2009级优秀学生研究性学习作品集D-InSAR技术在地震灾情快速判别

1、2009 级优秀学生研究性学习作品集 D-InSAR 技术在地震灾情快速判别中的应用 小组成员：张 晗 欧阳柳青 指导老师：姚鑫，博士、副研究员（国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室） 引言 近年来，世界各地强烈地震频发，地震造成了巨大的人员伤亡、财产损失。在我 国， 2008年5月12日8.0级汶川地震造成 8万余人死亡， 2010年4月 14日在青海 省玉树县发生的里氏 7.1 级地震造成 2698人死亡，大量房屋破坏。自然灾害的发生 不可避免，但在灾后以最快的速度尽可能把损失降至最低是我们能做的。如何达到 最快最高效的救灾效果，取决于对灾情的正确判别。 我国西部是地震高发区， 但由于

2、西部地区条件较艰苦， 地震监测台站稀少， 通过 计算获得的地震震中往往与实际有较大的偏差，因此，需要探索更有效的技术方法 去快速判别地震造成的地表破坏最严重的地方。 因此我们这次研学专门到国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室进行了 相关知识的学习，了解了应用 D-InSAR 技术快速判别地震灾情的原理和方法。在课 题研究过程中，我们学习应用软件绘制了一些图件，并在导师的指导下得出了自己 的分析结果。 、 D-InSAR 技术的基本原理 D-InSAR 是一个多重嵌套的复合缩写词， 其中 InSAR 是 Synthetic Aperture Radar Interferometry 的简称。

3、 SAR（合成孔径雷达）是一种主动式的微波传感器，以其全 天候、全天时获取地表信息的特点成为对地观测技术领域不可或缺的传感器。 InSAR （雷达干涉测量）技术成功的综合了 SAR 成像原理和干涉测量技术，利用传感器的 系统参数、姿态参数和轨道之间的几何关系等精确测量地表某一点的三维空间位置 极其微小变化。 如果重复进行干涉成像或结合已有的精细 DEM 数据来消除干涉图中 地形因素的影响，可以检测出地表的微小形变。这就是 D-InSAR （差分干涉技术） 的基本原理 通俗的说， D-InSAR 技术就是将卫星拍摄的两幅图去除地形因素并“做减法” 2009 级优秀学生研究性学习作品集 得出净地表

4、形变量的过程。在实际地质工作中，利用地震前后的干涉图像，可以监 测到同震和余震的地表变形，如果能够和 GPS 的观测数据结合起来，可以进一步提 高对地震灾害的分析和破译能力。同样的原理也可以用于火山活动的监测和滑坡、 泥石流、地表沉降监测（参考：廖明生，林珲雷达干涉测量原理与信号处理 基础）。图 1 描述了处理卫星拍摄的遥感影像的一般方法。 图 1 InSAR 遥感数据处理流程图 三、基于 InSAR 技术的玉树地震灾情快速判别 2010年 4月 14日 7时 49分，青海省玉树藏族自治州玉树县发生 7.1级地震，地 震造成 2698人遇难， 270人失踪。地震造成连续的地表破裂，大量民房倒塌

5、，其中 重灾区玉树县州府结古镇房屋倒塌最为严重。 震后第 3天（ 2010年 4月 17日）日本 ALOS 卫星系统拍摄了震中附近约 4000km2 范围内的雷达数据，为深刻理解此次地震的发生机理和形变过程， ，此次研学的导师 所在单位采用 ALOS 数据对震区进行了干涉雷达监测获得了玉树地震的同震形变场。 玉树高海拔、低起伏和稀疏植被覆盖的自然条件为获取高相关的干涉雷达像数据对 提供了良好的条件，有利于后续 InSAR 的图像处理和构造活动解译。 图 2 为国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室购置的卫星数据区域。图 3 为经处理计算获得的玉树地震灾区同震变形 InSAR 缠绕条纹图。 2

6、009 级优秀学生研究性学习作品集 图 2 卫星数据区域位置 图 3 玉树地震灾区同震变形 InSAR 缠绕条纹图（绘制：姚鑫） 2009 级优秀学生研究性学习作品集 干涉雷达获取的同震变形图像是缠绕在一个相位周期（- 弧度 ）内的观测结 果，相当于变形的等值线，每个条纹代表 11.8cm 变形。干涉条纹图像显示玉树地震 产生的变形范围为一个 NWSE 走向的椭圆形区域，干涉图像中可见两处明显变形 区，中心分别位于玉树县城 NW 侧的 A 处及微观震中以南 5km附近的 B 处。 为了更直观形象的体会地表形变量的空间分布及最值， 导师为我们提供了缠绕条 纹图的重处理图像。 图 5 为指导老师处

7、理后的干涉雷达视线向变形图（绘制：姚鑫） 图 5 干涉雷达视线向变形图（绘制：姚鑫） 将干涉雷达条纹图像解算为地表变形的垂直高差绝对量值，并按 5cm 间距绘制 等值线，就清晰地展现出一条南北走向且偏东较多的狭长的地表陡变带。其东南盘 变形为正，代表其近向东运动；西北盘变形为负，代表其近西向运动。 在指导老师的指导下，我们根据图 5选取 3个剖面用 ArcGIS 软件绘制了剖面图 2009 级优秀学生研究性学习作品集 如图 6），通过进一步的分析获得如下认识： a-a剖面 b-b剖面 c-c剖面 距离（ m） ）mc（量形变 图6 视线向变形剖面图 （1）从图 5 可以推测，玉树地震为左盘后撤

8、平移，故发震断裂应为左旋走滑断 裂。 （ 2）卫星最大拉伸等值线高值为 35cm，局部极值为 50cm，缩短等值线高值为 -30cm 左右，极值为 38cm，这些峰值都位于图 3 中的 A 区域。结合地表地理信息我 们知道这是玉树县城附近。由变形量图可见，微观震中（即震源向地表的投影）形 变较 A 区域小得多，而玉树县结古镇附近的变形最大接近 40 厘米，这在一定程度上 解释了为什么在微观震中基本无破坏而玉树县城所在位置破坏比较严重。 （3）一般而言，确定“地面破坏最严重地区”比确定微观震中对地震后续工作 帮助更大。在地质学中，与微观震中相对的，通常把它定义为 “宏观震中”，因此 我们认为 A

9、 区的中心地带可定为宏观震中。 图 7、 8 为国土资源部新构造运动与重点实验室研究人员现场拍摄的玉树地震图 片。根据现场调查我们不难看出，受损伤最大的是宏观震中即玉树县城地区，我们 确定的宏观震中大致方位与现场事实相符。 确立宏观震中对于玉树地震的研究以及后续工作有重大的意义。 它比微观震中更 加直观有效地反映了受灾最严重的地区， 易于政府和有关部门确立救灾部署的重点， 为早期盲目的抗震救灾、派遣救援人员物资的工作指明方向。宏观震中的确定也显 示了震后重建选址需避让的地区，对其有极大帮助。 2009 级优秀学生研究性学习作品集 图 7 地震灾区房屋破坏情况 A. 在剪切 -挤压作用下二楼缺失

10、， B. 建筑物和汽车被压扁， C. 一楼在剪切 -挤压作用下夷平， D. 地表破裂从建筑物中间通过 图 8 地表破裂特征 A 连续延伸的地震破裂， B 地震破裂造成河流跌水， C 帐篷状构造， D 地表破裂沿反向断坎发育， E 地表破裂造成水平位移 1.75m， F 地表破裂位错形成小型堰塞塘 2009 级优秀学生研究性学习作品集 四、感想与体会 组员：张晗 InSAR 技术有助于判定地壳活动方向， 判别主被动盘， 对地震进行快速判定。 根 据条纹的分布分析形变量空间分布有助于确定宏观震中。根据得出的分析，结合地 表地理信息可以确定伤亡最严重地区，从而确定救灾部署的重点，在重建选址工作 中也可以进行活动断裂带的避让。 D-InSAR 技术确定的宏观震中较被普遍认识的微 观震中有更大的实际应用价值和领域。 应用 InSAR 技术进行分析需要综合数学、物理、地理等学科内容，使得知识紧 密联系，也增长了我们对学习这些学科的兴趣。 组员