多源卫星遥感数据驱动地震灾害应急制图研究——以2022年青海门源MW6.7地震为例

王 杰 张双成,3 吴 桐 司锦钊,3 朱 武,3 李振洪,3

1 长安大学地质工程与测绘学院,西安市雁塔路126号,710054 2 地理信息工程国家重点实验室,西安市雁塔路中段1号,710054 3 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,西安市雁塔路126号,710054

地震作为一种破坏范围广、突发性强、形变量大的突发性自然灾害,特别是一些强震,如1976年我国唐山MW7.8地震、2004年印度洋MW9.2地震、2010年海地MW7.0地震等,会对人类安全和社会经济造成巨大损失[1-5]。地震震源参数包括发震断层的长度、宽度、深度、倾角、走向、震源位置、震级等几何参数,以及滑动角、滑动量等运动参数[6]。这些参数不仅可以用来分析地震区域应力触发并进行危险性评估,还能够为地震应急救援方案的制订和救援工作的高效开展提供关键的震情信息。近年来以卫星遥感为代表的对地观测技术及各种数据处理技术的蓬勃发展,为地震灾害应急响应工作提供了便捷、经济的手段,极大提高了地震灾害应急响应的高效性。

北京时间2022-01-08 01:45我国青海省门源县(37.77°N,101.26°E)发生MW6.7地震,这是该地区继1986-08-26和2016-01-21两次地震后的又一次强震[7-8]。此次地震构造背景较为复杂,主要发生在青藏高原东北缘冷龙岭断裂、托莱山断裂和肃南-祁连断裂的阶区部位(图1),目前已有大量学者对本次地震进行详细研究[9-11]。据相关统计,此次地震事件预计财产损失近亿元。

图1 2022-01-08门源地震区域地震构造[13]Fig.1 Seismic structure of Menyuan earthquake area on January 8, 2022[13]

震后应急响应专题图的制作旨在快速准确地获取震区灾情近实况信息,为科学救灾、救援行动部署及物资调配等应急行动提供参考支撑,进而有效减少地震损失。

1 地震灾害应急制图策略

地震灾害应急制图需要将地震灾害应急场景与数据处理、制图过程相联系[12],将震情数据信息专题化、结构化地呈现给决策部门。在实际数据处理和应急制图工作中,要遵循快速准确的原则,首先选取具有时效特征的应急数据;然后根据不同类型遥感数据的特点优势及不同数据处理技术的适用范围,对地震破坏信息进行综合快速提取。因此本文综合多源数据、多种数据处理手段,拟采取的数据处理策略流程及预期数据产品如图2所示。

2 2022年门源地震应急卫星遥感数据来源

本次门源地震灾害应急制图研究所使用的数据为地震前后的Sentinel-1A雷达遥感影像和地震前后高分一号、高分七号光学遥感影像,各类影像覆盖范围如图3所示。此外,在InSAR数据处理过程中使用了由欧洲航天局(ESA)提供的Sentinel-1A精密轨道数据及美国航天航空局(NASA)提供的SRTM 30 m分辨率数字高程模型等辅助数据。

图3 应急遥感影像覆盖范围示意图Fig.3 Schematic diagram of emergency remote sensing image coverage

3 门源地震引发地表损毁产品快速获取

3.1 高分系列光学遥感影像用于设施损毁、地表断裂产品获取

针对门源地震所引发的地表破裂及道路、设施损毁,快速收集地震前后GF1、GF7等影像资料,利用变化检测、人工目视解译进行快速分析,对此次地震引发的地面破裂和道路损毁信息空间分布进行提取,最终形成应急产品(图4)。地震引发的地表破裂长度约为20 km,大致沿NWW-SEE方向延伸。部分地表破裂局部细节如图5所示。

图4 2022年门源地震周边国产高分光学遥感影像目视解译产品Fig.4 Domestic high-resolution optical remote sensing image visual interpretation products around the 2022 Menyuan earthquake

图5 部分地表破裂局部细节Fig.5 Partial detailed diagram of surface rupture

北部3条地表破裂在光学遥感影像中的特征较清晰,有较强的空间连续延伸性,总体呈现出西低东高的特征。震后的光学遥感影像中存在明显积雪错段、锯齿状断裂和大量不规则断裂(图5右下)。此外,北部中段的永安河地表破裂与关键交通路线距离较近,从而引起公路路面破裂(图5右上),在强震作用下兰新高铁部分路段发生明显扭曲变形(图6)。

图6 地震前后兰新高铁影像Fig.6 Image of Lanzhou-Xinjiang high speed railway before and after theearthquake

3.2 Sentinel-1A SAR影像用于地表形变、地表断裂产品获取

图7(a)和图7(e)分别为利用D-InSAR方法得到的门源地震升、降轨LOS向地表形变产品,地表破裂表现为近乎笔直的北西向色变带。升、降轨D-InSAR解得最大LOS向形变量分别为-49.15 cm、58.52 cm。同轨道同震形变场在断裂带南北盘表现出相反方向,表明本次地震主要以水平位移为主。此外,选取与解译断裂带近似垂直的3条剖线AA′、BB′、CC′进行分析,升、降轨结果分别如图7(b)～(d)、图7(f)～(h)所示。同一观测模式下的剖线分析结果表现出的形变特征较为一致,地表断裂附近形变量发生跳跃变化。

强震产生的较大形变梯度超出D-InSAR技术的观测能力时会造成非相干,因此为获得地表断裂附近断层破裂及形变的详细信息,采取像素偏移量追踪技术(POT)计算得到东西向形变(图8(a))和LOS向形变(图8(b)、(c))产品,揭示了断层破裂迹线的形态与变化特征,从而获取断层附近m级大形变量。

图8 多源遥感影像POT技术获取的门源地震周边地区地表形变及地表破裂Fig.8 Surface deformation and surface rupture in the area surrounding the Menyuan earthquake obtained by POT technology of multi-source remote sensing image

4 门源地震震源参数产品快速获取

为更好地服务于地震灾害应急救援工作,需要进一步得到此次地震的震源及破裂面的几何、运动学参数。通过Okada弹性半球空间位错模型,对此次地震进行建模,以获得震源参数产品。为得到最优参数解,联合升、降轨LOS向形变进行反演。利用添加光滑约束的最小二乘算法求解的门源地震震源参数产品有:震中位置为37.38°N、101.28°E;震源深度为11.9 km;震级为MW6.6;节面Ⅰ走向104°、倾角85°、滑动角13°,节面Ⅱ走向13°、倾角88°、滑动角171°。总体来看,本次地震为左旋走滑事件,同震破裂到达地表,反演结果与USGS、GCMT等机构公布的参数较吻合。但与其他机构所公布结果之间仍存在一定的偏差,主要原因一是地球物理反演问题本身具有多解性[14],二是不同类型的观测数据以及其中所包含的随机误差等因素会造成震源机制解的不唯一性。

5 结 语

本文以2022-01-08青海门源地震作为研究对象,针对2022年门源地震提出一种多源卫星遥感数据驱动地震灾害应急制图的技术流程,能够快速提供与灾情相关的多类型专题地图产品,为震后快速应急响应、紧急救援提供高效支撑。

目前全球卫星遥感技术正处于飞速发展时期,未来一段时间内,遥感卫星的种类和数量会大幅增长,为地震灾害应急提供切实的数据保障,从而促进地震等灾害的应急响应能力。本文对卫星遥感技术成熟应用于地震灾害应急响应提出以下展望:1)覆盖范围广、重访周期短、空间分辨率高是地震灾害应急遥感数据的重要发展方向;2)基于多源遥感数据借助多种数据处理技术,实现地震灾情信息快速、自动、精细、准确地提取也是地震灾害数据应急处理的重要发展方向之一。

致谢：欧空局提供Sentinel-1A SAR影像及对应的精密轨道数据,中国资源卫星应用中心提供GF-1、GF-7光学遥感影像,NASA和NIMA提供SRTM数据,在此一并表示感谢!