陸好健，李金平,2，邵九明，葉 帥

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.西部資源環(huán)境地理信息技術(shù)教育部工程中心，云南 昆明 650500)

通信作者簡(jiǎn)介：通信作者簡(jiǎn)介： 李金平(1964-)，男，教授，博士.

紅河斷裂帶橫貫云南省西、中、南部，是云南最具代表性的活動(dòng)斷層，控制著云南地區(qū)的主要構(gòu)造活動(dòng)[1]，是川滇塊體的西南邊界，也是研究青藏高原東南部大陸動(dòng)力學(xué)過程的重要場(chǎng)所。按運(yùn)動(dòng)性質(zhì)紅河斷裂帶可分為北、中、南3段，北段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活動(dòng)性強(qiáng)，發(fā)生過多次6級(jí)以上地震；紅河斷裂中、南段有地震歷史記錄以來沒有發(fā)生過6級(jí)以上地震[2]。紅河斷裂中、南段未來是否會(huì)發(fā)生大地震仍有爭(zhēng)議，一種觀點(diǎn)認(rèn)為，紅河斷裂帶的邊界作用弱化，未來不會(huì)有大地震發(fā)生[1，3]；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為紅河斷裂中、南段在全新世期間曾發(fā)生多次7級(jí)以上強(qiáng)烈地震活動(dòng)，復(fù)發(fā)間隔約1770～3170年，正處在大震孕育期，未來可能發(fā)生大地震[4-5]。利用多期GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)研究紅河斷裂帶形變特征及運(yùn)動(dòng)速率結(jié)果表明，受建水?dāng)嗔押托〗瓟嗔褞У挠绊?，紅河斷裂南段運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，從元江往元陽其運(yùn)動(dòng)特征由右旋走滑兼擠壓轉(zhuǎn)換為左旋拉張的轉(zhuǎn)換區(qū)、再到左旋拉張區(qū)變化，運(yùn)動(dòng)速率存在較大差異，南段活動(dòng)速率較北、中段弱[6-9]。GPS觀測(cè)能從遠(yuǎn)場(chǎng)較好地分析斷裂形變特征，但很難整體觀測(cè)斷裂帶的近場(chǎng)形變活動(dòng)規(guī)律[10]。InSAR技術(shù)中PS-InSAR、SBAS-InSAR技術(shù)克服了常規(guī) DInSAR監(jiān)測(cè)中的時(shí)空失相干因素影響，在監(jiān)測(cè)斷裂帶近場(chǎng)形變方面表現(xiàn)出了極大的潛力和優(yōu)勢(shì)。時(shí)序InSAR在研究阿爾金斷裂近場(chǎng)形變速率和運(yùn)動(dòng)特征中，發(fā)現(xiàn)與GPS測(cè)量的結(jié)果一致[11-12]。用PSInSAR[13-14]和SBAS-InSAR[15]技術(shù)分別研究了海原斷裂帶和鮮水河斷裂的地殼形變特征，獲得了斷裂的跨斷層InSAR 形變速率場(chǎng)，估算走滑運(yùn)動(dòng)速率，與GPS 和地質(zhì)學(xué)研究結(jié)果基本一致。本文選取紅河斷裂帶南段的元陽段作為研究區(qū)，利用SBAS-InSAR技術(shù)處理2015-2017年的18景Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)，研究斷裂帶近場(chǎng)形變特征。

1 SBAS-InSAR獲取斷裂帶形變的方法

SBAS-InSAR技術(shù)即短基線差分干涉測(cè)量技術(shù)，由Berardina[16]等人在2002年提出，是一種研究地表長(zhǎng)期緩慢形變的較為可靠方法,較好地提取地表形變時(shí)間序列及形變速率。其關(guān)鍵是通過設(shè)置一定范圍的時(shí)空基線閾值,實(shí)現(xiàn)干涉像對(duì)最優(yōu)組合,增加單一主影像條件下干涉圖的數(shù)量,減少空間失相干對(duì)干涉紋圖的影響，將時(shí)間基線和空間基線較長(zhǎng)的單次離散影像數(shù)據(jù)連接起來,獲得在時(shí)間上連續(xù)的形變序列,更好地反演地表形變過程及形變趨勢(shì)[17]。對(duì)相干性較好的點(diǎn)進(jìn)行相位解纏時(shí),是根據(jù)相位點(diǎn)的位置建立一個(gè)德勞內(nèi)(Delaunay)三角網(wǎng)[18],根據(jù)三角網(wǎng)的構(gòu)成確定解纏參考點(diǎn),建立相關(guān)的矩陣,應(yīng)用最小費(fèi)用流算法解決不規(guī)則格網(wǎng)的相位解纏問題,最終獲得地表微小形變信息。在SBAS算法中，差分干涉的定義為[19]：

Δφatm(x,r)+Δφn(x,r).

(1)

其中x和r為像元坐標(biāo)，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，Δd為視線向地表形變，B±為垂直基線，θ為入射角，Δz為地形殘差，Δφatm為大氣延遲相位，Δφn為噪聲相位。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

本文選用研究區(qū)為紅河斷裂帶中以元陽縣城為中心，橫跨紅河斷裂帶的長(zhǎng)條狀區(qū)域，面積約為1 800 km2(如圖1)。研究區(qū)平均海拔900～1 500 m，主要有元陽縣城和新街鎮(zhèn)等高相干信息點(diǎn)源，有利于高相干點(diǎn)的提取。圖1所示是雷達(dá)影像覆蓋范圍及紅河斷裂分布。采用18景2015-06-18—2017-07-01的歐空局Sentinel-1 SLC數(shù)據(jù)，C波段，降軌，IW模式，VV極化，入射角39.7°，表1是所用SAR數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。

編號(hào)獲取日期絕對(duì)軌道號(hào)/相對(duì)軌道號(hào)與超級(jí)主影像時(shí)間間隔/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 數(shù)據(jù)處理

本文用ENVI SARscape軟件進(jìn)行SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

先進(jìn)行SAR數(shù)據(jù)、AUX_POEORB精密軌道數(shù)據(jù)和ASTGM_GDEM 30 m高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入，裁剪研究區(qū)，調(diào)整時(shí)空基線閾值使每景數(shù)據(jù)都能夠較好地連接和配對(duì)，選定最大時(shí)間距是300 d，空間基線閾值為臨界基線的45%得到86幅干涉圖，超級(jí)主影像為20160308，每景數(shù)據(jù)的連接圖和時(shí)空基線圖如圖3(a)和圖3(b)所示。因本文處理區(qū)域多植被覆蓋，在數(shù)據(jù)處理中保留相干性閾值為0.35以上的相干點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，采用最小費(fèi)用流量法進(jìn)行解纏，將解纏相位校正到相干性較高的參考點(diǎn)上，在生成干涉圖后經(jīng)過濾波、平地相位和地形相位去除后，對(duì)條紋不清晰的干涉圖和不連續(xù)光滑的解纏結(jié)果共27對(duì)干涉對(duì)進(jìn)行移除，剩余59對(duì)相干系數(shù)較高和解纏效果較好的圖像保留進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。通過在空間上高通濾波，在時(shí)間上低通濾波分離出大氣相位和噪聲相位，經(jīng)地理編碼最終得到斷裂帶LOS向形變速率(如圖3(c))。

圖2 SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

圖3 數(shù)據(jù)連接接圖、時(shí)空基線及LOS向形變速率圖(F是紅河斷裂)

SBAS-InSAR處理的結(jié)果在ArcGIS 10.1中進(jìn)行成圖處理獲得研究區(qū)LOS向形變速率，從圖3(c)中可以看出，輸出的點(diǎn)目標(biāo)較為稀疏，主要是研究區(qū)植被覆蓋率高，高相干點(diǎn)較少且分布很不均勻所致。從圖3(c)中明顯看出南北兩盤有明顯的分層現(xiàn)象。斷裂帶北盤多是速率為正，形變數(shù)值在3.06～5.42 mm/a之間；南盤大多為速率為負(fù)，形變數(shù)值為-5.38～-3 mm/a間。

3 結(jié)果分析

北盤形變方向?yàn)檎吹孛娴狞c(diǎn)向衛(wèi)星方向移動(dòng)，在Sentinel數(shù)據(jù)的降軌右視模式下就表示地面點(diǎn)目標(biāo)隆升或自西向東運(yùn)動(dòng)。南盤形變方向?yàn)樨?fù)，表示地面點(diǎn)與衛(wèi)星的距離增加，在降軌右視模式下表明地面點(diǎn)目標(biāo)沉降或自東向西運(yùn)動(dòng)。假設(shè)在近現(xiàn)代以來點(diǎn)目標(biāo)只做水平運(yùn)動(dòng)，沒有垂直運(yùn)動(dòng)或者說垂直運(yùn)動(dòng)忽略不計(jì)，北盤點(diǎn)目標(biāo)向東運(yùn)動(dòng)恰和南盤點(diǎn)目標(biāo)向西運(yùn)動(dòng)與斷裂帶南段的右旋走滑運(yùn)動(dòng)方向一致。在此基礎(chǔ)上，做3條垂直于斷層走向的形變速率剖線(長(zhǎng)約42 km)，如圖4(a)所示，取剖線兩邊3 km范圍內(nèi)的點(diǎn)做剖面分布如圖4所示得出近斷裂帶距離速率變化明顯。可以看出在斷層線處形變速率顯示出臺(tái)階式跳變，形成約8 mm/a的跨斷層形變差異，而隨著離開斷層距離的增加，速率值基本保持不變。兩盤速率差在8 mm/左右，斷裂帶南段平均速率約為4 mm/a，與虢順民[1]給出的走滑速率為2.8 mm/a；程佳[20]給出的斷裂帶南段運(yùn)動(dòng)速率為3.5±1.5 mm/a較為一致。SBAS-InSAR處理的結(jié)果偏大有以下幾點(diǎn)原因：第一，由于假設(shè)了斷裂帶近代以來只做水平運(yùn)動(dòng)，而本文處理的結(jié)果是斷裂帶南北、東西和垂直向運(yùn)動(dòng)速率投影到衛(wèi)星視線向的形變速率，因此，本文處理的結(jié)果偏大，不過整體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是一致的。第二，SBAS-InSAR處理的運(yùn)動(dòng)速率是相對(duì)于控制點(diǎn)的速率，而控制點(diǎn)速率不一定為零，存在一定的誤差。第三，研究區(qū)植被覆蓋率高，對(duì)相位解纏有一定的影響。

圖4 跨斷層的速率剖面(距離由南向北遞增，距離約為42 km)、相位轉(zhuǎn)形變速率精度圖、精度及速率正態(tài)分布圖

研究區(qū)缺少GPS形變測(cè)量數(shù)據(jù)，無法用GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，本文試著從研究區(qū)視線向速率正態(tài)分布及相位轉(zhuǎn)速率的精度結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從精度數(shù)據(jù)來看(如圖4(b)所示)，整體研究區(qū)精度DN值都在4以內(nèi)，尤其在元陽縣城和新街鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)的高相干點(diǎn)源的DN值都在1.5以內(nèi)，其值范圍比較合理。利用SARscape中的柵格轉(zhuǎn)矢量共得20 136個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到如圖4(c)所示的點(diǎn)形變速率的正態(tài)分布，均值為0.378 4，標(biāo)準(zhǔn)差是2.854，計(jì)算值在-6.5～6.5 mm/a，占比為97.62%；-3.25～3.25 mm/a，占比為82.62%。可以看出高相干點(diǎn)速率的分布是比較合理的，SBAS-InSAR處理得到的結(jié)果比較可信。這一結(jié)果可以用來判斷當(dāng)前紅河斷裂帶南段現(xiàn)今活動(dòng)特征。

4 結(jié)束語

本文采用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了紅河斷裂帶南段地殼形變速率，并簡(jiǎn)要分析其形變特征，得到2015～2017年北盤的運(yùn)動(dòng)速率為3.06～5.42 mm/a，南盤的運(yùn)動(dòng)速率為-5.38～-3 mm/a，北盤在LOS方向表現(xiàn)為隆升，南盤沉降，符合其右旋走滑的特征，兩盤形變速率差約為8 mm/a，與虢順民[22]給出的走滑速率為2.8 mm/a；程佳[23]給出的斷裂帶南段運(yùn)動(dòng)速率為3.5±1.5 mm/a較為一致。這也表明SBAS-InSAR能可靠地監(jiān)測(cè)到地殼微小形變。由于目前只截取斷裂帶南段的一部分作為實(shí)驗(yàn)區(qū)并獲得其結(jié)果，為了全面監(jiān)測(cè)紅河斷裂帶南段的微小形變，需要進(jìn)一步融合升降軌等方式來計(jì)算三維形變，所以后期將選取斷裂帶南段元江縣或紅河縣等地區(qū)用升降軌融合等方式對(duì)紅河斷裂帶南段進(jìn)行更深入地研究分析。考慮到紅河斷裂帶復(fù)雜的地貌和高植被覆蓋的地表形態(tài)，可以使用PS-InSAR和SBAS-InSAR結(jié)合的方式來探測(cè)相干點(diǎn)或通過與GPS融合的方式來提高監(jiān)測(cè)精度。