福建省泉州地区断裂带地壳形变PS-InSAR监测

福建省泉州地区断裂带地壳形变PS-InSAR监测

田福金1， 郭建明2

(1.南京地质调查中心，江苏 南京210016；

2.中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心，甘肃 兰州730000)

摘要：PS-InSAR 技术能够有效降低常规差分干涉雷达受时间失相干、空间失相干和大气效应的影响，在常规D-InSAR不能形成干涉条纹的情况下，可利用时间序列的雷达影像和相位稳定的永久散射体目标点获取离散的PS像素点形变速率。以福建省泉州地区的断裂带为研究对象，对1996-1999年的22景ERS SAR数据进行PS-InSAR处理，得出研究区主要断裂的视线向位移速率为3～5 mm/a，表明该区断裂仍有一定的活动性，具有潜在的地震危险。

关键词：PS-InSAR； 泉州地区； 永久散射体； 断裂带； 地壳形变

收稿日期：*2014-05-14

基金项目：中国地质调查局“海峡西岸重点地区活动断裂调查与区域地壳稳定性评价”项目(1212012220009)；“海峡西岸经济区地质环境调查评价与区划综合研究”项目(1212011140030)；中国科学院“西部行动计划项目”(KZCX2-XB3-12)

作者简介：田福金(1981-)，男，助理研究员，主要从事水工环地质调查工作.E-mail：tfj250207@163.com

通讯作者：郭建明(1973-)，男，副研究员，主要从事构造地质学研究.E-mail：gjm2001cn@yahoo.com

中图分类号:P315； P223文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0196

ApplicationofthePS-InSARTechniquetoCrustalDeformationof

FaultZonesintheQuanzhouAreaofFujianProvince

TIANFu-jin1， GUO Jian-ming2

(1.Nanjing Center，China Geological Survey，Nanjing，Jiangsu210016，China；

2.Lanzhou Research Center of Oil & Gas Resources，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，

Lanzhou，Gansu730000，China)

Abstract：The interferometric SAR (Synthetic Aperture Radar)technique has the capability to measure ground deformation in a wide range of applications.It is possible to exploit (Differential-) SAR interferometry to measure small terrain displacements，but single measurements can be considered reliable only in cases of larger displacements，and several types of incoherent temporal change reduce the accuracy of the interferometric phase.The exploitation of several measures (i.e.，interferometric stacking and analysis of SAR phase time series) is of great interest with regard to the improvement of single measurements.The exploitation of a series of N SAR images (interferometric stacking) allows the identification of areas (pixels) that show a coherent and consistent signal (displacement) over time. The persistent scatterer (PS)-InSAR technique，which is more applicable to point targets and man-made features than InSAR，can effectively reduce the losses of temporal and spatial coherence，and reduce the influence of atmospheric effects. In cases where interference fringes of conventional D-InSAR cannot be formed，radar image time series and the phase stability of permanent point targets can be used to obtain deformation rates of discrete PS pixels.The Stanford method for persistent scatterers (StaMPS) software package that implements an InSAR persistent scatterer (PS) method is used in the study.There are two preprocessing steps necessary before beginning the PS/MTI processing method：focusing of the raw data and forming interferograms from single-look complex images.ROI PAC was used for the focusing and Doris for the interferogram formation.The fault zones located in Quanzhou in Fujian Province are the research object，and 22 ERS SAR datasets from 1996 to 1999 were used for processing by the PS-InSAR method. After the steps of SLC image generation，interferogram formation，phase noise estimation，PS selection，PS weeding，phase correction，and phase unwrapping，the time series of each pixel was processed separately and a set of height residuals and average displacement rates was extensively tested；the pair “flattening at best” the measured phases was selected as the solution. We obtained the crustal deformation that corresponded to the maximization of the temporal coherence of the pixel time series for a linear displacement of the active fault in the Quanzhou area. The results show that the displacement rate of the main faults is 3～5 mm/a，indicating that the fault zones remain active with the potential for seismic hazard.

Keywords：PS-InSAR；Quanzhouarea；PSupermanetscatterers；faultzone；crustaldeformation

0引言

福建省地处我国东南沿海大陆边缘，靠近欧亚板块与菲律宾板块的汇聚边界。菲律宾板块的向西推挤以及欧亚板块的向东仰冲相互作用于台湾岛，形成以中央山脉隆起区为主的台湾挤压构造变形带，成为现今最强烈的地壳构造变形区之一。受该板块活动的影响，与台湾隔海相邻的福建地区是我国大陆东南沿海地震活动最强的主体活动构造区[1]。

福建地区的构造由NE向和NW向2组断裂控制，NE向断裂带有政和—大埔断裂带、长乐—南澳断裂带和滨海断裂带3条深大断裂带；NW向为韩江断裂、九龙江断裂、永安—晋江断裂、兴化湾断裂和闽江断裂等断裂带[2-3](图1)。据野外和震源机制解工作，这些断裂多表现为高角度的走滑断裂，具有一定的垂直分量[4-5]。据GPS观测结果，福建地区断裂的活动速率为3mm/a左右[6]。

图1　福建省断裂构造解译图 Fig.1　Faults structure interpretation of Fujian province

随着近年来卫星技术的发展，雷达遥感技术对地面形变的监测取得了巨大成功。尤其是20世纪 60年代发展起来的合成孔径雷达干涉测量技术(SyntheticApertureRadarInterferometry，简称InSAR)，具有全天候和连续空间覆盖的特征，而且通过差分干涉雷达测量技术(D-InSAR)能够测量地面形变厘米甚至毫米级的形变[7-9]。但常规的D-InSAR形变监测技术在精度上受到时间和空间失相干和大气延迟效应的影响，严重地制约着D-InSAR技术在地面形变监测中的进一步应用。

为解决常规D-InSAR技术的干涉相位失相干和大气影响等瓶颈问题，有研究者提出了永久散射体干涉测量技术[10-13]。所谓永久散射体(PermanentScatterers，简称PS)就是指能在相当长的时间内保持稳定反射特性的散射体。它能够有效地降低常规差分干涉雷达受时间失相干，空间失相干和大气效应的影响，在常规D-InSAR不能形成干涉条纹的情况下，利用时间序列的雷达影像和相位稳定的永久散射体目标点获取离散的PS像素点形变速率，并内插出整个实验区域的地表形变情况。同时，有效地抑制时间和空间基线失相干，大气效应等影响，能够随意监测任何地方的地面长期连续形变情况，将是今后地面形变监测发展的主要方向[14-16]。

永安—晋江断裂带与长乐—南澳断裂带相交的泉州地区是海峡西岸地表形变最活跃的地区。该区人口稠密，工业发达，开展对这些断裂带地表形变PS-InSAR监测，了解其活动性，对该地区国土规划、产业布局、城市发展和重大工程建设都具有重要意义。

1实验处理及结果分析

1.1数据处理流程

PS-InSAR技术的数据处理流程为：首先选取影像数据中的一景作为公共主影像，其余所有影像为从影像，配准并重采样到主影像空间，生成时序一次差分干涉图。接着采用一定的PS点目标识别方法识别一系列具有稳定散射特性的PS点目标，并提取干涉相位。然后采用外部DEM，通过对DEM坐标系转换、和影像配准、模拟成SAR相位等步骤，逐对把DEM模拟的SAR相位减去，生成时间序列二次差分干涉图。最后通过参数估计求解地表变形速率和DEM高程修正值。

1.2数据准备

为采用PS-InSAR技术调查、监测泉州地区断裂带活动情况，收集并购买了多种数据，包括欧空局的ERS-1/ERS-2数据、DEM数据等。

根据研究区域的经纬度，利用网上免费的数据查询软件，对研究区域的存档数据进行查询。目前常用的SAR数据查询软件有DESCW和EOLISA软件，都提供了详细的干涉雷达数据信息，包括传感器、影像获取时间、Oribit、Track、Frame、干涉基线等。综合时间基线和空间基线选择需要的合适数据进行了预订和购买(表1)。

在形变监测中，为去除干涉相位中的地形相位，研究选取了由美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的SRTM-DEM数据SRTM3(3arc-seconds)作为外部DEM数据。本研究所采用数据产品为V4.1版本，于2003年开始公开发布，数据范围为N24.2°～25.2°，E108°～109°。

1.3数据处理

主影像的选取需要综合考虑时间基线、空间基线和多谱勒中心频率等因素，一般根据时间基线最小、多普勒中心频率离差最小和空间基线最小3个原则，选取最优主影像。本研究选取最优主影像为19980403 景SAR数据。其它影像与主影像构成21个干涉对的空间垂直基线和时间基线，如表1 所示。将从影像SAR数据、外部DEM数据与主影像SAR数据配准并重采样。选好参考主影像后，需将所有从影像配准到主影像上，使主、从影像上对应同一地表地物的像素位置上一一对应。影像对的配准精度直接影响后面干涉对的相位相干性，所以在PS-InSAR处理中要求影像对配准精度达到0.2个像元。

表 1　1996-1999年时间段干涉对集

形变时序分析采用干涉叠加InSAR分析软件StaMPS/MTI(StanfordMethodforPersistentScatterers/Multi-TemporalInSAR)。该软件基于地面上在一定时期内具有稳定散射特性的高相干点，包括永久散射体处理方法和小基线集处理方法，由Roi_pac、DORIS、Snaphu、Triangle等几个常用InSAR软件辅助构成，其中Roi_pac软件用于成像处理，由RAW格式数据生成标准CEOS格式的SLC数据；DORIS软件用于SLC数据读取、配准、DEM相位转换、生成干涉图；Snaphu软件用于干涉图解缠，以及PS的三维解缠；MatlabforLinux，用于后续PS/SBAS处理；Triangle用于将PS点组成Delaunary三角网。处理选用19980403为主影像，其他影像为从影像，分别与主影像进行干涉处理形成了21幅干涉图(图2)。可见其总体相干性较差，然而由于PS-InSAR技术是以高相干点为对象进行相位的时间序列分析，在一定程度上拓展了数据对基线的要求，同时又可以在一定程度上削弱大气延迟对结果的影响。

图2　泉州地区PS技术处理生成的干涉图 Fig.2　Interferogram processed by PS-InSAR in Quanzhou area

图3　1996-1999年泉州地区PS点平均形变速率图 Fig.3　Average deformation rate of PS points in Quanzhou area from 1996 to 1999

在经过多次迭代处理获取了消除大气、轨道等各种误差的相位解缠后，采用SVD方法估计形变结果，通过在高相干点上进行相位的时间序列分析，最终得到该区域1996—1999年的年平均形变速率图(图3，图4)。从监测结果上来看，该地区的整体形较小，形变量级介于每年-8 ～9mm。由于该地区地形复杂、水汽较大，大气延迟仍会对结果具有一定的影响。从相位解缠图上看(图5)，在PS点上的解缠相位在空间分布上相对平滑，认为存在较大解缠误差的可能性较小，基本可以认为解缠相位可靠。为了进一步分析结果的可靠性，计算了年平均速率的标准差分布图(图6)。从图中可以明显看出，年平均速率总体结果较可靠，大部分PS点年平均速率标准差在1～2mm/a左右。

图4　1996-1999年泉州地区年PS点平均形变速率内插三维图 Fig.4　Interpolated 3-D graph of average deformation rate of PS points in Quanzhou area from 1996 to 1999

图5　PS技术处理生成的解缠相位图 Fig.5　Unwrapped-phase map pocessed by PS-InSAR

图6　1996-1999年泉州地区年平均形变速率标准差分布图 Fig.6　The standard deviation distribution map of annual mean deformation rate in Quanzhou area from 1996 to 1999

图7　PS结果AB、CD地形剖面及1996-1999年平均形变速率剖面图 Fig.7　Profile of AB，CD and annual mean deformation rate processed by PS from 1996 to 1999

1.4结果分析

从泉州地区1996-1999年平均形变速率与断裂带分布的结果中可以看出，断裂发育处呈现形变界线。研究区断层面较陡，有水平擦痕和水平错断水系，表明NE向和NW向两组断裂为共轭走滑断层。断层两侧形变速率不一致，其年平均LOS向滑动速率可达3～5mm左右(图7)。

2结论

通过PS-InSAR技术监测分析了海峡西岸泉州地区的构造形变情况。以长乐—南澳断裂带和永安—晋江断裂为研究区选取高相干PS点做相位回归分析，得出断裂带两盘的年位移速率为3～5mm。形变监测结果表明长乐—南澳断裂带和永安—晋江断裂具有较强的活动性，依然具有发生较大地震的可能性，是地区潜在的安全隐患。

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