基于多视线向DInSAR技术的三维同震形变场解算方法研究及应用

【摘要】：差分合成孔径雷达干涉测量技术(Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar,DInSAR)是地震形变监测的一种重要方法,但是其存在视线向(Line of Sight,LOS)模糊的问题,即DInSAR测量的形变场并不是地表真实的垂直向、东西向、南北向形变场,而是地表形变场在卫星视线向上的投影。为了解决这一问题,在多视线向差分干涉测量技术的基础上,本文首先归纳提出了直接解算模型、结合模拟法解算模型、结合Offsets法解算模型与GPS测量视线向投影模型共4种方案。前三种方案均可进行地震三维形变场解算,为正模型;第四种模型为利用GPS三维同震测量结果反算LOS向形变量,为反模型,可用于检验与评估同震形变干涉测量的精度。然后,分别以改则地震、于田地震、巴姆地震、汶川地震为应用实例,进行4种方案的尝试,评价每种方案的优劣势与适用性。同时,分别获取了改则地震、于田地震、巴姆地震的三维同震形变场,以及汶川同震形变场及精度评估结果;并通过多视线向及三维同震形变场的特征分析,分别获取了改则地震、于田地震、巴姆地震、汶川地震的破裂模式。本论文研究的主要贡献在于取得了如下的结果和认识: [1]提出了4种DInSAR测量视线向模糊的解决方案 直接解算模型:直接利用三种不同视线向的同震形变场,构建三维形变解算模型进行解算。其优势是具有较高的可信度,避免了模拟、假设等方法带来的不确定因素。但是,获取三种不同视角的同震形变场比较困难,南北向形变解算精度无法保证。 结合模拟法解算模型:利用升、降轨两种视线向的同震形变场,以及模拟的南北向形变场,来构建三维形变解算模型进行解算。其优势是可以用模拟值代替观测值,降低对观测数据的要求;但是,模拟的南北向形变场与真实的南北向形变场存在不可避免的偏差,不同的断层模型可能产生不同的模拟结果。 结合Offsets解算模型:利用Offsets法测量获取升、降轨两种模式的方位向同震形变场,以及DInSAR测量获取的升、降轨两种模式的视线向同震形变场,来构建三维形变解算模型进行解算。其优势是利用Offsets测量法获取方位向形变量参与解算,降低了对观测数据的要求。同时,结合Offsets法进行3D形变解算总体上优于纯粹的Offsets法,特别是垂直向、东西向解算精度与效果明显好于Offsets法。纯粹的Offsets法似乎更有利于解算南北向形变;而干涉测量结合Offsets法则更有利于解算垂直向、东西向形变。 GPS测量LOS向投影模型:利用GPS实测三维形变量,通过其LOS向投影模型投影至卫星观测视线向,并与DInSAR测量结果对比,以评价同震形变场的精度。其优势在于将GPS与DInSAR两种测量手段对比分析同震形变场特征。主要问题是,GPS与DInSAR测量两种手段存在时空尺度、参考框架的差异与误差影响。 [2]结合多视线向DInSAR技术,基于3D解算模型,实现了典型震例3D同震形 变场解算针对干涉测量的视线向模糊问题,本文提出的4种有利的解决方案:直接解算模型、结合模拟法解算模型、结合Offsets解算模型与GPS测量LOS向投影模型。利用前三种模型进行3D同震形变场解算,其基本思路是利用多视线向同震形变干涉测量结果,并结合模拟或Offsets测量结果,构建3D同震形变解算方程,进行3D同震形变场解算。通过解算,本文共获取了改则地震、于田地震与巴姆地震3个典型震例的3D同震形变场。 [3]基于GPS测量LOS向投影模型,实现了GPS与D-InSAR技术的结合,完成了汶川同震形变场的精度评估与误差校正 通过GPS测量LOS向投模型,利用汶川地震26个GPS三维同震形变测量的结果,对汶川同震干涉形变场的精度进行评估。结果显示,GPS与DInSAR测量结果反映的地震形变特征是一致的。L波段干涉测量的大气延迟误差影响具有线性分布的特点,可通过GPS与干涉测量结果之间的线性回归分析,能较好地校正InSAR测量结果,使InSAR与GPS测量之间的平均绝对偏差从15.2cm提高到4.9cm。 [4]取得了汶川同震GPS测量与DInSAR测量的差异性认识 GPS与DInSAR两种测量方法的偏差主要来源于以下几个方面:1、时间尺度差异性,GPS同震测量的时间一般临近于地震发生时刻,而DInSAR同震测量的时间与地震发生时刻相差较大,汶川地震后最早的一期ALOS卫星数据已经是一周之后;2、测量误差影响,主要指GPS垂直向测量误差与L波段的DInSAR测量大气延迟误差;3、空间尺度的差异性,GPS测量的形变量是GPS站点位置的形变量值,而DInSAR测量的形变量是某个图像像元的平均形变量,两者在空间尺度上存在差异性;4、参考体系的差异生,GPS同震测量一般相对于欧亚参考框架,DInSAR测量的参考点为雷达图像中选定的解缠参考点。正是由于这些影响,使得GPS测量与DInSAR测量的结果在一定程度上存在不可避免的偏差,造成汶川GPS同震形变测量LOS向投影值总体上小于干涉同震形变观测值。 [5]取得了汶川地震同震形变场特征与逆冲型破裂的认识 汶川地震同震干涉形变场特征分析表明,汶川地震以NE向地震断裂带为分界线,西北盘青藏高原巴颜喀拉块体(上盘)总体上表现为的视线向沉降形变趋势,东南盘四川盆地(下盘)总体上表现为视线向隆升形变趋势。 西北盘青川高原巴颜喀拉块体与东南盘四川盆地两者在此次地震中表现为强烈的对冲运动模式,并且主要表现为逆冲型,并伴随右旋走滑。巴颜喀拉块体沿地震破裂带呈逆冲抬升的同时,在巨大的向东推力作用下,上覆于四川盆地朝东挤出。正是由于西北盘向东的运动趋势及右旋走滑,造成其发生远离升轨ALOS卫星的运动,并且这种LOS向远离运动量大于其垂直向逆冲隆升造成的LOS向缩短量,才使西北盘大部分区域表现为LOS向沉降形变特征。四川盆地对巴颜喀拉块体起到了阻挡作用,在发生沉降形变的同时,下覆于巴颜喀拉块体朝西俯冲。也正是由于东南盘向西俯冲的运动趋势及右旋走滑,造成其发生靠近升轨ALOS卫星的运动,并且这种LOS向靠近运动量大于其垂直向俯冲造成的LOS向缩短量,才使东南盘大部分区域表现为LOS向隆升形变特征。 [6]基于3D同震形变场特征分析,获取了典型震例的地震破裂模式 ①改则3D同震形变场特征与双震破裂模式 改则3D同震形变场特征分析表明,Mw6.4级主震的发震断层(东发震断层、走向NNE、倾向NW)西北盘(上盘)主要表现为沉降形变、朝南形变以及朝东形变特征;Mw5.9级余震的发震断层(西发震断层、走向NNE、倾向NW)西北盘(上盘)主要表现为沉降形变、朝北形变以及朝西形变特征。根据3D同震形变场特征分析与三维显示,获取了改则双震破裂模式:左旋走滑的改则-洞错断裂与依布茶卡-日干配错断裂的分阶部位(左阶)的张性应力积累,使得沿NNE向发育的正断层先后发生两次张性为主的破裂;Mw6.4主震表现为正断左旋为主,并伴随略微向东旋转破裂机制;Mw5.9级余震表现为正断破裂为主,伴随略微右旋走滑破裂机制。 ②于田3D同震形变场特征与三分段正断左旋破裂模式 于田地震发震断层由北至南可依次分为三段,分别为北段No.1、中段No.2与南段No.3。3D同震形变场结果显示:三分断断层断层西盆(上盆)整体上呈沉降形变特征,断层东盆(下盆)整体上呈隆升形变特征;断层No.1与断层No.3的西盆呈朝西运动形变,而断层No.2的西盆,特别是靠近断层附近,具有朝东运动形变趋势;断层No.1与断层No.2的西盆呈朝南运动形变,东盆呈朝北运动形变,而断层No.3西盆大部分呈朝南运动形变,东盆呈朝南运动形变。根据3D同震形变场、形变模拟与三维显示综合分析,获取了于田地震的破裂模式:三分段断层均呈左旋正断破裂模式,空间分布上具有左阶雁列式分布的特征。 ③巴姆3D同震形变场特征与右旋走滑为主、兼具东西向水平左旋旋转破裂模式 巴姆地震发震断层为近南北向,同震形变场具有四象限特征。3D同震形变场分析表明:西北翼具有隆升、向北与向西运动特点;东北翼具有沉降、向南与向西运动特点;东南翼具有隆升、向南与向东运动特点;西南翼基本缺失。根据3D同震形变场特征与三维显示,获取了巴姆地震的破裂模式:巴姆地震主要受到西北方向与东南方向的主拉应力而产生破裂,主要以右旋走滑为主,兼具东西向水平左旋旋转机制。 [7]通过对比优劣势,初步分析了四种模型的适应性 针对垂直向与东西向形变解算,直接解算模型最是最有利的,其次是结合模拟法解算模型,再者是结合Offsets法解算模型;而针对南北向形变解算,结合Offsets法解算模型是最有利的,其次是结合模拟法解算模型,再者是直接解算模型。根据模型的优劣势,以及其理论与算法特点,按地震破裂断层的走向及破裂机制,本文初步总结出四种模型的适用性情况。四种模型的优劣势与适用性分析结果将为今后的3D形变解算与干涉形变场精度检验提供有益参考。