利用Sentinel-1ASAR影像监测尼泊尔“4·25”地震变形

黄其欢,夏磊凯,刘学敏,徐晶鑫

(河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京　210098)



利用Sentinel-1ASAR影像监测尼泊尔“4·25”地震变形

黄其欢,夏磊凯,刘学敏,徐晶鑫

(河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京210098)

为利用新一代欧洲太空局SAR系统Sentinel-1A卫星获取大面积地震变形数据,对其监测模式和数据特点进行研究,给出针对TOPSAR成像干涉数据处理的拼接方法,并利用Sentinel-1A数据获取尼泊尔“4·25”地震区域约160km×180km的地表形变。结果显示,地震导致的雷达视线向相对变形最大达2m。

Sentinel-1A;尼泊尔“4·25”地震;大面积地震变形;变形监测;InSAR

星载合成孔径雷达干涉技术(InSAR)是近年来迅速发展的空间对地观测技术,该技术利用卫星对同一地区不同时刻获取的合成孔径雷达影像进行干涉处理,可以高精度地获取大面积地表变形信息[1]。利用InSAR技术获取地震引起的大面积地表形变场,进而反演地层深处断层的几何参数、滑动参数、动力学参数及震源破裂过程等多种信息,是认识地震成因机理的有效途径之一[2]。

国内外基于InSAR技术,已多次成功地利用不同SAR传感器反演地震变形场[3-9],但对欧洲太空局新发射的哨兵Sentinel-1A卫星SAR影像的变形监测国内尚无先例。国外针对该卫星的轨道“管道”[10]、IW模式TOPSSAR影像方位向多普勒频移差异[11]、地震变形[12-14]、火山监测[15]以及PS法变形时间序列分析[16]等进行了积极的探索。笔者在对Sentinel-1A卫星SAR成像模式及不同波束单元影像拼接问题研究的基础上,对尼泊尔“4·25”地震前后多个波束单元Sentinel-1A数据进行干涉处理和拼接,获取了震区大面积地表变形场。

1　Sentinel-1A成像模式

欧洲联盟和欧洲太空局联合实施的对地观测计划——哥白尼计划由一系列的哨兵(Sentinel)卫星星座组成,其中最先实施的哨兵1号星座(Sentinel-1)为合成孔径雷达成像专用卫星星座,该星座包括A和B共2颗同轨道的极地卫星,在赤道地区6d可实现对同一地区的重访。哨兵1号的首颗卫星Sentinel-1A于2014年4月3日在法属圭亚那(Guiana)的库鲁(Kourou)搭载联盟号(Soyuz)火箭升空,该卫星拥有1根12m长的雷达天线,工作频率为5.405GHz,它是继ERS-1/2(5.3GHz)和Envisat-ASAR(5.331GHz)之后,欧洲太空局发射的又一颗C波段的合成孔径雷达卫星,并在信噪比上有进一步的改善,SM模式的空间分辨率提高到了5m×5m,重访周期提高到了12d。第2颗卫星Sentinel-1B发射升空后该星座的对地观测重访周期将缩短至6d,可以提供密集的全球雷达观测数据。

图1　Sentinel-1A 成像模式(改自ESA网站)Fig. 1　Imaging mode of Sentinel-1A (modified from ESA website)

Sentinel-1A采用预编程的无冲突运行方式,6个雷达波束发射器(beams)均可以以不同的倾斜角全天时、全天候对地进行扫描成像,形成沿卫星飞行方向——方位向(azimuth)连续、不同幅宽(swath)的SAR影像条带,影像条带的幅宽与成像模式有关,一般由多个方位向平行的子幅(sub-swath)组成。每个子幅由一系列按方位向时间顺序排列的波束单元(bursts)组成,这些波束单元均被单独处理成单视复数(SLC)影像。Sentinel-1A有4种成像模式,如图1所示。

a.SM模式(stripmapmode)。SM模式使用6个波束发射器中的1个以固定的视角对地进行扫描,随着卫星的飞行,连续的雷达脉冲信号在地面形成一个宽度约为80km的扫描带,该扫描带平行于卫星的地面轨迹,该模式获取的SLC影像空间分辨率为5m×5m。

b.IW模式(interferometricwideswathmode)。IW模式利用TOPSAR成像技术(theterrainobservationwithprogressivescansSAR)获取3个子幅,250km幅宽,空间分辨率5m×20m(距离向×方位向)的SAR影像,该模式有VV和VH共2种极化方式,主要用于陆地监测。与ScanSAR技术相比,TOPSAR成像技术不仅在距离向转动扫描设备,而且在方位向转动扫描方向,使得整幅SAR成像使用同一个扫描设备,削弱了同幅影像内的雷达扇形信号误差,提高了影像的一致性[17],但相对于SM模式,在方位向的移动使得雷达波束照射时间短,降低了方位向的分辨率,同时也增加了后续数据处理的难度。为保证影像的连续性,每个波束单元和子幅之间都有一定的重叠,如图2所示。为使得干涉影像对覆盖的区域相同,IW模式不同时刻同轨道的子幅波束单元都进行同步对齐,同步误差小于5ms。

图2　IW模式波束单元及子幅的重叠Fig. 2　IW-model burst and subswath overlapping

c.EW模式(extrawideswathmode)。EW模式也使用TOPSAR成像技术,5个子幅组成的SAR影像具有更宽的幅宽,该模式以空间分辨率的损失获得400km的幅宽,其距离向和方位向空间分辨率分别为20m和40m。EW模式主要用于海冰、海洋油污和极地环境监测。EW模式和IW模式影像均可用于干涉测量。

d.WM模式(wavemode)。WM模式沿卫星轨道方向每隔100km以2个不同的视角(23°和36.5°)获取1个20km×20km大小、5m×5m空间分辨率VV极化的影像,2个相同视角的影像之间相隔200km。WV模式主要用于海洋监测。

2　Sentinel-1A波束单元拼接

2.1方位向波束单元拼接

Sentinel-1A每个波束单元都有一个与前一波束单元同步的时刻,如图3所示,设波束单元i+1与i的同步时刻为ti+1,则2个波束单元方位向行偏差数Δli,i+1为

(1)

式中:fPRF——雷达脉冲方位向采用频率;NML——干涉处理的方位向多视数。

由式(1)可以计算出波束单元i+1的有效行在波束单元i中的位置,从而实现方位向的拼接。

2.2距离向拼接

距离向即子幅之间的拼接,包括子幅方位向拼接和距离向拼接。子幅方位向拼接根据同步时间计算出相邻子幅对应波束单元的时间差,然后根据fPRF计算方位向的偏差,其原理和波束单元的拼接类似。距离向上的拼接如图4所示,波束单元i+1与i的近地点精确斜距分别为RNR,i+1和RNR,i,则距离向的像元差Δci,i+1表示为

(2)

式中:dPSR——斜距分辨率。

由式(2)可以根据距离向像元差计算出2个子幅之间距离向相对位置。

图3　方位向拼接示意图Fig. 3　Sketch map of mosaicking in azimuth direction

图4　距离向拼接示意图Fig. 4　Sketch map of mosaicking in range direction

3　尼泊尔“4·25”地震监测

图5　Sentinel-1A卫星尼泊尔 地震SAR影像覆盖图Fig. 5　Coverage area of Sentinel-1A SAR image in Nepal earthquake

3.1地震简况及SAR数据

据中国地震台网测定,2015年4月25日14:11在尼泊尔(北纬28.2°,东经84.7°)发生8.1级地震,震源深度20km。之后,14:45再次发生1次7.0级余震,震源深度30km[18]。地震不仅影响尼泊尔,而且波及印度北部、巴基斯坦、孟加拉国、不丹和中国西藏部分区域,地震引起的同震位移导致了强烈的地表变形,尼泊尔首都加德满都谷地近90%的建筑物已经在地震中被毁、大批民众露宿街头。

表1　Sentinel-1A干涉对影像参数Table 1　Sentinel-1A image parameters generatedfrom interferometric pairs

欧洲太空局Sentinel-1A卫星获取了地震前(4月17日)和地震后(4月29日)SAR影像,其影像覆盖区域如图5所示,地震变形干涉数据处理时主影像采用震前轨道号为5516的第01和02子幅中的02-09波束单元,从影像为4月29日获取的轨道号为5691的两景影像,影

像参数见表1。

3.2数据处理与初步结果

首先对Sentinel各波束单元进行干涉处理,然后按照前述的拼接方法将各波束单元进行距离向和方位向的有效像元拼接。为获取整景Sentinel-1A影像的干涉图,需克服波束单元拼接时因配准误差导致的干涉相位差。本文先进行波束单元级别的干涉处理,然后计算波束单元重叠区域的干涉图之差,并将差分相位分配到波束单元上,消除相位跳变,完成有效行/列的拼接,拼接后的监测区域覆盖面积约为160km×200km,拼接后的幅度和干涉条纹分别如图6所示。

图6　尼泊尔“4·25”地震拼接后的幅度及干涉条纹Fig. 6　Amplitude and interferogram of Nepal April 25 earthquake after mosaicking

图7　相位解缠后的地表变形Fig. 7　Surface deformation after phase unwrapping

图7展示了选取高相干像元点进行相位解缠后的变形,从图7中可以看出,地震导致的变形主要分布于震中东部,位于加德满都以北数千米处,雷达视线向(LOS)最大相对变形约2m,这也是导致本次地震加德满都受灾严重的主要原因。图8(a)展示了通过加德满都的直线在LOS向的变形剖面；图8(b)为文献[19]利用Sentinel-1A,ALOS-2以及RADARSAT-2的获取的变形剖面。从图8可以看出本文获取的变形结果与文献[19]的结果相近,最大相对变形约2m。

图8　线AB变形剖面和文献[19]结果Fig. 8　Deformation profile of line AB and results from reference [19]

4　结　　论

a. 研究了欧空局最新Sentinel-1A卫星SAR成像模式和波束单元拼接方法。

b. 利用Sentinel-1A卫星SAR数据,通过对波束单元的拼接处理,获取了尼泊尔“4·25”地震的大面积变形。

c. 监测结果表明尼泊尔“4·25”地震导致的最大雷达视线向相对变形达到近2m。

值得一提的是,地震发生后欧洲太空局对尼泊尔“4·25”地震区域进行了重点监测,获取了大量Sentinel-1A卫星SAR数据,这为利用升轨和降轨数据以及基于幅度配准法获取三维变形信息提供了可能;同时,大量的SAR数据为时间序列法研究余震及其变形过程提供了极为有利的条件。

致谢:S-1ATOPS影像数据由欧洲太空局提供,感谢CentreTecnològicdeTelecomunicacionsdeCatalunya(CTTC)遥感部OriolMonserrat对数据处理方法的讨论与支持。

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SeismicdeformationmonitoringofNepalApril25earthquakeusingSentinel-1ASARdata

HUANGQihuan,XIALeikai,LIUXuemin,XUJingxin

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Toobtainlarge-areaseismicdeformation,theimagingmodeanddatacharacteristicsofESA’snewgenerationSentinel-1ASARwerestudied.ThemethodforprocessinginterferometricdatafromTOPSARimagesispresentedinthispaper.BasedondatafromtheSentinel-1A,aninterferogramcoveringanareaof160km×180kmintheregionoftheNepalApril25earthquakewasgenerated.Theresultsshowthatthemaximalrelativedeformationinthelineofsightdirectionreachesabout2m.

Sentinel-1A;NepalApril25earthquake;large-areaseismicdeformation;deformationmonitoring;InSAR

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.05.008

2015-08-25

国家自然科学基金(41304025)；江苏省自然科学基金(BK20130831)

黄其欢(1978—)，男，安徽舒城人，副教授，博士，主要从事InSAR理论与应用研究。E-mail:InSAR@hhu.edu.cn

TP23

A

1000-1980(2016)05-0427-05