徐小波，屈春燕，單新建，張桂芳，馬超，庾露，孟秀軍,

1 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所 地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100029 2 蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州　215009 3 河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南焦作　454000

?

CR-InSAR與PS-InSAR聯(lián)合解算方法及在西秦嶺斷裂中段緩慢變形研究中的應(yīng)用

徐小波1,2，屈春燕1*，單新建1，張桂芳1，馬超3，庾露1，孟秀軍1,3

1 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所 地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029 2 蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009 3 河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南焦作454000

本文結(jié)合CR-InSAR、PS-InSAR技術(shù)，將CR、PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)，采用LAMBDA方法進(jìn)行相位解纏，研究西秦嶺北緣斷裂帶中斷的微小形變，結(jié)果得出斷裂帶表現(xiàn)出左旋走滑運(yùn)動(dòng)特征，斷裂帶南盤平均形變速率為2.3 mm·a-1，北盤平均形變速率為-1.5 mm·a-1，南北兩盤平均形變速率差異為3.8 mm·a-1，與其他學(xué)者GPS、地質(zhì)測(cè)年研究成果相近.對(duì)研究區(qū)內(nèi)的角反射器(CR點(diǎn))安裝、影像特征分析及形變解算進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，并對(duì)比分析了CR、PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)和PS點(diǎn)單獨(dú)構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果，得出對(duì)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的斷裂帶做永久散射體形變研究時(shí)，CR、PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果好、研究結(jié)果可靠.說(shuō)明CR、PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)中，CR點(diǎn)由于其自身的高穩(wěn)定特性，對(duì)整個(gè)解算網(wǎng)絡(luò)起到了很好的整體控制作用，保證了解算結(jié)果正確.

CR-InSAR；PS-InSAR；西秦嶺斷裂；形變

1　引言

西秦嶺北緣斷裂帶是青藏高原東北緣一條重要的NWW向區(qū)域性活動(dòng)斷裂和地質(zhì)構(gòu)造分界線，斷裂帶全長(zhǎng)約250km，所在區(qū)域?yàn)闇羡挚v橫的山區(qū)，植被覆蓋茂密.該斷裂帶在平面上具有分段性，由三條走向大致相近的斷裂組成，可分為斷裂帶東段、中段、西段(袁道陽(yáng)和楊明，1999).斷裂活動(dòng)表現(xiàn)為左旋走滑，滑動(dòng)速率較小.郭利民等(2012)利用GPS和PS-InSAR技術(shù)結(jié)合構(gòu)建三角監(jiān)測(cè)網(wǎng)研究西秦嶺北緣斷裂微小形變，結(jié)果得出西秦嶺北緣斷裂近似左旋擠壓，形變速率大致為5～8 mm·a-1.張希等(2011)利用2004—2009年間GPS數(shù)據(jù)研究青藏塊體東北緣運(yùn)動(dòng)得出汶川地震對(duì)西秦嶺構(gòu)造區(qū)中東部，六盤山斷裂中南段，秦嶺北緣與渭河斷裂西段有一定的影響，西秦嶺北緣位錯(cuò)量為3.2±0.6 mm·a-1.李延興等(1999)利用1996—1998年間3期GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)研究西秦嶺北緣斷裂帶形變，得出斷裂南北兩側(cè)有明顯差異運(yùn)動(dòng)，南盤運(yùn)動(dòng)速率大于北盤.李傳友(2005)利用全站儀測(cè)量大比例尺地形等高線圖得到?jīng)_溝的錯(cuò)位和沖溝附近沉積C14的年齡分析得到西秦嶺北緣斷裂帶黃香溝段(位于整個(gè)斷裂帶中的西段)全新世以來(lái)平均滑動(dòng)速率為2.94±0.15 mm·a-1.康來(lái)迅(1994)根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查和C14年代資料分析研究西秦嶺斷裂帶晚更新世晚期以來(lái)左旋走滑運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，得出該斷裂帶渭河Ⅱ級(jí)階地形成以來(lái)，東段反扭走滑運(yùn)動(dòng)速率為8.14 mm·a-1，中段左旋走滑運(yùn)動(dòng)平均速率為4.94 mm·a-1，西段的形態(tài)特征為曲率較小的弧形，其運(yùn)動(dòng)速率比東段弱.由于斷裂所處區(qū)域地質(zhì)地貌環(huán)境復(fù)雜，高山起伏跌宕，PS-InSAR技術(shù)具有觀測(cè)成本低，可大范圍覆蓋斷裂帶等優(yōu)點(diǎn)，使利用PS-InSAR技術(shù)研究西秦嶺斷裂滑移形變更為有利.

Ferretti等(2001)于2000年最先提出了永久散射體干涉測(cè)量技術(shù).其思想是重點(diǎn)研究區(qū)域內(nèi)散射特性穩(wěn)定的目標(biāo)點(diǎn)，這些硬目標(biāo)像素點(diǎn)即使在長(zhǎng)時(shí)空基線時(shí)也保持著高相干性，有利于差分干涉，通過(guò)回歸分析獲取高質(zhì)量準(zhǔn)確的形變結(jié)果.PS-InSAR技術(shù)在城區(qū)、巖石裸露的山區(qū)等研究區(qū)效果好，對(duì)于植被覆蓋茂密的地區(qū)通常會(huì)影響PS點(diǎn)密度和穩(wěn)定性(Hilley et al.,2004；Hooper，2006；盧麗君,2008；屈春燕等，2011).人工角反射器干涉測(cè)量技術(shù)(CR-InSAR)研究架設(shè)在野外的人工角反射器(CR點(diǎn))，從SAR影像中識(shí)別、提取CR點(diǎn)，通過(guò)對(duì)CR點(diǎn)進(jìn)行差分干涉、相位解纏，來(lái)解算CR點(diǎn)的形變速率以及高程改正值(Xia et al.,2004；涂鵬飛等，2010).人工角反射器通常為二面角、三面角和四面形的鋁制材料組成，具有高信號(hào)反射強(qiáng)度的穩(wěn)定特性.且角反射器架設(shè)位置可根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際地理環(huán)境而定，架設(shè)位置靈活，對(duì)于斷層形變、滑坡等地質(zhì)地貌較為復(fù)雜的研究區(qū)具有很重要作用.

對(duì)于斷裂帶形變研究，CR-InSAR、PS-InSAR技術(shù)可進(jìn)行很好的互補(bǔ)，在植被覆蓋茂密地區(qū)可以通過(guò)架設(shè)人工角反射器(CR點(diǎn))作為高質(zhì)量的控制點(diǎn)，而PS技術(shù)選取出的PS點(diǎn)則進(jìn)一步加密了點(diǎn)的空間布局.Kampes和Hanssen(2004)，Kampes(2005)利用時(shí)間跨度為九年的50景ERS-1和ERS-2影像基于LAMBDA相位解纏算法分別對(duì)柏林和拉斯維加斯城市沉降做了形變研究，并取得了精確的研究成果.邢學(xué)敏等(2011)聯(lián)合CR-InSAR和PS-InSAR技術(shù)利用14景ALOS PALSAR影像監(jiān)測(cè)研究河南白沙水庫(kù)附近礦區(qū)的沉降，研究結(jié)果與同時(shí)期的水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果有較好一致性.許才軍等(2012)采用CR-InSAR技術(shù)利用5景ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)研究鮮水河斷裂地殼形變，獲取的CR形變結(jié)果與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致.本文將CR/PS-InSAR兩種技術(shù)結(jié)合,通過(guò)CR點(diǎn)和PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)，采用最初用于GPS相位模糊度解算的LAMBDA方法來(lái)解纏InSAR相位，研究西秦嶺北緣斷裂帶中斷的震間微小形變.同時(shí)為進(jìn)一步研究CR點(diǎn)在聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)中所起的關(guān)鍵作用，對(duì)比CR、PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算和PS點(diǎn)單獨(dú)構(gòu)網(wǎng)解算兩種方式，研究CR點(diǎn)在聯(lián)合解算中所起的重要作用.

2　基于LAMBDA相位解纏的CR/PS-InSAR解算方法

LAMBDA(The least square ambiguity decorrelation adjustment)相位解纏方法由荷蘭Delft大學(xué)的Teunissen提出，最初該解纏方法被用于GPS精密定位的相位整周模糊度的確定.其數(shù)學(xué)模型為

(1)

其中y是觀測(cè)向量；a是未知的整周模糊度向量，a∈Im(Im表示m維整數(shù)空間)；b是待求的未知參數(shù)向量，b∈Rt(Rt表示t維實(shí)數(shù)空間)；A和B是整周模糊度和待求的位置參數(shù)的系數(shù)矩陣；ε是測(cè)量的隨機(jī)誤差向量.利用最小二乘估計(jì)，可求出整周模糊度及位置參數(shù).

(2)

(3)

其中m=1,2,…,M,φ為差分干涉相位，k為整周相位數(shù)，β為相位高程轉(zhuǎn)換系數(shù)，ΔH為高程改正數(shù)，ν是PS點(diǎn)的形變速率，λ是微波信號(hào)波長(zhǎng)，T是兩景SAR影像時(shí)間間隔，ε是隨機(jī)噪聲信號(hào)，包含大氣延遲、噪聲等誤差相位.

(4)

根據(jù)上述可得方程y1=A1a+B1b，從該式可知，式中形變速率、高程改正值和整周相位數(shù)都是未知數(shù)，總共有M個(gè)方程，而未知數(shù)有M+2個(gè)，方程是秩虧的.因此在求解時(shí)需要加入偽觀測(cè)方程y2=A2a+B2b(y2是2×1的偽觀測(cè)矩陣，A2是2×M的零矩陣，B2是2×2的單位矩陣)聯(lián)合解算.公式為

y=Aa+Bb，

(5)

3　研究區(qū)及數(shù)據(jù)概述

研究區(qū)位于西秦嶺北緣斷裂帶中斷，斷裂帶附近有武山和甘谷兩個(gè)縣城，但主要以溝壑縱橫的山區(qū)為主，且植被覆蓋茂密，在進(jìn)行PS-InSAR技術(shù)形變研究時(shí)提取出的PS點(diǎn)精度較難保證，所以2008年本課題組在西秦嶺北緣斷裂帶中段附近架設(shè)了22臺(tái)角反射器，開展CR-InSAR形變研究工作.研究區(qū)內(nèi)共有2003—2010年間的20景ENVISAT ASAR降軌數(shù)據(jù).而本文主要研究角反射器(CR點(diǎn))和PS點(diǎn)聯(lián)合解算斷裂形變，所以處理過(guò)程中選用了架設(shè)角反射器后的2008年10月—2010年9月間的14景ENVISAT ASAR影像(如表1)，影像覆蓋范圍為34°00′—35°30′N,104°30′—105°45′E，如圖1黑框覆蓋位置.外部DEM數(shù)據(jù)采用SRTM 3″DEM.

4　數(shù)據(jù)處理過(guò)程

以GAMMA軟件(IPTA_users_guideof GAMMA software，2006)作為差分干涉處理平臺(tái)，利用LAMBDA方法解纏相位獲取形變研究結(jié)果.對(duì)14景SAR影像進(jìn)行CR-InSAR、PS-InSAR技術(shù)處理，處理過(guò)程包括SAR和DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及預(yù)處理、PS點(diǎn)的選取及構(gòu)網(wǎng)解算、CR點(diǎn)識(shí)別分析及構(gòu)網(wǎng)解算、CR和PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算4大塊，具體流程見圖2.

編號(hào)參考主影像副影像升/降軌時(shí)間基線/d空間垂直基線/m12010042820081015降軌-56082.77922010042820081119降軌-525-215.51932010042820090128降軌-455-437.73842010042820090304降軌-420350.90752010042820090617降軌-315372.87162010042820090930降軌-210-104.22272010042820091104降軌-17591.52082010042820091209降軌-140-414.27292010042820100113降軌-10513.574102010042820100217降軌-70-111.913112010042820100428降軌00.000122010042820100707降軌70-117.895132010042820100811降軌105-97.878142010042820100915降軌140299.975

圖2　CR和PS聯(lián)合解算流程圖Fig.2　Flowchart of CR and PS combined solution

4.1SAR、DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及預(yù)處理

由于SAR影像上每一行的各個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的星地距離、雷達(dá)入射角、天線方向等空間參數(shù)的不同，而這些空間參數(shù)影響像元的后向散射強(qiáng)度值，需要將整幅圖像歸于一個(gè)指定的標(biāo)定尺度，所以首先對(duì)SAR影像進(jìn)行了輻射校正，這將有助于后期獲取高質(zhì)量的PS點(diǎn)(徐小波等，2012).在考慮時(shí)間基線、空間垂直基線和多普勒中心頻率后，選取了20100428景SAR數(shù)據(jù)為最優(yōu)主影像，與其他副影像構(gòu)成14個(gè)干涉對(duì)，其空間垂直基線和時(shí)間基線如表1和圖3所示.從圖3可以看出，絕大部分干涉對(duì)的空間垂直基線集中在-300～300 m之間，保證了像對(duì)間良好的相干性，適于進(jìn)行干涉處理.選取好參考主影像后，將所有副影像、外部DEM數(shù)據(jù)與主影像配準(zhǔn)，使配準(zhǔn)精度達(dá)到0.2個(gè)像元.然后進(jìn)行重采樣，為后續(xù)的PS點(diǎn)選取做準(zhǔn)備.

4.2PS點(diǎn)選取及PS點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)解算

PS點(diǎn)的選取就是從SAR影像中挑選出散射特性強(qiáng)并且穩(wěn)定的像素.PS目標(biāo)點(diǎn)通常是建筑物的轉(zhuǎn)角、屋頂、裸露的巖石等硬目標(biāo).研究區(qū)內(nèi)主要為山區(qū)，提取的PS點(diǎn)多位于山脊線上、裸露的巖石上.綜合考慮兼顧PS點(diǎn)的密度和質(zhì)量這兩個(gè)因素，不斷調(diào)整選取PS點(diǎn)的指標(biāo)閾值來(lái)獲取高質(zhì)量的PS點(diǎn)(唐攀攀，2011).提取PS點(diǎn)的相位值，同時(shí)從外部DEM數(shù)據(jù)中提取PS點(diǎn)的高程值，模擬PS點(diǎn)的地形相位，進(jìn)而獲取PS點(diǎn)的差分干涉相位.再以Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)方法將PS點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)，采用LAMBDA進(jìn)行相位解纏，解算只利用PS點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)獲得的形變結(jié)果.

圖3　干涉對(duì)時(shí)空基線分布Fig.3　Temporal and spatial distribution of baselines for interferometric image pairs

4.3CR點(diǎn)的架設(shè)及后向散射強(qiáng)度分析

(1)CR點(diǎn)架設(shè)

圖4　野外架設(shè)的角反射器Fig.4　Photo showing erected corner reflector in the field

(2)CR點(diǎn)識(shí)別分析

利用測(cè)得的角反射器GPS站點(diǎn)坐標(biāo)，將角反射器(CR點(diǎn))的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為SAR影像的雷達(dá)坐標(biāo)，得到CR點(diǎn)在SAR影像中的行列號(hào)，通過(guò)將SAR影像灰度值拉伸顯示，目視解譯出CR點(diǎn).CR點(diǎn)所在實(shí)際行列號(hào)的位置與通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化計(jì)算得出的CR點(diǎn)行列號(hào)有所差異，但該差異具有系統(tǒng)性，實(shí)際CR點(diǎn)行、列號(hào)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)化算出行、列號(hào)的差值主要集中在5和9個(gè)像素左右.如圖5所示，綠色十字絲所指為計(jì)算出的CR點(diǎn)行列號(hào)，紅色橢圓所圈的亮白方形點(diǎn)為實(shí)際CR點(diǎn)所在位置，并從圖中可看到角反射器在影像中占4～6個(gè)像素位置.

同時(shí)對(duì)CR點(diǎn)的后向散射強(qiáng)度做了分析，一般用雷達(dá)散射截面來(lái)表示CR點(diǎn)的后向散射強(qiáng)度信息(徐小波等，2012).雷達(dá)散射截面是地面目標(biāo)在雷達(dá)波照射下所產(chǎn)生的回波信號(hào)強(qiáng)度的一種物理量，簡(jiǎn)稱RCS.它是目標(biāo)的假想面積，用一個(gè)各向均勻的等效反射器的投影面積來(lái)表示，該等效反射器與被定義的目標(biāo)在接收回波方向上單位立體角內(nèi)具有相同的回波功率.通常用符號(hào)σ來(lái)表示目標(biāo)的雷達(dá)散射截面，單位為平方米.而另一種更常用的表示目標(biāo)回波信號(hào)強(qiáng)度的方法是用雷達(dá)散射截面的對(duì)數(shù)值的十倍來(lái)表示，符號(hào)是σdBsm，單位是分貝平方米(dBsm).本文將以dB值表示方法來(lái)分析研究區(qū)內(nèi)角反射器(CR點(diǎn))的回波信號(hào)強(qiáng)度.如圖6，圖中紅線為架設(shè)角反射器(CR)的臨界時(shí)間，從中可以看到在架設(shè)角反射器前該像素點(diǎn)的dB值低為負(fù)值，主要集中在-10～-5 dB之間，架設(shè)角反射器后的CR點(diǎn)dB值高為正值，處于10～15 dB之間，架設(shè)CR后dB值顯著提高.CR點(diǎn)的高后向散射強(qiáng)度特性可保證其相位的穩(wěn)定，以確保形變研究的準(zhǔn)確性.

圖5　CR點(diǎn)的影像特征綠色十字絲為計(jì)算出的CR點(diǎn)位置，紅色橢圓所圈的白點(diǎn)為實(shí)際CR點(diǎn)位置.Fig.5　CR point image features Green cross represents CR position from GPS observation.White point in red ellipse represents CR position in SAR image.

圖6　CR點(diǎn)的強(qiáng)度值分析(紅線為架設(shè)CR點(diǎn)時(shí)間節(jié)點(diǎn))Fig.6　CR point intensity values(Red line represents critical time of CR erection)

4.4CR點(diǎn)和PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算

通過(guò)野外GPS測(cè)量研究區(qū)內(nèi)22個(gè)CR點(diǎn)位置，獲得了CR點(diǎn)精確的地理坐標(biāo)，并提取這些CR點(diǎn)的高程值.將這22個(gè)CR點(diǎn)的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到SAR坐標(biāo)系下，計(jì)算得到CR點(diǎn)在SAR坐標(biāo)系下的行列號(hào)，通過(guò)GAMMA軟件對(duì)這22個(gè)CR點(diǎn)做干涉，在計(jì)算CR點(diǎn)地形相位和平地相位時(shí)沒有采用SRTM 3″DEM，因?yàn)镾RTM 3″DEM精度相對(duì)較低，而是采用了野外實(shí)際測(cè)得這些CR點(diǎn)的GPS高程值，這樣計(jì)算出來(lái)的地形相位和平地相位更準(zhǔn)確，然后差分干涉，獲得這些CR點(diǎn)的差分干涉相位，再將這些CR點(diǎn)以相鄰兩點(diǎn)之間地距不超過(guò)20 km為限采用Delaunay三角網(wǎng)原則構(gòu)網(wǎng)(如圖7)，采用LAMBDA方法對(duì)這些CR點(diǎn)進(jìn)行相位解纏，利用測(cè)量平差中的最小二乘間接平差方法(如公式6)解算出CR點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)獲得的形變速率.CR點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)解算后，可得到CR點(diǎn)的形變速率值(如圖9所示).將這22個(gè)CR點(diǎn)自身構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)作為控制網(wǎng)(相當(dāng)于水準(zhǔn)測(cè)量中的一級(jí)控制網(wǎng))，再將4.2中選出的高質(zhì)量PS點(diǎn)和CR點(diǎn)構(gòu)成的控制網(wǎng)組網(wǎng)，如圖8所示，如在CR點(diǎn)附近的PS點(diǎn)直接與CR點(diǎn)連接(如圖8a所示)，而在離CR點(diǎn)較遠(yuǎn)的PS點(diǎn)通過(guò)傳遞的方式間接與CR點(diǎn)連接(如圖8b所示)，讓研究區(qū)內(nèi)的22個(gè)CR點(diǎn)和PS點(diǎn)充分聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算，以高精度的CR點(diǎn)作為形變起算點(diǎn)，使CR點(diǎn)對(duì)PS點(diǎn)的解算起到控制作用(陳強(qiáng)等，2009).即利用CR點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)解算得到的形變速率作為起算數(shù)據(jù)，將CR與PS構(gòu)造形變解算網(wǎng)絡(luò)，再利用測(cè)量平差中的最小二乘法間接平差法對(duì)PS點(diǎn)形變速率進(jìn)行解算.公式(6)為

(6)

圖7　CR點(diǎn)Delaunay三角網(wǎng)Fig.7　CR point Delaunay triangulation

圖8　CR與PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)示意圖Fig.8　Sketch showing joint structure network of CR and PS points

5　研究結(jié)果分析

通過(guò)CR點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)解算得出西秦嶺北緣斷裂帶中段南北兩盤有明顯的運(yùn)動(dòng)差異，CR點(diǎn)的顏色表示其形變速率，對(duì)降軌數(shù)據(jù)，當(dāng)形變速率結(jié)果為負(fù)值時(shí)說(shuō)明有遠(yuǎn)離衛(wèi)星方向運(yùn)動(dòng)，即自東向西運(yùn)動(dòng)或沉降，正值則剛好相反.調(diào)研該斷裂帶地質(zhì)方面資料得出該斷裂為走滑型斷裂，所以根據(jù)斷裂兩盤形變的正負(fù)值即可得出斷裂帶南北兩盤的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì).在靠近斷裂帶附近的CR點(diǎn)顏色為黃色，形變速率接近零；位于斷裂帶北盤的CR點(diǎn)顏色為藍(lán)色，形變速率處于-2～-3 mm·a-1，負(fù)值形變表示遠(yuǎn)離衛(wèi)星視線向方向，說(shuō)明斷裂帶北盤自東向西方向運(yùn)動(dòng)；而位于斷裂帶南盤的CR點(diǎn)顏色主要表現(xiàn)為紅色和深紅色，形變速率處于2～4 mm·a-1，南盤形變趨勢(shì)為自西向東，如圖9所示.綜觀斷裂帶南北兩盤的運(yùn)動(dòng)差異，得出只利用CR點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)解算時(shí)斷裂帶表現(xiàn)出左旋走滑的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，南北兩盤的運(yùn)動(dòng)差異處于4～7 mm·a-1之間.

圖9　CR點(diǎn)形變速率圖三角形代表CR點(diǎn)，右上角紅色空心三角形表示參考點(diǎn)，紅線為斷裂帶所在位置.Fig.9　Deformation rates of CR points Triangles represent CR points.Red hollow triangle in top right corner represents reference point.Red line represents the fault.

由于CR點(diǎn)在研究區(qū)內(nèi)覆蓋范圍有限，沒有覆蓋整景SAR影像，而在研究斷裂帶微小形變中，更希望研究較大區(qū)域，以獲得斷裂帶周邊大范圍的形變情況.所以在利用CR-InSAR技術(shù)通過(guò)CR點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)解算獲得斷裂帶形變結(jié)果后，采用了CRPS-InSAR技術(shù)聯(lián)合解算的方法，將CR點(diǎn)和高質(zhì)量的PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算，使研究區(qū)范圍擴(kuò)大，使監(jiān)測(cè)點(diǎn)位加密，以達(dá)到大范圍研究斷裂形變的目的.同時(shí)為驗(yàn)證CRPS-InSAR技術(shù)聯(lián)合解算中，CR所起到的作用，通過(guò)對(duì)比CR、PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算和PS點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)解算兩種方式來(lái)說(shuō)明CR點(diǎn)所起到的重要控制作用.結(jié)果如圖10所示，其中圖10a是PS點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果，圖10b是CR、PS聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果，其中PS點(diǎn)的顏色表示形變速率.對(duì)比圖10a和b可得，PS點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)解算形變結(jié)果顯示位于斷裂帶南北兩盤的PS點(diǎn)顏色雜亂無(wú)章，斷裂帶南北兩盤無(wú)明顯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；而CR、PS聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果顯示位于斷裂帶南北兩盤PS點(diǎn)顏色表現(xiàn)出明顯差異，位于斷裂帶北盤的PS點(diǎn)顏色主要為藍(lán)色和淺藍(lán)色，而位于斷裂帶南盤的PS點(diǎn)顏色則主要表現(xiàn)為黃色和橘紅色，斷裂帶兩盤PS點(diǎn)不同的顏色說(shuō)明斷裂帶南北兩盤具有不同的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì).對(duì)比分析表明CR、PS聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果正確，符合斷裂帶形變運(yùn)動(dòng)特征.

為進(jìn)一步分析CR、PS聯(lián)合解算獲取的斷裂帶南北兩盤差異運(yùn)動(dòng)量，沿垂直于斷裂帶方向截取了一個(gè)剖面(如圖10b中黑框)做具體分析.首先對(duì)剖面內(nèi)所有PS點(diǎn)的形變速率值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析、繪圖，如圖11所示，從圖中可看到斷裂帶南盤PS點(diǎn)為正值形變，量級(jí)上主要處于1～5 mm·a-1之間，求剖面內(nèi)南盤PS點(diǎn)的形變速率得平均值為2.7 mm·a-1；斷裂帶北盤PS點(diǎn)為負(fù)值形變，量級(jí)上主要處于-6～0 mm·a-1之間，求剖面內(nèi)北盤PS點(diǎn)的形變速率得平均值為-3.5 mm·a-1，南北兩盤的平均運(yùn)動(dòng)差異約為6.2 mm·a-1.圖11中可明顯看出南、北兩盤分別以正、負(fù)值形變?yōu)橹鳎捎跀嗔褞д痖g形變是毫米級(jí)微小形變，所以在PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)斷裂帶微小形變研究中還是會(huì)有部分誤差點(diǎn)存在.如在南盤還是有較少PS點(diǎn)形變速率值表現(xiàn)為負(fù)值，北盤亦有幾個(gè)PS點(diǎn)形變速率為正值，在最后結(jié)果中還有較少PS噪聲點(diǎn)存在.為獲得高精度的PS點(diǎn)來(lái)表現(xiàn)斷裂帶兩盤的微小形變，使用了測(cè)量中的中誤差來(lái)評(píng)定PS點(diǎn)的精度.分別計(jì)算了斷裂帶南北兩盤PS點(diǎn)的中誤差，并選取1倍的中誤差為限進(jìn)行了PS點(diǎn)的選取，剔除了部分不可靠的噪聲點(diǎn).如圖12所示，從圖12中可看到南北兩盤的PS點(diǎn)形變速率值明顯收斂，求得南盤PS點(diǎn)平均形變速率為2.3 mm·a-1，北盤PS點(diǎn)平均形變速率為-1.5 mm·a-1，南北兩盤的平均形變速率差異降為3.8 mm·a-1.我們認(rèn)為1倍中誤差范圍內(nèi)的PS點(diǎn)所表示的形變結(jié)果更為準(zhǔn)確，即南北兩盤的運(yùn)動(dòng)差異為3.8 mm·a-1.同樣由于所用SAR數(shù)據(jù)是降軌數(shù)據(jù)，斷裂帶表現(xiàn)出左旋走滑運(yùn)動(dòng)趨勢(shì).該結(jié)論與2011年張希利用2004—2009年間GPS數(shù)據(jù)研究青藏塊體東北緣運(yùn)動(dòng)分析汶川地震對(duì)西秦嶺構(gòu)造區(qū)影響，得出的西秦嶺北緣位錯(cuò)量3.2±0.6 mm·a-1，及康來(lái)迅等利用野外地質(zhì)調(diào)查和C14年代資料研究得出的西秦嶺北緣斷裂帶中段左旋走滑運(yùn)動(dòng)平均速率4.94 mm·a-1結(jié)果相近.

圖10　PS點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)和CR、PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果對(duì)比(a)PS點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果；(b)CR、PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果.紅線為斷裂帶所在位置.Fig.10　Comparison of solution results from PS point network and CRPS point joint network(a)PS point network；(b)CRPS point joint network.Red line represents the fault.

圖11　剖面內(nèi)斷裂帶兩盤PS點(diǎn)形變速率統(tǒng)計(jì)分析藍(lán)點(diǎn)表示PS點(diǎn)形變速率，紅線表示斷裂帶兩盤PS點(diǎn)平均形變速率.Fig.11　Statistics of deformation rates at PS points in profileBlue dots are PS points.Red line represents average deformation rate of PS point in two walls of the fault.

圖12　剖面內(nèi)斷裂帶兩盤1倍中誤差范圍內(nèi)PS點(diǎn)形變速率統(tǒng)計(jì)分析藍(lán)點(diǎn)表示PS點(diǎn)形變速率，紅線表示斷裂帶兩盤PS點(diǎn)的平均形變速率.Fig.12　Statistics of deformation rates at PS points in profile in 1 time mean square errorsBlue dots are PS points.Red line represents average deformation rate of PS point in two walls of the fault.

6　結(jié)論

(1)本文對(duì)研究區(qū)內(nèi)架設(shè)角反射器在影像中的特征及CR形變解算進(jìn)行了較為深入的分析研究，得出CR點(diǎn)在ASAR影像中特征主要表現(xiàn)為亮白色的方形點(diǎn)，1.2 m邊長(zhǎng)等腰直角三角形組成的角反射器在ENVISAT影像中占據(jù)4～6個(gè)像素位置.并且通過(guò)對(duì)比分析架設(shè)CR點(diǎn)前后同一點(diǎn)位像素的后向散射強(qiáng)度，得出CR點(diǎn)在影像中表現(xiàn)出強(qiáng)散射特性，架設(shè)CR點(diǎn)后的后向散射強(qiáng)度有了大幅度提高.

(2)CR-InSAR與PS-InSAR技術(shù)結(jié)合，從SAR影像中識(shí)別、提取CR點(diǎn)后，通過(guò)CR點(diǎn)和PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)，采用LAMBDA相位解纏方法解算斷裂帶南北兩盤的微小形變，跨斷裂截取了一個(gè)剖面，分別對(duì)剖面內(nèi)所有PS點(diǎn)和剖面內(nèi)1倍中誤差范圍內(nèi)的PS點(diǎn)做了形變速率統(tǒng)計(jì)分析，最后得出西秦嶺斷裂帶南盤平均形變速率為2.3 mm·a-1，北盤平均形變速率為-1.5 mm·a-1，斷裂帶南北兩盤平均形變差異為3.8 mm·a-1，斷裂帶表現(xiàn)為左旋走滑運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，與其他學(xué)者利用GPS、地質(zhì)測(cè)年等方法獲得結(jié)果相近.

(3)利用了CR、PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)和PS點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)兩種方式分別對(duì)西秦嶺北緣斷裂帶的微小形變展開研究，以分析角反射器(CR點(diǎn))在形變解算中所起到的關(guān)鍵控制作用.通過(guò)CR、PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果和PS點(diǎn)自身構(gòu)網(wǎng)解算結(jié)果對(duì)比分析，得出對(duì)于像斷裂帶所處的地質(zhì)地貌環(huán)境復(fù)雜的山區(qū)，將CR點(diǎn)和PS點(diǎn)聯(lián)合構(gòu)網(wǎng)，將CR點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)作為一級(jí)控制網(wǎng)，利用CR點(diǎn)的高質(zhì)量、高穩(wěn)定性來(lái)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可保證解算結(jié)果的正確和精度.

致謝感謝課題組張國(guó)宏、宋小剛、郭利民、閆麗莉、王家慶等野外架設(shè)、測(cè)量CR工作，為本文提供了CR點(diǎn)位數(shù)據(jù).對(duì)編輯部老師和審稿專家所提寶貴意見與建議表示衷心的感謝.

References

Chen Q,Ding X L,Liu G X,et al.2009.Baseline recognition and parameter estimation of persistent-scatterer network in radar interferometry.Chinese J.Geophys.(in Chinese),52(9):2229-2236,doi:10.3969/j.issn.0001-5733.2009.09.006.

Ferretti A,Prati C,Rocca F.2001.Permanent scatterers in SAR interferometry.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,39(1):8-20.

Guo L M,Shan X J,Qiao X J.2012.Mapping ground displacement with GPS and PSInSAR networking in north of Xiqingling Fault.The Chinese Geoghysics (in Chinese),687.

Hilley G E,Bürgmann R,Ferretti A,et al.2004.Dynamics of slow-moving landslides from permanent scatterer analysis.Science,304(5679):1952-1955.

Hooper A.2006.Persistent Scatterer Radar Interferometry for Crustal Deformation Studies and Modeling of Volcanic Deformation [Ph.D.thesis].USA:Stanford University.IPTA_users_guide of GAMMA software.2006.GAMMA Remote Sensing Research and Consulting AG.

Kampes B M.2005.Displacement parameter estimation using permanent scatterer interferometry[Ph.D.thesis].Dutch:Delft University of Technology.Kampes B M,Hanssen R F.2004.Ambiguity resolution for permanent scatterer interferometry.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,42(11):2446-2453.

Kang L X.1994.Morphologic characteristics and formation mechanism of the active tectonics along the North Fringe Fault Zone of West Qinling mountain.Journal of East China Normal University (Natural Science)(in Chinese),(2):67-75.

Li C Y.2005.Quantitative studies on major active fault zones in Northeastern Qinghai-Tibet Plateau [Ph.D.thesis](in Chinese).Beijing:Institute of Geology,China Earthquake Administration.

Li Y X,Hu X K,Kang L X.1999.Current activity characteristics of the fault zone along the north margin of West Qinling Mountain revealed by GPS measurements.Earthquake Research in China (in Chinese),15(4):295-303.Lu L J.2008.Method for land deformation detection based on time series SAR images and its application [Ph.D.thesis](in Chinese).Wuhan:Wu Han University.Qu C Y,Shan X J,Song X G,et al.2011.The PSInSAR technique and its application to the study on crustal deformation of the Haiyuan fault zone.Chinese J.Geophys.(in Chinese),54(4):984-993,doi:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.04.013.

Tang P P,Shan X J,Wang C L,et al.2011.Error analysis and preliminary application of PS InSAR in deformation detection on small stacks.Earthquake (in Chinese),31(3):92-102.

Tu P F,Chen H,Gan W J.2010.Application of CRInSAR in monitoring landslide deformation in Three Gorges Reservoir area.Journal of Geodesy and Geodynamics (in Chinese),30(S1):126-128,134.

Xia Y,Kaufmann H,Guo X F.2004.Landslide monitoring in the Three Gorges area using DInSAR and corner reflectors.Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,70(10):1167-1172.

Xing X M,Ding X L,Zhu J J,et al.2011.Detecting the regional linear subsidence based on CRInSAR and PSInSAR integration.Chinese J.Geophys.(in Chinese),54(5):1193-1204,doi:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.05.008.

Xu C J,He P,Wen Y M.2012.Crustal Deformation Monitoring of Xianshuihe Fault by CR-InSAR.Geomatics and Information Science of Wuhan University (in Chinese),37(3):302-305.

Xu X B,Qu C Y,Shan X J,et al.2012.An experimental study of monitoring fault crustal deformation using PS-InSAR technology.Advances in Earth Sciences (in Chinese),27(4):452-459.

Yuan D Y,Yang M.1999.Research on the features of displacement cumulative slip deficits and segmentation in the northern Margin Fault Zone of the Western Qinling.Journal of Seismological Research (in Chinese),22(4):382-389.

Zhang X,Jiang F Y,Cui D X,et al.2011.Analysis of strain accumulation and influence of great earthquake observed by GPS in Sichuan and its adjacent areas.Journal of Geodesy and Geodynamics (in Chinese),31(5):9-13.

附中文參考文獻(xiàn)

陳強(qiáng),丁曉利,劉國(guó)祥等.2009.雷達(dá)干涉PS網(wǎng)絡(luò)的基線識(shí)別與解算方法.地球物理學(xué)報(bào),52(9):2229-2236,doi:10.3969/j.issn.0001-5733.2009.09.006.

郭利民,單新建,喬學(xué)軍.2012.利用GPS和PS-InSAR聯(lián)合監(jiān)測(cè)西秦嶺斷裂北緣地表運(yùn)動(dòng).中國(guó)地球物理年會(huì),687.

康來(lái)迅.1994.西秦嶺北緣斷裂帶活動(dòng)構(gòu)造地貌特征及其形成機(jī)理.華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),(2):67-75.

李傳友.2005.青藏高原東北部幾條主要斷裂帶的定量研究[博士論文].北京:中國(guó)地震局地質(zhì)研究所.

李延興,胡新康,康來(lái)迅.1999.GPS測(cè)量所揭示的西秦嶺北緣斷裂帶現(xiàn)今活動(dòng)特征.中國(guó)地震,15(4):295-303.

盧麗君.2008.基于時(shí)序SAR影像的地表形變監(jiān)測(cè)方法及其應(yīng)用[博士論文].武漢:武漢大學(xué).

屈春燕,單新建,宋小剛等.2011.基于PSInSAR技術(shù)的海原斷裂帶地殼形變初步研究.地球物理學(xué)報(bào),54(4):984-993,doi:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.04.013.

唐攀攀,單新建,王長(zhǎng)林等.2011.形變觀測(cè)中小數(shù)據(jù)集PSInSAR的誤差分析與初步應(yīng)用.地震,31(3):92-102.

涂鵬飛,諶華,甘衛(wèi)軍.2010.應(yīng)用CRInSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)三峽庫(kù)區(qū)滑坡形變.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),30(增刊1):126-128,134.

邢學(xué)敏,丁曉利,朱建軍等.2011.CRInSAR與PSInSAR聯(lián)合探測(cè)區(qū)域線性沉降研究.地球物理學(xué)報(bào),54(5):1193-1204,doi:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.05.008.

許才軍,何平,溫?fù)P茂.2012.利用CR-InSAR技術(shù)研究鮮水河斷層地殼形變.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),37(3):302-305.

徐小波,屈春燕,單新建等.2012.基于PS-InSAR技術(shù)的斷裂帶地殼形變實(shí)驗(yàn)研究.地球科學(xué)進(jìn)展,27(4):452-459.

袁道陽(yáng),楊明.1999.西秦嶺北緣斷裂帶的位移累積滑動(dòng)虧損特征及其破裂分段性研究.地震研究,22(4):382-389.

張希,蔣鋒云,崔篤信等.2011.四川及鄰區(qū)GPS觀測(cè)揭示的應(yīng)變積累與大震影響分析.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),31(5):9-13.

(本文編輯張正峰)

Mapping slow deformation of the middle segment of the West Qinling fault using the combined algorithm of CR-InSAR and PS-InSAR

XU Xiao-Bo1,2，QU Chun-Yan1*，SHAN Xin-Jian1，ZHANG Gui-Fang1，MA Chao3，YU Lu1，MENG Xiu-Jun1,3

1 State Key Laboratory of Earthquake Dynamics,Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing 100029,China 2 School of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Jiangsu Suzhou 215009,China 3 School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Henan Jiaozuo 454000,China

In this work,the combination of CR-InSAR and PS-InSAR technique is used to measure the trival deformation on the middle section of the West Qinling north edge fault by constructing CRPS network jointly,in which the phase is unwrapped by using the LAMBDA method.The result shows left-lateral strike-slip movement on this fault.The average deformation rates of the northern and southern walls of the fault are-1.5 mm·a-1and 2.3 mm·a-1,respectively.It means that the relative average deformation rate between two fault walls is approximately 3.8 mm·a-1,which is consistent with results from GPS measurement and geologic dating.Meanwhile,this paper details the Corner Reflector (CR points)installation,its image features and deformation solving method.Comparing the results from the CRPS-InSAR and PS-InSAR shows that the results achieved by joint inversion of CRPS network is more reliable than that from using PS points alone in complex geological environments.The result indicates that CRs play an important role in entire network，ensuring a correct and reliable deformation measurement because of its high reflection stability.

CR-InSAR；PS-InSAR；West Qinling fault；Slow deformation

徐小波，屈春燕，單新建等.2016.CR-InSAR與PS-InSAR聯(lián)合解算方法及在西秦嶺斷裂中段緩慢變形研究中的應(yīng)用.地球物理學(xué)報(bào)，59(8):2796-2805,

10.6038/cjg20160807.

Xu X B,Qu C Y,Shan X J,et al.2016.Mapping slow deformation of the middle segment of the West Qinling fault using the combined algorithm of CR-InSAR and PS-InSAR.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(8):2796-2805,doi:10.6038/cjg20160807.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41374105，41111140386)、地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題(LED2015A03，LED2013A02)和中國(guó)地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)(DF-IGCEA-2012-17)聯(lián)合資助.

徐小波，男，1988年生，博士，主要從事InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)地表形變及滑動(dòng)形變反演研究.E-mail:Tim-xxb@163.com

屈春燕，女，1966年生，博士，研究員，主要從事InSAR及紅外遙感技術(shù)在地震及斷裂活動(dòng)性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究.E-mail：dqyquchy@163.com

10.6038/cjg20160807

P237

2015-06-16,2016-05-16收修定稿