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D-INSAR技术在震区三维同震形变场解算模型中的应用.rar

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    INSAR 技术 震区 三维 形变 场解算 模型 中的 应用
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    山东科技大学本科毕业设计(论文)摘 要合成孔径雷达差分干涉测量技术(D-InSAR)是地震形变监测的一种重要方法,其监测精度很高,一般能达到厘米甚至毫米级。相对于传统的GPS 技术、水准测量等形变测量的技术而言,D-InSAR 技术具有覆盖范围广、分辨率高、不受云雨限制等优点,但该方法存在的一大主要问题是视线向模糊问题,即 D-InSAR 测量获得的形变场只是地表形变场在雷达视线向上的投影,并不能真实的反映出地表在东西向、竖直向、南北向的形变特征,然而在真实情况下,地震的发生必然会造成震区在东西向、南北向、竖直向产生形变。获得震区的三维形变场对于全面了解震源机制和预防地震具有重大的意义。本文的研究内容主要如下:1)为了获取震区三维形变场,本文在雷达差分干涉测量技术的基础上,归纳建立了两种解决雷达干涉测量视线向模糊问题的模型,即结合 D-InSAR 技术和 MAI 技术的三维解算模型和结合 D-InSAR 技术和 Offsets 法的三维解算模型。随后,本文以巴姆地震为例,选用 ENVISAT ASAR 传感器所获得的影像数据为实验数据源,分别使用上述两种方法解算了巴姆地震的三维形变场。2)本文在对比分析了巴姆地震的形变特征后揭示了巴姆地震的震源机制和破裂模式。同时本文对上述两种解算模型进行了对比分析,指出了其各自的优劣性,以期为以后的科学研究提供参考。关键词:地表形变,视线向模糊,三维形变,MAI 技术,Offsets 法,巴姆地震山东科技大学本科毕业设计(论文)IABSTRACTDifferential Interferometric Synthetic Aperture Radar (D-InSAR) is an important method of seismic deformation monitoring. It has a high monitoring accuracy which can be centimeter or millimeter. Compared with the traditional technologies, including GPS and Leveling Surveying ,D-InSAR technology has a wider coverage and higher resolution. It isn’t effected by cloud. But the main problem is that the line of sight is blurred. In other word,the problem is that the deformation field obtained by the D-InSAR measurement is only the projection of the surface deformation field in the radar line of sight.It can not truly reflect the deformation characteristics of the surface in east-west direction, vertical direction and north-south direction. However, in the real case, the occurrence of the earthquake will inevitably produce the deformation in east-west, north-south and vertical direction. It is necessary to obtain the 3d deformation field of the seismic zone to understand the mechanism of earthquake and to predict earthquake.The main research of this article is as follows :1)In order to obtain the 3d deformation field , based on D-InSAR techology, two methods to solve the problem are produced in this paper. The one is that combining D-InSAR and MAI technology to get 3D deformation field of earthquake zone ,the other is that combining D-InSAR technology and Offsets method to get 3D deformation of earthquake zone. Then, the article takes the Bam earthquake for example. The image data obtained by ENVISAT ASAR sensor is used to be the experimental data source, and the three-dimensional deformation field of the Bam earthquake is produced through the above two methods. 2)The fracture pattern of the Bam earthquake is obtained after comparing the deformation characteristics of the Bam earthquake. Finally, this paper makes a comparative analysis of these two methods, and respectively points out the advantages and disadvantages of these two methods in order to provide reference for future scientific research.Key Words: suface deformation; LOS Amphibious; Three-dimensional deformation; MAI techniques; Offsets method; Bam earthquake山东科技大学本科毕业设计(论文)II目录1 引言 ........................................................11.1 选题背景和研究意义 .....................................11.2 国内外研究现状 .........................................21.3 研究内容和技术路线 .....................................51.4 论文的组织结构 .........................................62 合成孔径雷达形变测量原理介绍 ............................72.1 “二轨法”D-InSAR 技术简介 ..............................72.2 结合 MAI 技术的解算模型 ................................172.3 结合 Offsets 技术的解算模型 ............................222.4 本章小结 ..............................................253 研究区和实验数据介绍 ....................................263.1 巴姆地震事件概述 ......................................263.2 数据源及数据选取 ......................................273.3 本章小结 ..............................................294 巴姆地震三维形变场的解算 ...............................304.1 D-InSAR 技术获取巴姆地震在雷达视线向的形变场 ...........304.2 结合 D-InSAR 数据和 MAI 数据解算巴姆地震三维形变场 ......334.3 结合 D-InSAR 数据和 Offsets 数据解算巴姆地震三维形变场 ..394.4 两种模型优劣性分析 ....................................444.5 本章小结 ..............................................455 结论与展望 ................................................465.1 工作结论 ..............................................465.2 展望 ..................................................47参考文献 ....................................................48致谢 .........................................................51附录 .........................................................53山东科技大学本科毕业设计(论文)01 引言1.1 选题背景和研究意义地震又称地动、地振动,是地壳在内外应力作用下快速释放能量的过程中造成地壳振动,同时产生地震波的一种自然现象。地震造成的破坏极大,地震发生的同时常常会伴随着有毒气体的泄露,有时还会产生海啸、火山喷发等地质灾害。地球上板块与板块之间相互挤压碰撞,造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂,是引起地震的主要原因 [28]。 1920 年 12月 16 日,发生了人类历史上罕见的的“环球大震”,该地震发生在中国宁夏海原一带,大半个中国都有震感 [1]。1960 年 5 月 22 日发生了世界历史上最大地震,即震级达到 8.9 级的智利地震。地震造成多次滑坡,迫使瑞尼赫湖上涨,造成近百万人无家可归。2003 年 12 月 26 日,在伊朗东南部克尔曼省的巴姆(Bam)郡发生了里氏 6.6 级大地震,造成 26271 人死亡和三万多人受伤。2009 年 4 月 6 日意大利拉奎拉(L'Aquila)地区发生了Mw6.3 地震.这次地震使拉奎拉这座中世纪古城遭受严重破坏,致使 296 人丧生,1500 人受伤,近 65579 人无家可归。每年全球发生数百万次地震,国内外的研究人员都对地震进行了长期的研究,为了揭示地震发震机制,预防地震,必须先获得震区同震形变场。长期以来,针对震区形变监测的传统方法主要有大地水准测量、GPS 测量和电子测距测量等。尽管这几种形变监测方法的成熟度和精确度非常高,但他们存在着一些不足之处,主要有:1)耗时、费力,需要大量的人才和资金的支持,同时对于矿区等危险区域的测量加大了测量人员的测量难度;2)测量范围小、空间分辨率低,不适合大规模的快速测量;3)水准测量和 GPS 测量成本太高,测量受人力物力等的限制,对于大面积地表形变监测来说无法满足要求。鉴于传统测量方法的局限性,一种新的测量地山东科技大学本科毕业设计(论文)1表形变的方法得到了发展。合成孔径雷达差分干涉测量技术(Differential Interfe- rometric Synthetic Aperture Radar)能够快速、高精度、大面积的获取地面形变量,同时具有全天时,不受云雨限制的特点,并且可以在不同频率、不同极化方式下获得地面目标信息,补充了传统测量方法的不足之处 [2,13]。利用地震前后的两张 SAR 影像可以获得震区地表的形变场,但 D-InSAR 技术获取的仅仅是雷达在视线向(LOS)的形变量,即所谓的视线向模糊问题。该形变量是东西向、南北向、竖直向形变在雷达视线向的投影。其中,竖直向形变占得比重最大。在研究地震震源机制时,仅仅知道雷达视线向的形变是不够的,还必须结合其他的方法来获得震区的三维形变场。多孔径合成孔径干涉雷达技术(Multiple-Aperture SAR Interferometry, MAI)和图像匹配偏离法(Offsets)弥补了 D-InSAR 技术的不足,用 D-InSAR 技术分别结合这两种方法均可以获得震区的三维形变场。本文分别用这两种方法解算了巴姆地震的三维形变场,并对这两种方法进行了对比分析,以期对震区三维形变场的解算有更深入的认识。同时,由于这两种方法都可以适用于全球多数地区且实现起来比较容易,这对于了解地震和进一步的预测地震具有重要意义。1.2 国内外研究现状合成孔径雷达干涉测量技术最早起源于上世纪 70 年代中期 [11]。1988年,Goldstein 和 Gabriel 利用航天飞机 SIR-B 上装载的单天线 SAR 系统获得的数据,成功地采用干涉方法处理得到了成像区域的高程影像 [2]。近二三十年来 INSAR 技术用于地表形变的监测已经取得了很多成果,1993年 Massnonet 等人发表了关于美国加利福尼亚 Landers 地区 M=7.2 级地震引起地表形变的研究成果,并与其他方法测量的结果进行比较,其结果证明 D-InSAR 测量结果与其他测量结果十分相似。此后,Rosen 等人山东科技大学本科毕业设计(论文)2(1996)、Zhonglu 等人(1997)、Fujiwara 等(1998)、Jonsson 等(1999)、Wright 等(2003 )和 Funruya 等(2004)相继发表了 INSAR 火山形变监测结果 [3]。至此,D-InSAR 地表形变监测的研究开始普遍开展起来。国际上,关于震区三维同震形变场的解算首先从二维同震形变场的解算开始。1999 年 Michel 首先利用方位向像素偏移(azimuth pixel offset, AZO)技术获取了 Landers 地震产生的沿卫星轨道方向的位移。2008 年 Jun Hu 等利用图像匹配偏移法,并结合 GPS 测量数据,提取了中国台湾 1997集集 Mw7.6 地震的两维同震地表形变场,该方法在山区失相干地区也能够获取形变场信息 [4]。由于多模式、多平台卫星的发射与遥感卫星数据的积累,以及图像匹配偏移法提取方位向形变量技术的突破,震区形变场的解算开始从二维过渡到三维 [17]。2004 年 Tim J.Wright 等提出利用升轨与降轨、左视与右视四种组合的 SAR 数据生成四幅干涉图来提取形变位移三分量的方法。2005 年 Yuri Fialko 利用升降轨道的 D-InSAR 技术和方位向像素偏移(AZO)技术获取了 2003 年伊朗 Bam Mw6.5 级地震的同震形变场的三维分量。2006 年 NoaBDBechor 和 Howard A.Zebker 提出了 MAI 技术并根据其提出的理论建立了 1999 年 Califnornia,Hector Min 地区的地震的二维形变场 [29]。之后韩国人 Hyung-Sup Jung 等人对 MAI 技术进行改进,在MAI 相位中改正了平地相位和地形相位,大大提高了测量精度,建立了Califnornia,Hector Min 地区的三维形变场 [4,30]。在国内,三维同震形变场的研究晚于国外,但近几年,国内学者的研究也取得了不少的成果。2005 年王华等人利用该方法结合升降轨数据获取了 2005 年 Kashmir 地震的同震三维形变场。胡俊等于 2010 年利用该方法解算揭示了巴姆地震三维形变场,证明了该方法的可靠性 [5]。2009 年汪驰山东科技大学本科毕业设计(论文)3升等利用 ASAR 升降轨干涉测量结果,并根据震源机制解而假设断层走滑形变量为 0,实现了于田地震的 3D 形变场解算 [4]。同年,季灵运等利用D-InSAR 和 AZO 技术获取 Bam 地震同震三维形变场。我国学者胡俊对MAI 技术做了深入研究,研究了基线误差和电离层对该技术影响,发展了利用顾及方向性的滤波和插值方法改正电离层的影响,计算出了玉树地震的二维形变场 [24]。总的说来,现阶段国内外解算三维形变场的方法主要有以下四种:1)利用多视向多传感器的多个 D-INSAR 的 LOS 向形变变量解算震区三维形变场。这种方法容易操作,但所需的数据量大。2)结合 D-INSAR 视线向形变量和 GPS 实测数据解算震区三维形变场。胡俊等提出了基于BFGS 法融合 D-INSAR 技术和 GPS 技术结算了美国南加州的三维形变速率场 [26]。该方法充分利用了 D-INSAR 技术和 GPS 技术的优势,得到的结果精度高,但也有着两种数据不能同时得到的问题,大量布设控制点也需要大量的人力、物力和财力。3)将 D-INSAR 获取的 LOS 向形变数据与地表形变模型相结合。刘峡等利用三维有限元模型预测了华北地区的形变场和构造应力场,结果与 GPS 观测结果一致。4)利用 D-INSAR 获取的 LOS方向形变量数据结合方位向形变量数据来解算震区三维形变场。现阶段得到方位向形变数据的方法主要有两种,即图像匹配偏离法(Offsets)和多孔径合成孔径干涉雷达技术(Multiple-Aperture SAR Interferometry, MAI)。2007 年王华等利用升降轨雷达图像 Offsets 测量法,分别提取了升降轨的方位向形变量与视线向形变量,然后构建解算方程,获得了 2005 年印度克什米尔(Kashmir )地震的三维形变量 [1,8]。以上的介绍已经涵盖了现阶段人们对地震区三维形变场研究的主要内容。山东科技大学本科毕业设计(论文)41.3 研究内容和技术路线本设计的研究内容是一个比较成熟的领域即对地震区地表形变的研究,但研究的课题却比较新颖——结合 D-InSAR 技术和其他数据来解算地震区的三维形变场。本研究的主要内容如下:针对雷达干涉测量的视线向模糊问题,本文提出了两种解决方案:1)结合 D-InSAR 技术和 MAI 技术来解算震区三维形变场。2) 结合 D-InSAR 技术和 Offsets 法来解算震区三维形变场。本文主要以巴姆地震为例,采用以上两种方法来获取震区的三维形变场。通过对实验结果的分析来得出这两种模型各自的优劣性,从而为今后的三维形变场解算提供参考。本文的技术路线如下图所示:结合 MAI 技术的解算模型结合 Offsets 法的解算模型巴姆地震三维形变场的解算分析两种解算模型的优劣性提出 D_InSAR 形变测量中存在的视线向模糊问题给出视线向模糊问题的两种解决方法山东科技大学本科毕业设计(论文)5图 1.1 本文的技术路线图1.4 论文的组织结构本文总共七章,组织结构如下:第 1 章:主要介绍了雷达干涉测量以及震区三维形变场解算方法的研究现状,阐述了建立三维形变场解算模型的意义,同时概述了本论文的研究内容和研究路线。第 2 章:主要介绍了利用 D-InSAR 技术进行震区三维形变场解算的原理,包括“二轨法”差分干涉测量、结合 MAI 技术的解算模型和结合 Offsets法的解算模型等的基础知识,为下文的实验做必要的准备。第 3 章: 主要介绍实验区的情况和实验数据的处理。对获得的 7 幅ENVISAT ASAR 数据进行基线解算选出可用于实验的数据。第 4 章: 主要介绍了基于 D-InSAR 技术解算巴姆地震视线向形变量的具体 过程,并展示了该步骤阶段性的成果。第 5 章:该章节首先介绍了 MAI 技术获取震区方位向形变量的数据处理过程并展示了相关结果图;随后结合 LOS 向的形变量解算了巴姆地震的三维形变场,展示了巴姆地震在东西向、南北向、竖直向的形变结果图。第 6 章:该章节首先介绍了利用 Offsets 法获取震区方位向和距离向形变量的数据处理过程并展示了相关结果图;随后结合 LOS 向的形变量解算了巴姆地震的三维形变场,展示了巴姆地震在东西向、南北向、竖直向的形变结果图。第 7 章:对结合 Offsets 法的解算模型和结合 MAI 技术的解算模型进行了对比分析,阐述了两种模型各自的优劣性。第 8 章: 对本文的工作进行了总结,并对今后的工作进行了展望。山东科技大学本科毕业设计(论文)62 合成孔径雷达形变测量原理介绍合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)是一种用于获取地表形变的技术 [22]。它是利用一幅干涉图和一幅高精度的数字高程模型(DEM )数据或用两幅干涉图(其中一幅包含形变信息,一幅不包含形变信息)来获取形变场的。根据实验所用的影像数可分为“二轨法”、“三轨法”和“四轨法” [23]。本文所用的“二轨法”,因而在此着重介绍“二轨法”的原理及数据处理过程。2.1 “二轨法”D-InSAR 技术简介2.1.1 “二轨法”D-InSAR 技术原理要想获取地表的形变信息,必须要消除研究区域内的地形信息。“二轨法”差分干涉测量是一种消除地形信息来获得形变信息的方法,其原理为利用两幅 SAR 数据(一幅为形变事件发生前的影像,一幅为形变事件发生后的影像)和一幅研究区的 DEM 影像,基于已有的成像参数模拟干涉条纹图,从而达到消除地形因素的效果 [12]。图 2-1 “二轨法”差分干涉测量原理图 [6]如图 2-1 所示,S 是研究区,A 1 是研究区形变事件发生前获取雷达影
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