李 飛，楊成生

（1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 7121002；2. 長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710054）

火山噴發(fā)是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，其結(jié)果不但會(huì)直接造成人員和財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)引起氣候變化，引發(fā)自然災(zāi)害[1]。自1991 年菲律賓Pinatubo 火山噴發(fā)之后，全球的火山活動(dòng)進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)活躍的時(shí)期[1]。世界上大部分的火山位于人口密集的發(fā)展中國(guó)家。因此，世界各國(guó)都非常重視關(guān)于火山噴發(fā)的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)，以便最大程度減少火山噴發(fā)造成的損失[2]。

1 研究區(qū)域概況

大錫特金島位于太平洋海域（美國(guó)火山島），總面積245 km2，長(zhǎng)19 km、寬13 km，隸屬安德烈亞諾夫群島，歸阿拉斯加州管轄，最高點(diǎn)海拔1 740 m，島上無(wú)人居住[3]。大錫特金火山基本大體呈橢圓形（長(zhǎng)半軸5.5 km，短半軸4 km），是由一個(gè)年代較早且頂部已消失的中央火山以及西北側(cè)的寄生火山錐組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，寄生火山錐上方崩塌而形成了一個(gè)直徑約為1.2 km的破火山口。全島最高點(diǎn)位于中央火山的東南側(cè)殘頂，海拔1 740 m。大錫特金火山自18 世紀(jì)后期起有較多次火山活動(dòng)記錄，大多規(guī)模較小。最新一次火山活動(dòng)發(fā)生于2013年9月，此次規(guī)模較大，阿拉斯加火山觀測(cè)所已經(jīng)將這座火山的警戒級(jí)別上調(diào)至黃色（建議級(jí)），并且可以清晰地看到大錫特金火山西側(cè)破火山口內(nèi)的火山穹丘正在持續(xù)地噴出氣體。該火山在2013年9月發(fā)生的劇烈噴發(fā)，對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和氣候造成嚴(yán)重的影響。據(jù)觀測(cè)資料表明，大錫特金火山在噴發(fā)之前，其表面已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的形變。

2 TerraSAR-X衛(wèi)星及數(shù)據(jù)查詢

由德國(guó)和歐洲合作開發(fā)的TerraSAR-X 衛(wèi)星，于2007-06-15 發(fā)射升空，軌道位于極地軌道上高514 km[4]，所使用的雷達(dá)波段為X 波段，衛(wèi)星分辨率大約1 m，壽命5 a（在排除氣象條件、照度、云層覆蓋的情況下）。本次實(shí)驗(yàn)所采用的研究區(qū)域位于太平洋海域的大錫特金島的大錫特金火山，大錫特金島（51.40～52.10N,175.48～176.17W），采用SAR 數(shù)據(jù)為TerraSAR-X，查詢到10景數(shù)據(jù)，采用了其中的4景數(shù)據(jù)。表1為覆蓋研究區(qū)域的TerraSAR 數(shù)據(jù)列表，合計(jì)4 景數(shù)據(jù)，第一景數(shù)據(jù)的拍攝時(shí)間為2013-08-16，第二 景2013-08-27， 第 三 景2014-08-03， 第 四 景2014-08-14。

表1 TerraSAR數(shù)據(jù)列表

3 DEM數(shù)據(jù)獲取

SRTM DEM是美國(guó)航空航天局（NASA）和美國(guó)國(guó)家測(cè)繪局同歐洲國(guó)家合作，共同研發(fā)的一臺(tái)遙感測(cè)繪系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)搭載在航天飛機(jī)上進(jìn)行了11 d的飛行，共獲得數(shù)據(jù)9.8 萬(wàn)億字節(jié)，全球陸地80%被覆蓋，歷經(jīng)數(shù)年構(gòu)建了全球數(shù)字高程模型，數(shù)據(jù)處理時(shí)長(zhǎng)為2 a[5]。目前其精度仍在隨算法更新而進(jìn)步。獲取SRTM DEM首先進(jìn)入網(wǎng)站http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/，選擇30 m分辨率版本的DEM 進(jìn)行下載， 查詢區(qū)域?yàn)?1.40～52.10N，175.48～176.17W，下載文件共4個(gè)，分別是N51W176、N51W177、N52W176、N52W177。

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 D-InSAR技術(shù)處理流程

主要工具為ENVI 軟件下的SARscape 的D-InSAR Displacement Workflow模塊。

1）基線估算：估算時(shí)間基線和空間基線以及多普勒偏移等主從數(shù)據(jù)的情況[6]，是進(jìn)行后續(xù)工作的必要條件。

2）數(shù)據(jù)的導(dǎo)入：要進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入必須將原始的TerraSAR-X 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為SARscape 的格式，因此還必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的工作，將原始RAW格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SLC 單視復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入工作。數(shù)據(jù)的導(dǎo)入工作完成之后，會(huì)生成視數(shù)比的數(shù)據(jù)。

3）干涉圖的生成：此時(shí)根據(jù)前一步驟導(dǎo)入數(shù)據(jù)生成的視數(shù)比，將距離和方向視數(shù)分別改為14和6[6]，制圖分辨率設(shè)置為25，然后進(jìn)行干涉圖的生成。

4）濾波和相干性計(jì)算：此步驟的目的是為了去除噪聲和計(jì)算相干性是否滿足要求。選用Goldstein濾波法，減少失相干噪聲，提升干涉條紋清晰度[7]。

5）相位解纏：相位變化超過(guò)周期2π，便重新開始和循環(huán)。相位解纏解決2π模糊的問(wèn)題，解纏后濾波相位與地形信息的線性變化相對(duì)應(yīng)[8]。解纏方法使用的是Minimum Cost Flow，解纏分解等級(jí)設(shè)置為1。

6）控制點(diǎn)的選擇：在已有文件或用于軌道精煉的控制點(diǎn)文件中選擇控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)的優(yōu)選相干性高的干涉圖區(qū)域，避開未去除地形相位區(qū)域、變化的區(qū)域和解纏錯(cuò)誤區(qū)域[9]。

7）軌道精煉和重去平：用Automatic Refinement方法進(jìn)行軌道精煉，計(jì)算相位偏移，糾正衛(wèi)星軌道和相位偏移，消除可能的斜坡相位[6]，這種方法是首先根據(jù)輸入的控制點(diǎn)估算軌道形態(tài)，并將軌道精煉的多項(xiàng)式次數(shù)選擇3次。

8）相位轉(zhuǎn)形變及地理編碼：將經(jīng)過(guò)絕對(duì)校準(zhǔn)和解纏的相位結(jié)合合成相位，轉(zhuǎn)換為形變數(shù)據(jù)以及地理編碼到制圖坐標(biāo)系統(tǒng)，將得到LOS 方向上的形變[10]。其中相干性閾值設(shè)置為0.18，并且不計(jì)算垂直方向的形變以及斜坡形變，并將方位角和入射角的角度設(shè)置為0°，X方向的水平分辨率和Y方向上的水平分辨率設(shè)置為25，并去除圖像外的無(wú)用值，這一步的目的是對(duì)圖像外的區(qū)域做掩膜處理。

9）結(jié)果輸出：自動(dòng)對(duì)形變數(shù)據(jù)進(jìn)行密度分割并配色展示，成果如圖1所示。

圖1 2013-08-06～2013-08-27最終形變圖

4.2 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)上述的二軌法D-InSAR處理，得到2013-08-16與2013-08-27，以及2014-08-03與2014-08-14期間大錫特金火山的表面形變結(jié)果圖。接下來(lái)將會(huì)對(duì)2013年8 月期間與2014 年8 月期間大錫特金火山表面形變量進(jìn)行對(duì)比分析，包括火山表面整體形變量時(shí)間對(duì)比分析、以及垂直于火山口的兩條剖線的剖面形變量的對(duì)比分析。

4.2.1 火山表面整體形變量時(shí)間對(duì)比分析

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大錫特金火山在2013年9月曾發(fā)生過(guò)一次劇烈的噴發(fā)，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成巨大的影響，圖1和圖2以及圖4是火山噴發(fā)前后的火山表面形變結(jié)果圖，由于兩幅形變圖是在火山噴發(fā)前后生成的，因此分析這兩幅形變圖對(duì)于研究火山噴發(fā)與火山表面形變之間的關(guān)系有重要的意義。

圖2 2014-08-03～2014-08-14最終形變圖

圖4 2014-08-03～2014-08-14剖線方向圖

圖1 表示了2013 年8 月期間大錫特金火山表面形變量結(jié)果圖，從圖中可以看出大錫特金火山的火山口有明顯的隆起，形變量最高達(dá)到了+3.4 cm，隨著遠(yuǎn)離火山口，隆起的形變量逐漸降低，到了火山口的邊緣形變量基本為0。隨著距離火山口越來(lái)越遠(yuǎn)，火山表面雖然出現(xiàn)了沉降，但是沉降量并不大，基本在-9 mm左右，并且到了火山的山腳下趨于穩(wěn)定。

圖2 表示了2014 年8 月期間大錫特金火山表面形變量結(jié)果圖，從圖中可以看出大錫特金火山的火山口形變并不明顯，只有輕微的沉降形變量，形變量大約為-5 mm。隨著距離火山口的越來(lái)越遠(yuǎn)，直至大錫特金火山的山腳下，形變量基本上沒(méi)有變化，大體形變量在-5 mm～+5 mm之間徘徊，整體上趨于穩(wěn)定。

圖1 是在火山噴發(fā)前大約半個(gè)月生成的形變圖，從圖中可以看出，火山口附近有明顯的隆起，而且距離火山口水平距離1 km之內(nèi)的圓周范圍內(nèi)的隆起形變量與火山口的隆起形變量非常接近，大約為+3 cm，這說(shuō)明火山噴發(fā)前期，火山口周圍會(huì)有明顯的隆起，且隆起的形變量大約在+3 cm 左右。火山內(nèi)部噴出物快速由火山口向地表釋放，形成隆起。上覆巖層圍壓，使巖漿中的大量揮發(fā)分無(wú)法溢出，當(dāng)巖漿上升接近地表時(shí)[11]，壓力增大，會(huì)造成火山表面的隆起，當(dāng)表面壓力承受值超出一定閾值之后，火山便會(huì)噴發(fā)。

圖2 是在火山噴發(fā)之后大約8 個(gè)月生成的形變圖，從圖中可以看出，在火山口附近沒(méi)有明顯的形變，而且距離火山口水平距離1 km之內(nèi)的圓周范圍內(nèi)的形變量也非常小，與火山口附近的形變量基本一致，大多在±5 mm 之間徘徊。據(jù)可靠的觀測(cè)資料顯示，在2013年9月期間大錫特金火山噴發(fā)之后，該火山的活動(dòng)趨于穩(wěn)定。此時(shí)可以說(shuō)明，在火山活動(dòng)趨于穩(wěn)定的期間，火山口附近及周圍1 km之內(nèi)的區(qū)域表面形變非常微小，數(shù)值在±5 mm之間徘徊，沒(méi)有明顯的隆起現(xiàn)象。

由此可以得出結(jié)論，在火山噴發(fā)的前夕，必然會(huì)伴隨著火山口附近地表的隆起，隆起形變量大約在+3 cm左右。隨著火山噴發(fā)之后的火山活動(dòng)日趨穩(wěn)定，火山口及附近地表的形變量微乎其微，大約在-5 mm～+5 mm之間徘徊。通過(guò)雷達(dá)影像對(duì)可能發(fā)生火山噴發(fā)的地區(qū)進(jìn)行干涉處理，生成地表形變圖，可以有效地監(jiān)測(cè)火山活動(dòng)的情況，對(duì)于火山噴發(fā)的早期預(yù)警、火山災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、火山噴發(fā)的災(zāi)后疏散都有著非常積極的作用。

4.2.2 剖面分析

通過(guò)火山表面整體形變量對(duì)比分析，表明火山噴發(fā)前夕，火山口及附近地表會(huì)隆起，且隆起形變量在+3 cm左右。而在火山活動(dòng)趨于穩(wěn)定的時(shí)期，火山口及附近地表的形變量非常微小，大約形變量在-5 mm～+5 mm之間。接下來(lái)將會(huì)做垂直于火山口的兩條剖線，并進(jìn)行剖面形變量對(duì)比分析，來(lái)驗(yàn)證上述結(jié)論。

如圖3、4所示，所做的2條剖線分別垂直于火山口。其中L1 方向?yàn)閺奈飨驏|，L2 方向垂直于L1 方向?yàn)閺哪系奖?，然后分?013 年8 月形變圖和2014 年8 月形變圖沿著2 條剖線的剖面形變量，并進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證上述結(jié)論。

圖3 2013-08-06～2013-08-27剖線方向圖

圖5表示大錫特金火山在2013年8月期間和2014年8 月期間在L1 方向的剖面形變量走勢(shì)圖，圖6 表示大錫特金火山在2013年8月期間和2014年8月期間在L2方向的剖面形變量走勢(shì)圖。兩幅圖中分別都有火山口在剖線L1 方向和剖線L2 方向的相對(duì)位置，以此來(lái)分析火山口在L1方向和L2方向的剖面形變量走勢(shì)圖，并推斷火山表面形變與火山噴發(fā)的關(guān)系。由2013年8月期間大錫特金火山表面形變圖可知，在火山口及附近地表出現(xiàn)了明顯的隆起，隆起形變量達(dá)到了+3 cm。在火山噴發(fā)之后，火山活動(dòng)日趨穩(wěn)定的時(shí)期，大錫特金火山在2014年8月期間的形變圖表明，火山口及附近地表的形變量非常微小，基本在-5 mm～+5 mm之間徘徊。

圖5 大錫特金火山L1方向剖面圖

圖6 大錫特金火山L2方向剖面圖

如圖5 所示，大錫特金火山在2013 年8 月期間沿著L1方向的剖面形變基本都在+3 cm左右，沒(méi)有太大的波動(dòng)，并且距離火山口越近，形變量越大，在火山口位置的形變量達(dá)到了頂峰，此時(shí)臨近火山噴發(fā)，因此大錫特金火山沿著L1方向的形變量都非常高。從圖5中又可以看出，大錫特金火山在2014年8 月期間沿著L1方向的剖面形變非常微小，基本都在-5 mm～+5 mm之間徘徊，隨著距離火山口越近，形變量基本為0，這是因?yàn)榫嚯x火山噴發(fā)已經(jīng)過(guò)去了11個(gè)月，火山活動(dòng)日趨穩(wěn)定，沒(méi)有太大的波動(dòng)。

如圖6 所示，大錫特金火山在2013 年8 月期間沿著L2 方向的剖面形變與沿著L1 方向的剖面形變基本一致，都是保持在+3 cm 左右的隆起形變，并且距離火山口越近，隆起的形變量越大。從圖6中又可以看出，大錫特金火山在2014年8月期間沿著L2方向的剖面形變與沿著L1 方向的剖面形變雖然略有不同，但大體趨勢(shì)一致，都是形變量非常小，基本在-5 mm～+5 mm之間徘徊，并且距離火山口越近，形變量幾乎為0。

上述所選的兩條剖線L1 與L2 具有代表性，通過(guò)2013年8月期間和2014年8月期間大錫特金火山沿著L1 方向與L2 方向的剖面形變圖，并進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證上述結(jié)論。得出了大錫特金火山在噴發(fā)前夕，火山口及附近地表會(huì)有隆起，隆起形變量約在+3 cm 左右，在火山活動(dòng)日趨穩(wěn)定的時(shí)期，火山口及附近地表會(huì)有微小形變，形變量約在-5 mm～+5 mm左右。通過(guò)分析一段時(shí)間內(nèi)火山表面的形變量，推測(cè)火山是否有噴發(fā)的可能，對(duì)于火山噴發(fā)災(zāi)害早期預(yù)警，災(zāi)后疏散有著非常重要的作用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用D-InSAR技術(shù)對(duì)大錫特金火山的表面形變量進(jìn)行分析，說(shuō)明了火山表面隆起及沉降的情況，并繪制了時(shí)序的剖面圖，直觀地揭示出火山表面形變與火山噴發(fā)之間的關(guān)系，也證明所采用的分析方法對(duì)地面形變監(jiān)測(cè)真實(shí)有效。