汶川Mw7.9地震InSAR同震形变场的校检
2022-03-03
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第3O卷第2期 2 0 1 0年4月 大地测量与地球动力学 JOURNAL OF GEODESY AND GEODYNAMICS Vo1.3O No.2 Apr.,2010 文章编号:1671-5942(2010)02-0014-06 汶川Mw7.9地震InSAR同震形变场的校检 谭 凯 沈 强 乔学军 杨少敏 、 ,1)中国地震局地震研究所,武汉430071 \2)地壳运动与地球观测实验室,武汉430071/ 摘 要 用GPS实测结果对由ALOS PALSAR数据获取的汶川Mw7.9地震InSAR同震形变场结果进行校检和误 差分析,结果表明InSAR LOS观测值含有断裂两侧的常数误差和断层单侧双线性误差。经分析,断层两侧的常数 误差由断层破裂两侧相位差引起,单侧双线性误差可能是卫星轨道偏移误差引起的。用GPS结果校准后的InSAR 同震形变场与根据地震波反演给出的形变场基本符合,InSAR形变误差约为5cm。 关键词 汶川地震;InSAR;同震形变;龙门山断裂;GPS 中图分类号:P315.3 3 文献标识码:A TEST oF INSAR CoSEISMIC DEFoRMATIoNS FIELD oF WENCHUAN Mw7.9 EARTHQUAKE Tan Kai。’ ,Shen Qiang , ,Qiao Xuejun , and Yang Shaomin ' f1)Institute ofSeismology,CEA,Wuhan 430071\ I 2)Crustaz Move玎。en Lab0,口. 0, ,Wuh0n 43007 1 J Abstract The InSAR c0seismic deformation intefferogrames derived from ALOS PALSAR data caused by the Wencbuan M .9 earthquake was tested by Using GPs measurements.There are constant errors between two sides of the rupture.and bilinear errors of one side of the rupture.It iS believed that the constant errors iS caused by the phase difference and bilinear errors by the satellite orbit offset error.The InSAR coseismic deformation field calibra— ted by GPS data are consistent with the forward model inverted from earthquake wave results,the error of calibrated InSAR coseismic deformation iS about 5 cm. Key words:Wenchuan w7.9 earthquake;InSAR;coseismic deformation;Longmenshan fault;GPS 1 引言 合成孔径雷达干涉成像(InSAR)能提供高精 度、高分辨率的地表位移图像,在地震形变监测及动 力学研究中得到广泛应用 卜 。早期一般根据In. SAR单一资料对某个地区进行研究,这样有时侯会 导致InSAR图像的错误解释 。所以,在应用In SAR单一数据之前,需要根据可能的误差源对数据 进行改正。尽管如此,InSAR数据处理中仍然无法 单独解决某些问题。近年来,将地壳形变的InSAR 观测与GPS监测、地震台网监测、现场地质调查等 多手段结合起来研究地震成因与机制成为一种趋 势 J。但我们发现,有时不同的资料给出的观测 值存在差异,即使相同的观测值,如果InSAR与其 收稿日期:2009—12—14 基金项目:国家科技支撑计划(2008BAC35B04—5);国家自然科学基金(40974012,40774014);中国地震局地震研究所科技发展基金 (IS200726005);地震科学联合基金(606001);冰冻圈国家重点实验室基金(SKLCS09一O3) 作者简介:谭凯,博士,副研究员,主要从事大地测量与地球动力学、震时震后形变、地震危险性研究.E—mail:whgpstan@gmail.COlll 第2期 谭凯等:汶川Mw7.9地震InSAR同震形变场的校检 15 他资料的权重不同,也会得到不同的解释结果。因 界(模型的空间分辨率为3 S,水平和垂直精度分别 为20 m和16 ml】 ),相位解缠利用斯坦福大学的 SNAPHU程序¨ 完成。SNAPHU以统计方法为基 础,先利用轨道参数计算各点的概略位置,配合各点 的相干性,从相干性高的点逐步推求至周边,以最大 后验概率求取最佳解,最终完成整幅干涉图的相位 解缠。图2是相应的LOS形变场。 此,InSAR数据与其他数据融合之前,不同资料之间 的检验校准、精度评定以及给出不同资料的权重是 很重要的。 为此,我们用420个GPS站同震形变场以及地 震震源机制解,对利用L波段数据获取的汶川 w7.9地震InSAR同震形变场进行检验、误差分析 和精度评定,为不同数据在融合研究中选择合理的 权重提供依据。 2 InSAR同震形变场及相关GPS、地 震波资料 汶川Mw7.9地震发生在青藏高原的东边界,断 层西侧为高山区。山区由于雷达图像叠掩、前缩、阴 影,以及致密的植被覆盖等因素的影响,雷达回波中 噪声加大,波长5.6 ClTI的C波段雷达系统几乎得不 到任何有意义的干涉信息;而波长较长的L波段 (23.6 cm)雷达系统的雷达波能够在很大程度上克 服这些问题,使得2次成像中雷达后向散射保持很 好的相关性,大大提高了干涉信号的相干性和干涉 相位的信噪比 J。因此,我们用日本宇航局 (JAXA)的ALOS PALSAR数据(L波段)获取汶川 地震的形变场(图1)。 LMSF,龙门山断裂;震源机制球,2008年5月12日汶川Mw7.9 地震;大黑球,历史上的8级地震;小黑球,历史上的7级地震; 彩色条纹,汶川Mw7.9级地震InSAR同震干涉条纹;红箭头,地 壳运动速率 图1 区域构造、地震分布及InSAR观测干涉图 Fig.1 Local tectonic,earthquakes and InSAR measure— ment interferogram 利用美国JPL研发的ROI—PAC软件¨ ,采用 两轨法对原始数据进行干涉计算,并采用NASA发 布的SRTM数字高程模型(DEM)消除地形相位分 黑点,GPS点;红点,汶川Mw7.9震中;中央狭长的黑四边形,需 要去掉InSAR观测值的失相干区 图2 InSAR LOS观测值(远离卫星为正) Fig.2 InSAR LOS measurements 汶川地震后,中国地震局地震研究所等单位对 该地区的网络工程点、国家大地测量A级B级点及 四川省精化大地水准面的GPS点进行了GPS观测, 流动站观测时段在36~70小时。除了流动GPS站 外,还在断层两侧新建了20个连续GPS站。数据 采集采用双频GPS接收机(Ashtech Z12,Trimble 5700,Trimble R7,R8,Leica Grxl200等)。联合周边 地区IGS固定站统一进行数据处理,获得了离震区 较近的420个测站的统一参考框架下的三维形变场 (水平形变精度一般在3~5 mill以内,垂直形变场 的精度较低,但是对于量级较大的同震形变场来说 还是很可靠的)。 用于InSAR比较分析的地震波资料是其他学 者利用波形数据反演得到的震源机制解和破裂过程 的结果 。 3 InSAR同震形变的GPS校检 3.1 InSAR LOS观测值与GPS观测值的 剖面比对 将InSAR观测值分为两组,在每组观测值上做 垂直于破裂的多条剖面线,将剖面线上的LOS观测 16 大地测量与地球动力学 30卷 值绘制成不同颜色的连续曲线。为了与InSAR观 发现InSAR剖面(彩色连续线)与GPS剖面(黑三角 点)的形状基本一致,但是InSAR剖面线与GPS剖 测值比对,将GPS三维形变投影到视向线方向即 LOS方向上(远离卫星为正方向),并将剖面线附近 面线之问有一个常数差,将InSAR剖面线上下移动 某个常数,则与GPS剖面线基本吻合(图3)。 的GPS LOS观测值绘制在相应的剖面图上。我们 瑚锄鲫跚铷伽枷娜姗瑚抛啪瑚 o珊瑚 (a)InSART涉图、GPs点位、剖面位置 珊锄鲫跚姗蜘枷l罨姗 枷珊瑚 。踟 ・ —蛐 …-● - … 一~一 ・ Pmfite09-12 。,拼‘I’ r一 -Pmfit ̄O5-O8 .土 一 r ‘一… } Pmfite01_04 l'mfit ̄O9-l3 -150-100=50 0 0 100 1550 -150-100-50 0 0 1500 150 Co)LOS InsAI溉测值(连续曲线)、GPS观测值(黑三角点) 图3视向线形变剖面InSAR观测值与GPS观测值的比对 Fig.3 Comparison between InSAR and GPS of LOS deformation profiles 3.2 InSAR误差分析及精度评定 将InSAR观测区按经纬度差0.05。离散化,相 差(图4),有些图幅破裂同侧误差值之间还存在少 量的线性变化误差。将每幅图按地震破裂分为东西 邻图幅的重合点只统计一次,扣除失相干区域点,共 两区(共16个区域),用平面、斜面或者变化非常缓 慢的曲面对每个区域的误差值进行拟合,根据拟合 曲面求得InSAR离散点的误差值,然后再根据In- 得到5 190个按规律排列的InSAR观测值点。420 个GPS点既有InSAR LOS观测值,也有根据GPS三 维形变计算的LOS观测值。 将GPS LOS观测值与InSAR LOS观测值相减, 得到两种数据在公共点(GPS点)上的不符值,如果 把GPS结果看做真值,则GPS与InSAR的不符值就 是InSAR误差值。误差值基本以地震破裂带为界 SAR观测值和误差值得到校准后的LOS观测值。 将相邻图幅重合点校准后的InSAR观测值取平均 值,得到统一的校准后的InSAR观测值。根据相邻 图幅重合点的差值,可以大致求得InSAR观测值的 统计精度。由于可能没有全部去除掉InSAR失相 东西分布,破裂两侧的误差值之问存在明显的常数 干区域,校准后的InSAR观测值存在部分残差很大 第2期 谭凯等:汶川Mw7.9地震InSAR同震形变场的校检 17 的点。因此,为了体现校准后InSAR观测值的整体 精度,我们将校准后InSAR重合点的差值从小到大 破裂两侧相位常数差和轨道影响双线性误差作为未 知数,并采用相邻图幅公共点误差最小原则,对所有 排列,去掉上下两端各5%的重合点,余下重合点差 值统计中误差在5~10 em间,明显大于InSAR本身 的理论误差,这可能是由于每幅图分别处理,相邻图 数据统一处理,以解算相位常数差和双线性误差未 知数。最终得到统一的InSAR LOS观测值如如图5 所示。根据该结果的相邻图幅重合点做统计精度分 幅之间没有约束配准,导致一些人为误差所致。 析,其中误差约为5 em。 为提高InSAR LOS观测值校准精度,引入地震 3O 6o 耳 20 晷 05 1O 40 道 0 道 3o 删 .1O 20 l0 .30 至 O -4o .10 d8/勇)I悄so l5o lo0 县 l00 75 翥 5o 5O 25 § 0 0 -50 -25 7O g 6D 05 嘉 晷 04 \ 3o 重 2D 剁 l0 ∞ 0 0 .1O 瑚 --40 05. 耳 40 0 翥 3O g .5 2o -lO .§ 迪 15 l0 -20 O 8 -25 .1O 瑚 -35 图4 GPS点上的GPS LOS观测值与InSAR LOS观测值的差值 Fig.4 LOS measurement Differences between GPS and InSAR at GPS stations l8 大地测量与地球动力学 30卷 破裂过程。我们根据张勇等 的反演结果设定主 要破裂段(映秀到北川)的长、宽、深、倾角、走向、滑 动量和滑动角,震源位置参考CMT震源机制解 , 给出汶川地震主要破裂段的破裂参数,并根据弹性 半空间均匀位错模型得到InSAR LOS模拟值(图 6)。该模拟结果与我们根据GPS观测值校准后的 InSAR观测值在形状上基本一致。但是其均衡滑动 假设没有反映出龙门山断裂南部逆冲及从南到北的 分段滑动特征,而我们的GPS观测值以及校准后的 InSAR观测值都较好地反映了破裂的分段性和破裂 的细部特征。 图5 GPS校准后的InSAR LOS观测值(远离卫星为正) Fig.5 Calibrated InSAR LOS measurements by using GPS measurements 3.3用GPS点的绝对相位值重新进行In— SAR解算 运用GPS点三维同震形变得到某点的LOS绝 对相位值,选取最优积分路径对InSAR重新进行解 算,并用GPS LOS观测值对重新计算的InSAR LOS 观测值进行检验。发现:重新计算后的断裂两侧相 位常数差大为减弱;相对形变与图1的InSAR结果 的相对形变一致,残余误差的统计分析结果也与前 面的分析基本一致。 图6根据地震波反演结果模拟的InSAR LOS形变场 (远离卫星为正) Fig.6 Modeled InSAR LOS deformations based on inverted earthquake wave results 4用地震波反演结果进行检验 根据地震波形数据反演可以得到震源机制解和 表1地震波反演给出的地震断层破裂参数 Tab.1 Rupture parameters inverted from earthquake waves 5结论 用GPS实测结果对InSAR结果进行检校,发现 InSAR LOS的误差存在断裂两侧常数误差和单侧双 线性误差。研究认为破裂两侧的常数误差是由破裂 两侧的相位差引起的,单侧双线性误差是由于卫星 要根据校准后的误差确定不同资料的权重。 参考文献 1 Massonnet D,et a1.The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry[J].Nature, 1993,364:138—142. 轨道偏移误差引起的。引入GPS绝对相位值对In— SAR数据重新进行处理,重新处理后的误差大为减 弱。研究还表明,汶川 w7.9地震的InSAR同震形 变场与GPS同震形变场基本一致,与根据地震波反 演得出的形变场基本符合。但在数据应用和融合中 需要引入断裂两侧相位常数差和轨道误差,并且需 2乔学军,郭利民.新疆伽师强震群的InSAR观测研究 [J].大地测量与地球动力学,2007,(1):7—13.(Qaio Xuejun and Guo Limin.Study on Jiashi strong earthquake swarm area by InSAR[J].Journal of Geodesy and Geody— namics,2007,(1):7—13) 3 Lasserre C.et a1.Coseismic deformation of the 2001 w7.8 Kokoxili earthquake in Tibet,measured(下转第24页) 大地测量与地球动力学 30卷 (上接第l8页) by synthetic aperture radar interferometry J J J.Journal of Ge— ophysical Research,2005,1 10,B12408,doi:10.1029/ 应用[J].大地测量与地球动力学,2004,(3):87—91. 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