合,发挥InSAR技术面上覆盖广、台站单点测量精度高的优势,实现对活动断层更全面的监测,为城市规划建设、地壳运动研究等工作提供更为全面的测量数据。
1 InSAR相干目标时序分析
干涉处理过程中受卫星轨道、地形误差、大气和噪声等的影响,2期雷达数据的差分干涉测量精度往往达不到预期,不能满足生产需要。而永久散射体方法[5](permanent scatterer InSAR,PSInSAR)和相干目标时间序列分析[6]等方法,是将获取的多期(往往大于20期)图像内质量可靠的相干点目标进行时间序列的回归分析,以提取相干点目标高精度形变信息。意大利TRE公司曾利用丰富的测量数据统计出了InSAR各类测量值的测量精度,即1个标准差(σ) [7],如表1所示,其中典型测量值精度仅以PS点距离参考点小于4 km,C波段数据为例。本研究将相干目标时序分析与小基线集技术(small baseline subsets,SBAS)方法[8]相结合,将满足时空基线要求的图像对两两干涉,通过对相干目标干涉相位的时间序列回归分析,获取地面沉降信息。总体处理流程如图1所示。相干目标时间序列分析方法以差分干涉图上相干特性保持良好的相干目标为研究对象,避免了相干性降低造成的相位误差在解算过程中的传播。基于大量的合成孔径雷达(synthetic aperture Radar,SAR)数据(20~30景,甚至更多),从中筛选出具有稳定散射特性的点目标: 一是散射强度稳定,统计强度离散性方差; 二是将单视复数据(single look complex,SLC)图像作反变换,生成若干个子视图,对子视图作谱相关分析,将满足离散方差或谱相关要求的像元作为待分析的相干目标。
图1 处理基本流程
2 研究区概况及数据源
2.1 研究区概况
唐山市区内存在多条活动断裂,NNE及NEE向断裂与NW向及近E-W断裂相交汇切割成块体,城区内主体断裂为NE向的唐山断裂带,是1978年唐山地震发震带[9,10]。它是一条由多支相互平行的断裂与褶皱相伴生的复杂断裂带,自西向东有陡河断裂、唐山—巍山—长山南坡断裂和唐山—古冶断裂。它发育在开平向斜陡倾以致倒转的西北翼上,展布于平原区内,为隐伏断裂[9]。其中唐山—古冶断裂在晚第四纪活动性强,构成唐山断裂带中规模最大的一条断裂,1976年唐山地震发震层位于该断裂南段,震后北段断层附近有地表裂缝出现。本文以其中3条近似平行穿越唐山市主城区的NNE向断裂为主要分析对象。
2.2 数据源
本文选用了2012年12月—2016年10月间的35期RADARSAT-2卫星数据和2012年12月—2013年12月间的11期TerraSAR-X卫星Strip模式2种类型的雷达数据。数据如表2和表3所示。
RADARSAT-2数据为Wide成像模式,C波段,波长5.6 cm; TerraSAR-X数据为Strip成像模式,X波段,波长3.2 cm。采用SRTM DEM为辅助高程数据,空间分辨率30 m。采用多主影像相干目标分析方法,干涉像对空间基线小于300 m,时间间隔为360 d,图2为干涉图像对时空基线分布情况。
3 InSAR区域形变分析
基于上述2类雷达数据,均采用空间基线300 m,时间基线360 d进行干涉图像对组合,利用SRTM 30 m空间分辨率DEM作为高程信息,分别生成RADARSAT-2和TerraSAR-X差分干涉图集; 通过散射强度和谱相关选择相干目标,开展相干目标的差分相位时序列分析,2种数据采用了相同的图像对选择参数和处理方法,获取了完整覆盖唐山市主城区的地面沉降信息; 通过相干目标时序分析时间基线的控制,分别得到了各年度地面沉降速率。图3为利用RADARSAT-2和TerraSAR-X这2种雷达数据获取的2013年地面沉降速率信息。图3显示了2013年唐山市主城区地面沉降总体沉降状况与唐山市主城区内活动断裂的分布状况。InSAR形变测量对垂向最为敏感,该处描述的InSAR形变信息即为垂向形变,以雷达强度为底图信息,图中采用相干目标点的颜色表现地面沉降的严重程度,负值表示远离雷达视线方向,转为垂向形变后对应地面沉降。对于唐山市而言,主要地表形变为煤矿塌陷,城区大部分地区基本稳定年沉降速率小于15 mm/a。但受唐山矿和马家沟矿的影响,矿区及周边地区存在严重的地面沉降现象,特别是唐山矿所在的南湖地区,形变中心地面塌陷一直持续,塌陷中心形成的水域失相干严重。由图3可以看出,矿区失相干区无法选取有效的相干点目标,但在矿区形变范围外围地面沉降最大速率达到60 mm/a以上。市区内唐山矿和马家沟矿开采造成的沉降影响范围位于陡河断裂与唐山—古冶断裂之间。活动断裂两侧的差异性形变较矿区开采带来的形变量可以忽略不计,在平面图上无明显现象。
4 微小差异形变差异分析
由于市区南部唐山矿和北部马家沟矿造成了大范围的地面沉降与塌陷,为尽可能地避免2个矿区开采带来的地面沉降影响(如图3紫色框所示位置),并保证有较充足的相干目标条件下建立了剖面线及其缓冲区,长度19.8 km,缓冲区宽度200 m。对TerraSAR-X Strip模式3 m空间分辨率雷达数据和RADARSAT-2 wide模式30 m雷达数据获取的形变信息分别开展了近似垂直于断裂的剖面分析。通常在其他地表形变调查中多采用剖面线直接分析,故RADARSAT-2数据直接利用剖面线进行分析; 但是由于在本次数据处理过程中发现单一的剖面线差异表现不突出,且TerraSAR-X数据剖面没有差异性趋势,进而对其采用剖面线缓冲区内相干点目标集的方法进行分析。
通过比较分析2013年度2种数据2种不同方法的剖面数据,结果表明RADARSAT-2中缓冲区内相干点目标集的分析较明显呈现出活动断裂两侧差异性形变。图4为基于2013年获取的地面沉降速率信息开展的2种数据剖面分析比较,垂直于横坐标的3条红色竖线分别代表自西向东排列的陡河断裂、巍山—长山南坡断裂和唐山—古冶断裂的3条断裂的位置。
在缓冲区内点目标集分析中,横坐标为点目标在剖面线的垂足距剖面线起始点的距离,纵坐标为各点目标的形变速率,负数代表点目标为沉降,通过点集数据的快速傅立叶变换(fast Fourier transform,FFT)滤波,得到缓冲区内相干点目标集在距离向的趋势线(图4(a)和(b)中红色曲线),在图4(a)中,RADARSAT-2数据的相干点目标集趋势线较好地呈现出活动断裂两侧形变的微小差异。剖面线分析中,将整个地区相干点沉降信息插值为面,再提取剖面线上的形变信息。
通过图4比较可以看出,利用RADARSAT-2 卫星wide雷达数据获取的地面沉降信息能够反映出断裂两侧的差异性形变,缓冲区内相干点目标集的分析比直接获取的剖面线趋势更加明显,故推测可能因为RADARSAT-2 卫星雷达数据为C波段中等空间分辨率数据更能代表一定区域内地表的综合形变,而TerraSAR-X卫星X波段数据雷达波长较短,受地表覆被变化影响较大,而活动断裂形变过小,剖面差异形变不明显。此外,缓冲区内相干点目标集的分析也比直接获取的剖面线趋势更加明显。
因此,选择RADARSAT-2 卫星wide雷达数据提取的缓冲区相干点目标集来分析2013—2016年4个年度活动断裂两侧的微小差异形变特征,2013—2016年4期剖面缓冲区内相干点目标集形变信息如图5所示。
由图5对缓冲区内相干目标点的沉降信息进行分析发现,2013—2016年间,穿越唐山市主城区的3条主要断裂中,在剖面线位置,唐山—古冶断裂和陡河断裂两侧差异形变较为明显,巍山—长山南坡断裂在此次研究周期内未发现明显差异形变。
唐山—古冶断裂两侧的差异性最为明显,断裂西盘相对东盘沉降速率略小,各年度形变差异均在2 mm/a左右,两侧差异性沉降在2015年最为显著。唐山—古冶断裂晚第四纪活动性强,构成了唐山断裂带中规模最大的一条断裂,错断了第四系内各层位地层界面,1976年唐山地震发震层就位于该断裂南段。据跨唐山—古冶断裂的监测台站水准显示该断裂1997年以前断层垂直方向活动速率较高,东盘相对于西盘下降[4],此次结果也显示出东盘下降速率较快。
陡河断裂剖面位置西盘相对东盘沉降速率略大,在1~2 mm/a,2014年度差异不明显。该断裂北起陡河水库东岸,东盘上升形成一基岩陡坎,西盘下落300 m,浅层地震勘查显示断层两侧第四纪厚度相差70 m[11],西盘较厚的第四纪地层更易发生垂向压缩形变。
巍山—长山南坡断裂由一些断断续续及平行的NE向断层组成,多为倾向NW的逆断层,1993年在凤凰山公园内和北新东道浅层地震勘探中提示上断点在第四系地层中埋深10 m,为前更新世晚期断层,晚更新世以来未见明显活动[12]。在2013—2016年间的监测周期内未发现明显差异性形变。
InSAR技术可监测到的微小差异主要是垂向形变引起,由于断裂两侧的地层差异,尤其第四系易压缩松散层厚度的不同造成断裂两侧垂向形变的空间分异性,会使得在断裂两侧沉降出现微小差异。另外值得说明的是,因InSAR相干点目标的测量起算基准问题,本研究只关注差异性沉降,对于地面沉降的绝对值需要参考地面其他测量手段。
5 结论
通常城区具有较高的相干性,是本次研究活动断裂微小形变活动的前提,但人为活动的干扰也较多,因此监测结果需要与其他手段监测结果相互印证,以提高可信度。
1)活动断裂的形变量级很小,短时间监测结果中由于量级过小而易被其他误差所掩盖,如大气误差、轨道残差等。
2)沿断裂近似垂向做剖面分析发现了断裂两侧的微小差异形变,唐山—古冶断裂较为明显,多年间的监测显示最大的差异量在2 mm/a左右。
3)RADARSAT-2卫星C波段InSAR监测结果能够明显地呈现出活动断裂两侧的微小差异性形变。对活动断裂缓冲区内的相干点目标集监测结果进行分析较单纯利用剖面线分析要更为明显。
4)活动断裂活动通常表现在水平(张压或走滑)方向和垂直(升降)方向上呈现出显著的时空分异特征。InSAR技术可以作为活动断裂两侧垂直方向微小差异性形变监测的一种辅助手段。
参考文献（略）
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