基于SBAS-InSAR的红河断裂带南段形变特征研究

陆好健，李金平,2，邵九明，叶 帅

(1.云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.西部资源环境地理信息技术教育部工程中心，云南 昆明 650500)

通信作者简介：通信作者简介： 李金平(1964-)，男，教授，博士.

红河断裂带横贯云南省西、中、南部，是云南最具代表性的活动断层，控制着云南地区的主要构造活动[1]，是川滇块体的西南边界，也是研究青藏高原东南部大陆动力学过程的重要场所。按运动性质红河断裂带可分为北、中、南3段，北段结构复杂，活动性强，发生过多次6级以上地震；红河断裂中、南段有地震历史记录以来没有发生过6级以上地震[2]。红河断裂中、南段未来是否会发生大地震仍有争议，一种观点认为，红河断裂带的边界作用弱化，未来不会有大地震发生[1，3]；另一种观点认为红河断裂中、南段在全新世期间曾发生多次7级以上强烈地震活动，复发间隔约1770～3170年，正处在大震孕育期，未来可能发生大地震[4-5]。利用多期GPS 观测数据研究红河断裂带形变特征及运动速率结果表明，受建水断裂和小江断裂带的影响，红河断裂南段运动复杂，从元江往元阳其运动特征由右旋走滑兼挤压转换为左旋拉张的转换区、再到左旋拉张区变化，运动速率存在较大差异，南段活动速率较北、中段弱[6-9]。GPS观测能从远场较好地分析断裂形变特征，但很难整体观测断裂带的近场形变活动规律[10]。InSAR技术中PS-InSAR、SBAS-InSAR技术克服了常规 DInSAR监测中的时空失相干因素影响，在监测断裂带近场形变方面表现出了极大的潜力和优势。时序InSAR在研究阿尔金断裂近场形变速率和运动特征中，发现与GPS测量的结果一致[11-12]。用PSInSAR[13-14]和SBAS-InSAR[15]技术分别研究了海原断裂带和鲜水河断裂的地壳形变特征，获得了断裂的跨断层InSAR 形变速率场，估算走滑运动速率，与GPS 和地质学研究结果基本一致。本文选取红河断裂带南段的元阳段作为研究区，利用SBAS-InSAR技术处理2015-2017年的18景Sentinel-1 SAR数据，研究断裂带近场形变特征。

1 SBAS-InSAR获取断裂带形变的方法

SBAS-InSAR技术即短基线差分干涉测量技术，由Berardina[16]等人在2002年提出，是一种研究地表长期缓慢形变的较为可靠方法,较好地提取地表形变时间序列及形变速率。其关键是通过设置一定范围的时空基线阈值,实现干涉像对最优组合,增加单一主影像条件下干涉图的数量,减少空间失相干对干涉纹图的影响，将时间基线和空间基线较长的单次离散影像数据连接起来,获得在时间上连续的形变序列,更好地反演地表形变过程及形变趋势[17]。对相干性较好的点进行相位解缠时,是根据相位点的位置建立一个德劳内(Delaunay)三角网[18],根据三角网的构成确定解缠参考点,建立相关的矩阵,应用最小费用流算法解决不规则格网的相位解缠问题,最终获得地表微小形变信息。在SBAS算法中，差分干涉的定义为[19]：

Δφatm(x,r)+Δφn(x,r).

(1)

其中x和r为像元坐标，λ为雷达波长，Δd为视线向地表形变，B±为垂直基线，θ为入射角，Δz为地形残差，Δφatm为大气延迟相位，Δφn为噪声相位。

2 研究区和数据处理

2.1 研究区与数据

本文选用研究区为红河断裂带中以元阳县城为中心，横跨红河断裂带的长条状区域，面积约为1 800 km2(如图1)。研究区平均海拔900～1 500 m，主要有元阳县城和新街镇等高相干信息点源，有利于高相干点的提取。图1所示是雷达影像覆盖范围及红河断裂分布。采用18景2015-06-18—2017-07-01的欧空局Sentinel-1 SLC数据，C波段，降轨，IW模式，VV极化，入射角39.7°，表1是所用SAR数据的相关信息。

编号获取日期绝对轨道号/相对轨道号与超级主影像时间间隔/d12015-06-1806434/62-26422015-07-1206784/62-24032015-08-0507134/62-21642015-08-2907484/62-19252015-10-1608184/62-14462015-11-0908534/62-12072015-12-0308884/62-9682015-12-2709234/62-7292016-01-2009584/62-48102016-02-1309934/62-24112016-03-0810284/620122016-10-1602538/62222132016-11-0902888/62246142016-12-0303238/62270152016-12-2703588/62294162017-01-2003938/62318172017-02-1304288/62342182017-07-0117284/62480

2.2 数据处理

本文用ENVI SARscape软件进行SBAS-InSAR数据处理流程如图2所示。

先进行SAR数据、AUX_POEORB精密轨道数据和ASTGM_GDEM 30 m高程数据导入，裁剪研究区，调整时空基线阈值使每景数据都能够较好地连接和配对，选定最大时间距是300 d，空间基线阈值为临界基线的45%得到86幅干涉图，超级主影像为20160308，每景数据的连接图和时空基线图如图3(a)和图3(b)所示。因本文处理区域多植被覆盖，在数据处理中保留相干性阈值为0.35以上的相干点。在此基础上，采用最小费用流量法进行解缠，将解缠相位校正到相干性较高的参考点上，在生成干涉图后经过滤波、平地相位和地形相位去除后，对条纹不清晰的干涉图和不连续光滑的解缠结果共27对干涉对进行移除，剩余59对相干系数较高和解缠效果较好的图像保留进行后续数据处理。通过在空间上高通滤波，在时间上低通滤波分离出大气相位和噪声相位，经地理编码最终得到断裂带LOS向形变速率(如图3(c))。

图2 SBAS-InSAR数据处理流程

图3 数据连接接图、时空基线及LOS向形变速率图(F是红河断裂)

SBAS-InSAR处理的结果在ArcGIS 10.1中进行成图处理获得研究区LOS向形变速率，从图3(c)中可以看出，输出的点目标较为稀疏，主要是研究区植被覆盖率高，高相干点较少且分布很不均匀所致。从图3(c)中明显看出南北两盘有明显的分层现象。断裂带北盘多是速率为正，形变数值在3.06～5.42 mm/a之间；南盘大多为速率为负，形变数值为-5.38～-3 mm/a间。

3 结果分析

北盘形变方向为正，即地面的点向卫星方向移动，在Sentinel数据的降轨右视模式下就表示地面点目标隆升或自西向东运动。南盘形变方向为负，表示地面点与卫星的距离增加，在降轨右视模式下表明地面点目标沉降或自东向西运动。假设在近现代以来点目标只做水平运动，没有垂直运动或者说垂直运动忽略不计，北盘点目标向东运动恰和南盘点目标向西运动与断裂带南段的右旋走滑运动方向一致。在此基础上，做3条垂直于断层走向的形变速率剖线(长约42 km)，如图4(a)所示，取剖线两边3 km范围内的点做剖面分布如图4所示得出近断裂带距离速率变化明显。可以看出在断层线处形变速率显示出台阶式跳变，形成约8 mm/a的跨断层形变差异，而随着离开断层距离的增加，速率值基本保持不变。两盘速率差在8 mm/左右，断裂带南段平均速率约为4 mm/a，与虢顺民[1]给出的走滑速率为2.8 mm/a；程佳[20]给出的断裂带南段运动速率为3.5±1.5 mm/a较为一致。SBAS-InSAR处理的结果偏大有以下几点原因：第一，由于假设了断裂带近代以来只做水平运动，而本文处理的结果是断裂带南北、东西和垂直向运动速率投影到卫星视线向的形变速率，因此，本文处理的结果偏大，不过整体的运动趋势是一致的。第二，SBAS-InSAR处理的运动速率是相对于控制点的速率，而控制点速率不一定为零，存在一定的误差。第三，研究区植被覆盖率高，对相位解缠有一定的影响。

图4 跨断层的速率剖面(距离由南向北递增，距离约为42 km)、相位转形变速率精度图、精度及速率正态分布图

研究区缺少GPS形变测量数据，无法用GPS数据进行验证，本文试着从研究区视线向速率正态分布及相位转速率的精度结果进行验证，从精度数据来看(如图4(b)所示)，整体研究区精度DN值都在4以内，尤其在元阳县城和新街镇等城镇的高相干点源的DN值都在1.5以内，其值范围比较合理。利用SARscape中的栅格转矢量共得20 136个点数据，经统计分析得到如图4(c)所示的点形变速率的正态分布，均值为0.378 4，标准差是2.854，计算值在-6.5～6.5 mm/a，占比为97.62%；-3.25～3.25 mm/a，占比为82.62%。可以看出高相干点速率的分布是比较合理的，SBAS-InSAR处理得到的结果比较可信。这一结果可以用来判断当前红河断裂带南段现今活动特征。

4 结束语

本文采用SBAS-InSAR技术获取了红河断裂带南段地壳形变速率，并简要分析其形变特征，得到2015～2017年北盘的运动速率为3.06～5.42 mm/a，南盘的运动速率为-5.38～-3 mm/a，北盘在LOS方向表现为隆升，南盘沉降，符合其右旋走滑的特征，两盘形变速率差约为8 mm/a，与虢顺民[22]给出的走滑速率为2.8 mm/a；程佳[23]给出的断裂带南段运动速率为3.5±1.5 mm/a较为一致。这也表明SBAS-InSAR能可靠地监测到地壳微小形变。由于目前只截取断裂带南段的一部分作为实验区并获得其结果，为了全面监测红河断裂带南段的微小形变，需要进一步融合升降轨等方式来计算三维形变，所以后期将选取断裂带南段元江县或红河县等地区用升降轨融合等方式对红河断裂带南段进行更深入地研究分析。考虑到红河断裂带复杂的地貌和高植被覆盖的地表形态，可以使用PS-InSAR和SBAS-InSAR结合的方式来探测相干点或通过与GPS融合的方式来提高监测精度。