地震地壳形变InSAR测量中的关键技术研究

段宝林

摘  要：在地震地壳形变监测工作中，InSAR测量技术发挥出了重要作用。其测量结果可以广泛应用于研究地震动力学机制及地震断层几何学特征方面，为进一步认识到断层活动、岩石圈动力规律等奠定下了坚实的基础。本文主要分析了InSAR测量在地震地壳形变研究中的关键技术，使InSAR技术能够更加合理的应用到地震地壳形变检测工作中。

关键词：地震地壳形变  InSAR  关键技术  时序分析

中图分类号：P237                              文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（b）-0045-03

Abstract： InSAR has played an important role in crustal deformation monitoring. The measurement results can be widely used in the study of seismic dynamic mechanism and seismic fault geometry characteristics， and lay a solid foundation for further understanding of fault activity and lithosphere dynamic law. This paper mainly analyzes the key technologies of InSAR measurement in the study of seismic crustal deformation， so that InSAR technology can be more reasonable applied to the detection of seismic crustal deformation.

Key Words： Earthquake crustal deformation; InSAR; Key technology; Time series analysis

InSAR是一种用以测量地面高度及地表形变特征的技术，具有极高的测量精度。InSAR时序分析方法选取了某些SAR数据干涉对组合，通过建模、DEM误差等，能够观察出地面形变在长时间内的累积情况。InSAR技术因使用方法简单、作业效率极高，可适应极端环境下的测量任务，通过将InSAR所获取到的地面形变数据与相关资料相结合，可以实现更为精确的地震预报，对于当今的地震原理研究有着深刻影响。

1  地震地壳形变InSAR测量中的关键技术

1.1 大气校正及其对时序分析流程改进

在应用InSAR测量地震地壳形变时，往往会因较强的大气效应影响到测量结果的精确度。距离震中区域的形变量较大，干涉条纹不易受到大气影响，使得各项数据较为稳定，因此往往会在此种状况掩盖效应下，忽视了大气效应的干扰。但在研究中，可以明显观察到大气效应所产生的影响，今后需在此方面加强相应的研究力度。

InSAR时序分离出的大气相位与GNSS数据等不尽相同，使得在判定大气状况是不能仅依靠此类方法。在使用InSAR时序分析方法用以分析大气状况較为复杂且地表波动较大的区域时，因受到传统时序分析方法较为狭隘的影响，使得大气状况判断出现偏差，形变测量误差较大。造成此现象的因素主要有如下两方面。

首先，由于大气的周期性运动，使得大气相位不再具有“时域高频”的相关特征;在大气较厚并且分布不均时，往往会导致时空滤波处理无法进行。现代研究表明，在大气垂直与DEM较为密切时，其时空滤波虽已经过相应处理，但会残留一定的大气相位，极易对监测造成干扰。其次，InSAR时序分析需借助于高相干点获取各类信息，大气相位分离主要依靠PS点，在分析范围扩大的情况下，使得此方式的精准度无法保障。

InSAR时序分析获取相位信息主要依靠高相干点，PS点具有的密度质量、质量可保障大气相位分离的精准度。在测量范围扩大的情况下，往往会受到相干性的影响，导致自身精准度下降。如仅采取滤波的方式对大气相位进行处理具有较大的局限性。这主要表现在以下两方面。

首先，会导致出现误判的情况。在进行滤波处理时，由于大气相位处理不彻底，将会产生误判，将某些非形变问题作为地表形变处理。另外如处理过多，使得某些关键信息丢失，无法完整解读地质运动的基本情况。其次，因大气条纹与轨道条纹具有重合性特征，降低了基线的重估精准度，在流程处理环节出现较为严重的误差，无法获取到精确的结果。为进一步提升InSAR时序分析形变测量应对多种环境的能力，应将大气校正作为关键流程予以重视。

由于大气校正具有诸多优势，使其在InSAR时序分析形变测量中的应用愈发广泛。随着技术的发展，现今已出现了采取模拟大气相位的方法优化PS-InSAR，从而进一步强化了大气相位估计的准确性，使形变测量更加合理。在PS-InSAR中加入ECMWF大气数值模式后，将地形相位去除，利用ECMWF模拟大气垂直层流分量，从干涉图中将其去除，然后采取时空滤波去除水平湍流大气相位。除上述方法外，还可以在InSAR时序分析中采用基于GNSS数据的大气校正的方法，能够显著提升监测能力。在此过程中，应借助于专业化软件，使大气校正法更为有效。GACOS处理软件是使用效果较好的软件之一，其采用了ECMWF大气产品及GNSS数据，可快速生成高精度大气对流延迟相位，实现InSAR大气校正目的。GACOS因覆盖范围极为广泛、不受时间及空间的限制、生成SAR数据及时、性能评价便捷等优势，在业内有着极高的应用前景。

1.2 三维形变信息提取

在实际应用中，InSAR可与GNSS、Offset Tracking等内容相互配合，从而推导出地表三维形变信息。但由于其精确度较低，往往不能适用于精度要求较高的场景中。造成此种状况的原因在于以下3方面。

（1）Offset Tracking等技术自身精确度难以满足实际使用要求;（2）GNSS的数据相对较少，不具备整体覆盖的能力;（3）SAR系统的主要工作内容不是地表三维形变信息的获取。从上述内容中可见，三维形变信息提取的关键因素在于获取到足够且精确的数据。为实现此目标，要加大大轨道倾角SAR卫星系统的研究力度，并且将获取地表三维形变信息作为主要功能，扭转SAR卫星系统对三维形变信息提取工作不力的局面。

1.3 大范围形变监测

（1）ScanSAR时序分析。

在SAR系统中，ScanSAR的应用最为广泛。虽然ScanSAR有着极强的数据覆盖能力，但由于数据干涉效果不佳，加之其自身分辨率不能得到保障，使得其应用具有一定的局限性。产生此问题的根源在于，星载SAR系统在设计之初即存在Burst不能同步的现象，造成数据干涉相干性不强。另外由于ScanSAR模式分辨率较低，使高相干目标明显不足。

（2）InSAR形变结果拼接。

在地壳形变监测中，因观测区域的差异，需对干涉测量结果进行拼接处理。可通过以下策略开展此项工作：首先，在InSAR处理时需采取参考点才能够完成，因此应考虑参考点对监测结果的影响，制定出选择参考点的标准。其次，需厘清InSAR处理参考点的关系，通过建立起传递理论模型，使其形成统一性。由于空间坐标系存在偏差，当SAR影像重叠部分的高程差不明显时，可将其中一幅SAR影像作为主影像，采取多项式法统一其它SAR影像。如高程差较为显著，可将待拼接的SAR影像放置于同一坐标系中。

1.4 高相干目标选取

在InSAR时序分析中，通常采取多幅SAR影像用来获取高相干目标的形变信息，保证形变结果的准确性。高相干目标在大气相位分离、相位解缠精度方面有着较大作用，其数量直接影响到精确度。

InSAR时序分析受到多种因素的共同作用，要重点关注高相干点的数量级密度问题。如在大范围区域且缺少足够植被的情况下，则在选取高相干点时出现较多难点。由于当前InSAR时序分析在选取高相干点时采取了统一的参数阈值方法，如将其应用于较大范围时，极易出现PS点分布不均的现象，使得某些区域内的计算结果失真。现今出现了SqueeSAR技术及StaMPS方法。经长期观察可见，上述两种方法在地表形变监测有着较好的应用空间。其中，SqueeSAR技术采用了双样本KS检验法，选择受时间失相干影响较小的统计像元，使得高相干目标的质量与密度均得到了显著提升。StaMPS方法将PS按照散射体进行对待，以相位稳定性作为重要指标，在提取高相干目标时，利用了相位空间与振幅离差之间的关联性。

某些区域中的自然地表相干性条件较差，使得稳定高相干像元数量不足。针对此种状况，应采用InSAR时序分析选点的自适应法，及时调整自身阈值，达到稳定识别高相干像元的目的。要制定出相应的策略，依据所处环境，将阈值参数设定在合理范围内。要及时评价结果的差异性，使形变测量范围得以增大，最后还应绘制出相应的分布图，使结果更为形象直观。

1.5 大数据背景下数据处理方法

随着信息科技、大数据技术、卫星发射等行业取得巨大进步，在地震地壳形变监测中应及时引入多种方法，充分利用各类档案数据，使数据处理更为高效、准确，不断提升应急响应的效率。由于地震地壳形变监测过程中会产生大量的数据资料，为确保观测过程的连贯性，其InSAR时序分析数据处理方式需加以改进。针对新获取到的数据资料，InSAR时序分析数法可将其及时加入到数据库中，而无需从初始端进行操作。另外由于数据累积量及监测任务逐渐增大，会影响到计算机的运行速度，从长远角度出发，应及时将繁多的数据迁移到云端，提升计算机的效能。

在星载SAR技术日益成熟的背景下，加之卫星重访周期的时间越来越短，使得SAR的空间分辨率得以大幅提升。基于卫星重访周期时间被缩短的状况，从而有机会能够在极短的时间内获取到足够多的资料，但大量的數据使得计算机处理速度缓慢。在InSAR时序分析方法中，往往仅依靠对已存储的信息进行处理，由于地壳形变监测具有显著的连贯性，使得其数据处理滞后性严重，无法适应现今对数据资料的大量需求。在今后的工作中，应重点研究利用较短重访周期下SAR数据的方法，将其运用到InSAR时序分析中，从而在地震地壳形变监测中发挥出重要作用，实现实时动态式的监测。正是由于存在此类问题，因此需在InSAR时序分析技术采取渐进方法，使传统模式下的数据集中处理转变成为增量式处理模式，发挥出大数据技术的作用。在处理技术不断发展的状况下，现已出现了渐进式SBAS处理方法，可提升Sentine-lA星载SAR干涉数据的收集能力，从而获取到SAR数据。此方法能够依据现有的形变监测数据，推导出当前的形变结果，摒弃了传统模式下需再次从初始端进行操作的弊端，极大提升了时序分析的准确性及效率。

2  结语

通过上文分析可见，在地壳形变监测中，InSAR技术在其中发挥出了重要作用，在地震全过程中均可以监测地壳形变的发生规律。我国的空间立体观测技术在卫星发射技术的引领下，现已取得了较为满意的成绩。尤其随着SAR测绘卫星和形变监测卫星陆续投入使用，使得InSAR技术已成为当前的热点研究领域。SAR系统不同于光学卫星，其自身功率有限，不能实现实时且长期的对地成像。要按照既定计划，选取重点观测区域，从而获得某一区域内充足的数据资料，为后续进一步研究提供了数据支持。基于实际应用的考虑，将来可在SAR系统中设置不同任务的优先级别、成像时间于运行周期之间的时长关系等。

参考文献

[1] 曾琪明，朱猛，焦健.地震地壳形变InSAR测量中的关键技术分析[J].遥感学报，2018，22（S1）：17-31.

[2] 王庆良.地壳形变观测在地震监测预报中的发展与应用研究[J].地震研究，2018，41（3）：343.

[3] 董晓燕，赵柯柯，张贵豪.遥感影像匹配技术在地震形变监测中的应用研究[J].黄河水利职业技术学院学报，2019，31（2）：31-35.

[4] 巩丹丹，尚俊斌.地壳形变观测在地震监测预报中的发展与应用研究[J].甘肃科技纵横，2019，48（4）：12-14.

[5] Y.G.Wan，Z.-K.Shen，R.Bürgmann，J.B.Sun，M.Wang，靳志同.根据GPS和InSAR测量推断2008年M_W7.9汶川地震的断层形状和破裂分布[J].世界地震译丛，2018，49（3）：195-221.

[6] 李宁，王卓识.地壳形变观测在地震监测预报中的发展与应用[J].河南科技，2019（34）：138-140.