InSAR大气校正技术研究及其在地震震间形变监测中的应用

摘要

InSAR是获取大面积、高空间分辨率地表形变的有效的手段，已广泛的应用于地震同震形变场研究中。但是目前使用InSAR获取震间形变仍然非常具有挑战性，因为震间形变微弱，信噪比小，形变信号很容易被大气误差、轨道误差淹没。因此需要对误差进行精细的分析和处理，才能保证震间微小形变获取的精度。只有得到高精度的震间形变场，才能得到断层的活动状态的可靠估计，才能对该区域现今的潜在地震危险性做出可靠的分析和判断。　　本文选择了青藏高原东北缘的海原断裂带为研究区，以Envisat ASAR为研究数据，建立了以误差校正为基础的stacking InSAR震间速度场提取方法，获取了海原断裂带高精度、高空间分辨率的形变场，并分析了研究区现今的活动状态。论文的主要工作和结论如下：　　1、详细分析了大气误差和轨道误差的来源，以及在震间形变信号提取中两种误差校准的特点和难点。考虑到以长波为主的震间形变信号和长波大气和轨道误差耦合在一起难以分离这一关键性的问题，选择利用外部独立的大气数据进行大气误差校正，并对不同大气数据、不同轨道校正方法进行了实验研究，来评价不同方法的校正效果。基于研究区短时间基线的干涉图，评价了三种外部大气数据(MERIS,ERA-I和WRF)，实验结果表明，在海原断裂带区域，MERIS和ERA-I的校正效果优于WRF；基于模拟实验，定量评价了基于远场信息和基于先验参考形变模型来校正轨道误差的可靠性，模拟结果表明基于远场信息的轨道误差校正方法优于基于全场的轨道误差校正方法，而基于远场信息时，是否考虑先验参考形变模型不是关键因素。　　2、基于上述InSAR误差校正、评价的实验研究，提出了提取高精度InSAR震间形变场的方法——基于最优误差校正的stacking InSAR震间速度场提取方法，在实验中通过不同大气校正方法得到的结果对比、相邻条带重叠区域的结果对比、与GPS的结果对比验证了方法的可靠性；提出了一种计算高空间分辨率应变率场的改进算法，该方法既可以得到连续的应变率场，又避免了由坐标系选取造成的系统误差，模拟实验的残差结果表明改进算法优于现有算法。　　3、以覆盖海原断裂带的6个条带的Envisat ASAR为研究数据，基于上述方法提取了海原断裂带高精度InSAR震间形变场，跨断层剖线计算得到的滑动速率和闭锁深度揭示了老虎山断裂带浅层蠕变的存在；InSAR与研究区内的GPS数据联合获取的海原断裂带高空间分辨率的水平速度场和应变率场，揭示了两个局部区域的应变率异常区：一个是存在浅层蠕变的老虎山断裂带的低应变率异常，但是其东西两侧的闭锁段(天祝空区和1920年大地震地表破裂段)则是高应变率异常；二是西华山-南华山与六盘山的交接处的高应变率异常，该区正是海原断裂带的运动性质由走滑向逆冲转化的区域。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 大气校正方法研究现状

1.2.2 轨道校正方法研究现状

1.2.3 InSAR震间形变场提取研究现状

1.2.4 存在的问题

1.3 研究目标和研究内容

1.4 研究方法和技术路线

第二章 InSAR震间形变提取中大气误差和轨道误差校正的实验研究

2.1 断层震间形变场特征

2.1.1 地震的形变周期

2.1.2 断层震间形变模型

2.2 InSAR误差来源及其对震间形变信号的影响分析

2.2.1 大气误差的来源和影响

2.2.2 轨道误差的来源和影响

2.3 基于外部大气数据的InSAR大气误差校正方法的实现和比较

2.3.1 MERIS、ERA-I和WRF产品介绍

2.3.2 基于MERIS、ERA-I和WRF产品的大气误差相位计算方法

2.3.3 海原断裂带的大气误差校正实例研究

2.4 轨道误差校正模拟研究

2.4.1 远场 vs 全场

2.4.2 先验参考形变模型是否有用?

2.5 本章小结

第三章基于最优误差校正方案的stacking InSAR震间形变提取算法与应变场计算方法

3.1 InSAR震间速度场提取算法

3.2 实验验证

3.2.1 两种大气误差校正结果比较

3.2.2 相邻轨道重叠区域形变场比较

3.2.3InSAR vs GPS

3.3 震间应变率场计算方法

3.3.1 现有应变率场计算方法回顾

3.3.2 一种计算连续应变率场的改进算法

3.3.3 基于模拟数据的应变率场算法实现和结果比较

3.4 本章小结

第四章 基于InSAR和GPS联合解算海原断裂带震间形变场

4.1 海原断裂带构造背景

4.2 InSAR震间速度场计算

4.2.1 Envisat数据和GPS数据介绍

4.2.2 海原断裂带InSAR震间速度场获取

4.3 断层滑动速度和闭锁深度反演

4.4 InSAR和GPS联合解算水平速度场和应变率场

4.4.1 研究区离散化

4.4.2 速度场和应变率场计算

4.5 应变率场空间特征分析

4.6 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 主要工作成果及结论

5.2 主要创新点

5.3 存在的问题和下一步工作

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢