出版日期: 2018-01-25
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DOI: 10.11834/jrs.20187480
2018 | Volumn22 | Number s1
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Sentinel-1卫星数据提取同震形变场：最新技术及震例

王腾¹ , 廖明生^2,3

1. 南洋理工大学新加坡对地观测中心，新加坡 639798

2. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079

3. 地球空间信息技术协同创新中心，武汉 430079

收稿日期: 2017-11-07

第一作者简介: 王腾，1980年生，男，博士研究生，研究方向为SAR／InSAR技术及应用研究。E-mail：wang.teng@gmail.com

通信作者简介: 廖明生，1962年生，男，教授，研究方向为雷达遥感机理、技术及应用。E-mail：liao@whu.edu.cn

中图分类号: TP79

文献标识码: A

摘要

高分辨率同震形变数据对地震学研究十分重要。欧州空间局哨兵一号A/B星(Sentinel-1 A/B)自2014年、2016年在轨运行以来，在板块交界地带获取了大量数据，成为研究地震的主要雷达遥感系统之一。本文通过简要介绍Sentinel-1A/B数据获取模式和最新数据处理技术，结合2014年加州纳帕山谷地震，2015年尼泊尔地震，2016年日本熊本地震和新西兰地震4个典型震例，综述全面利用Sentinel-1数据中的相干及非相干信息提取远场和近场、方位向和距离向同震形变数据的最新进展。相关研究成果表明，从Sentinel-1数据中不但能够通过传统InSAR技术提取地震远场形变梯度较为平缓的形变，也能够获取靠近地表破裂，形变梯度较大的形变。这些新方法和最新震例研究表明Sentinel-1系统在地震学领域将会发挥越来越重要的作用。

关键词

SAR/InSAR, Sentinel-1, 同震形变, 雷达遥感

Coseismic displacement derived from Sentinel-1 data: Latest techniques and case studies

WANG Teng¹ , LIAO Mingsheng^2,3

1.Nanyang Technological University Earth Observation of Singapore, Singapore 639798

2.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079

3.Collaborative Innovation Center for Geospatial Technology, Wuhan University, Wuhan 430079

Abstract

A coseismic displacement field is particularly important for earthquake studies. Since their launch in 2014 and 2016, ESA's Sentinel-1A/Sentinel-1B satellites have been acquiring large amounts of SAR images from all major plate boundary regions. Thus, these satellites are well suited for this task. We review the principle of Sentinel-1 imaging modes and the latest data process techniques through case studies of the 2014 Napa Valley, 2015 Nepal, 2016 Kumamoto, and 2016 New Zealand earthquakes. We introduce how to utilize the coherent and incoherent information of Sentinel-1 data fully to map coseismic displacements in near and far fields, along the line of sight and in along-track directions. The latest technical development and case studies show that we can derive not only a smooth coseismic displacement from the far field but also a displacement close to the rupture trace, demonstrating that the Sentinel-1 system plays an increasingly important role in earthquake studies.

Key words

SAR, InSAR, Sentinel-1, coseismic deformation, radar remote sensing

1 引　言

当地震震级较大或震源较浅时会导致地表产生一定程度的变形，统称为同震形变。如何在地震后及时、准确和全面地获取同震形变对研究地震机理和灾后救援都至关重要(Stein和Wysession，2009)。在遥感影像应用于地震研究之前，同震形变的获取通常依赖于地质工作者在地表破裂处结合地面特征地物的位移进行实地测量。全球定位系统(GPS)出现后，也可以通过比对 GPS站点位置在地震前后的变化来获取同震形变。上述方法都存在形变点分布过于稀疏的缺点，很难完整再现同震形变场在空间的分布。

合成孔径雷达(SAR)及相关形变测量技术经过近30年的发展，已成为获取高分辨率同震形变场的重要手段之一。SAR是主动型微波遥感传感器，通过主动向地面发射微波信号，然后处理与地表相互作用后的回波信号进行成像。在SAR影像中包含幅度信息和相位信息：其中幅度信息记录了不同地物对微波信号的散射强度；相位信息则记录了传感器与地面相应散射体之间的距离。通过计算在不同时间经过同一地区的SAR影像之间的相位差，合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)可以精确量测地表在雷达视线向的形变(Massonnet 等，1993；Amelung 等，2000；Bürgmann 等，2000；Jónsson 等，2002)。另一方面，利用影像互相关技术，可以通过追踪雷达幅度影像中的特征信息量测地表的形变，即像素偏移技术(Michel 等，1999；Wang 等，2015)。这一技术精度相对InSAR要低一个数量级，约为SAR影像分辨率单元的1/10—1/20(Bamler和Eineder，2005)，但可以在干涉失相干的条件下得到方位向和距离向的2维形变，在升降轨数据存在的情况下可以反演3维形变(Wang和Jónsson，2015；Xu 等，2016；Wang 等，2018)。

20世纪90年代初欧洲空间局ERS系列卫星开启了地学领域利用雷达遥感技术获取高分辨率同震形变场的新时代。1992年美国加州Landers地震是第一个利用InSAR技术得到的同震形变场，当年被Nature杂志作为封面报道 (Massonnet 等，1993)。在随后的研究中，地球物理学家基于半空间弹性位错理论提出了利用SAR影像获取的同震形变数据对地下断层的滑移分布进行反演的新方法(Jónsson 等，2002)。经统计，自1992年Landers地震以来，利用SAR影像已获得超过50个地震的同震形变场并反演了地下滑移，全面加深了对地震发生时断层滑移分布的理解(Weston 等，2011)。

除了欧洲空间局发射的ERS-1/2和Envisat卫星、日本宇航局的JERS、ALOS1/2卫星、加拿大宇航局的Radarsat 1/2卫星、德国宇航局的TerraSAR-X、意大利宇航局的COSMO-Skymed等SAR卫星都在持续不断地获取不同分辨率及波长的SAR数据。但是，由于以前卫星在载荷设计，星上能源供应等方面的问题，数据获取的频率和密度并不高，存在地震发生后无法找到相匹配的震前数据的情况(Wang 等，2015)。欧洲空间局计划在2020年前发射6组装载不同类型传感器的对地观测卫星以实现高频次、全覆盖的地球成像观测，称为哨兵(Sentinel)系列。搭载SAR的Sentinel-1 由两颗卫星组成，其中Sentinel-1A卫星于2014年4月发射，Sentinel1-B于2016年4月份发射，目前双星均在轨正常运行(Torres 等，2012)。Sentinel-1系统主要是为地学研究服务的，所以在板块交接等地震经常发生的区域，数据获取十分频繁，基本实现了在任何时间任何地点发生等地震，只要能够产生可量测的陆地同震形变，都有Sentinel-1数据覆盖。

本文下面通过简要介绍Sentinel-1数据获取模式和最新数据处理技术，结合2014年—2016年4个典型震例系统论述该系统在地震学研究中的重要作用。

2 欧洲空间局Sentinel-1SAR 系统

Sentinel-1卫星上搭载的SAR可以用多模式、双极化成像(表1)，单星最短重访周期为12 d，双星在轨运行后最短重访周期为6 d。其中条带成像模式SM(Strip Map)为传统SAR成像模式，分辨率较高，但是影像覆盖范围较窄。宽幅干涉成像模式IW(Interferometric Wide Swath)为Sentinel-1系统所独有的成像模式，可以在保证距离向高分辨率的同时，实现宽幅成像，这也是Sentinel-1系统主要的数据获取模式。第3种成像模式为超宽幅成像EW(Extra Wide Swath)主要应用于海洋研究。此外，Sentinel-1数据分发系统提供了非常友好的界面，免费供全球用户下载数据，为雷达遥感的业务化运行提供了数据基础(Rucci 等，2012)。

表 1 Sentinel-1成像模式参数
Table 1 Imaging parameters of Sentinel-1

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模式	幅宽/km	分辨率/m 地距×方位	入射角/(°)
SM	80	5×5	18.3—46.8
IW	250	5×20	29.1—46.0
EW	400	20×40	18.9—47.0

Sentinel-1系列卫星能够在发射后很快实现对全球大部分陆地表面的全覆盖得益于宽幅干涉成像模式所采用的TOPS(Terrain Observation by Progressive Scan)技术(De Zan和Guarnieri，2006)。这种雷达成像技术通过天线的交替摆动获取平行的3个子条带影像，使得Sentinel-1的影像幅宽从原来Envisat卫星的100 km左右扩展到现在的250 km。而获得较宽幅宽的代价是减少了地面目标的雷达照射时间，造成方位向分辨率从原来Envisat卫星的5 m降到了20 m。但是，由于影像带宽的显著提高，地距分辨率达到了5 m左右，远高于ERS和Envisat数据的20 m，在一定程度上弥补了方位向的分辨率损失。

TOPS 影像的另一大特点是以 80 km宽，20 km长的影像块(burst)为成像基础。在方位向相邻影像块之间存在1.5 km长的重叠区域，在3个子条带之间存在2 km左右的重叠区域，从而保证数据对地面覆盖的连续性(图1)。这时，在这些重叠区域相当于拥有不同俯仰角(squint angle)获取的影像。利用这一独特的成像几何，可以通过简单的再次干涉方法，在这些重叠区域得到非常精确的卫星飞行方向(方位向)形变(Grandin 等，2016)。这一特点在一定程度上弥补了TOPS数据方位向分辨率过低，难以获取有效的方位向形变的缺点(Jung 等，2013)。

图 1 Sentinel-1卫星宽幅扫描成像模式原理示意图(TOPS)(Jiang 等, 2017)

Fig. 1 Principle of Sentinel-1’s Terrain Observation by Progressive Scan (TOPS) imaging mode, (Jiang et al, 2017)

基于上述优势和强大的免费数据分发系统，Sentinel-1两颗卫星发射升空后很快就成为研究板块运动，地震、火山喷发等地学现象的重要遥感数据源。例如，对2014年8月加州纳帕山谷地震的研究，2014年—2015年期间Fogo火山喷发的研究(González 等，2015)，2015年尼泊尔地震的研究(Avouac 等，2015)，2015年Wolf火山的喷发(Xu 等，2016)，2015年智利Illapel地震的研究(Grandin 等，2016)，2016年熊本地震的研究(Jiang 等，2017)，2016年新西兰地震的研究(Wang 等，2018)等多项研究成果。但是，许多利用Sentine-1数据的地震学研究中都是利用传统的干涉测量手段来获取地表同震形变场。在靠近地表破裂处，经常由于形变梯度过大而无法得到有效的干涉相位解缠结果，进而造成近场形变的缺失。下面通过 2014年加州纳帕山谷地震，2015年尼泊尔地震，2016年日本熊本地震和新西兰地震4个典型震例研究，综述如何全面利用Sentinel-1 TOPS数据中的相干及非相干信息，在地震后最短时间内提取远场和近场、方位向和距离向的同震形变数据。

3 震例研究

3.1 2014年加州纳帕山谷地震

Sentinel-1A卫星刚刚发射升空仅4个月，2014年8月24日，美国加州纳帕山谷发生了里氏6.1级浅层走滑型地震。此时Sentinel-1A卫星还处在测试阶段，正好在震前获取了该地区条带模式的SAR数据，震后又马上获取了同一地区的影像。利用常规InSAR处理手段很快就得到了同震形变干涉图(图2)。数据质量相当好，相干性也保持的很好。从这一结果也可看出Sentinel-1A上的SAR传感器成像质量非常高。这一干涉图也成为欧洲空间局的宣传材料，出现在世界各大媒体的科学版面上。

图 2 2014年美国纳帕山谷地震Sentinel-1A条带模式干涉图(黄色五角星为震中位置，每一个干涉条纹代表雷达视线向2.8 cm形变)

Fig. 2 Sentinel-1 Strip Map coseismic interferogram of the 2014 Napa Valley earthquake (Yellow star represents the epicenter. One fringe represents 2.8 cm of radar line-of-sight deformation)

通过对Sentinel-1A卫星获取的干涉图和意大利COSMO-Skymed卫星获取的另一干涉图进行相位解缠和降采样处理，可以得到这次纳帕山谷地震的同震形变场。这一成果帮助地震学家准确定位断层破裂位置，并精确反演了相应的断层滑移分布。研究表明这一地震的破裂发生在两个倾角近似垂直的走滑型断层上。地震起始于南断层并单向向北传播。断层滑移分布反演结果显示破裂主要集中在断层的浅层区域。

3.2 2015年尼泊尔地震

2015年4月25日尼泊尔7.8级大地震发生时，Sentinel-1A卫星已经基本停止了条带模式数据获取，主要采用宽幅干涉模式获取数据，即采用TOPS技术获取SAR影像。由于地震发生在欧亚板块与印度板块的交界处，Sentinel-1A在这一地区的数据获取相当密集，已有多景震前数据存档，并在震后第4天就获取了震后影像。地震后国内外多个研究小组迅速处理数据，得到了这一地震的TOPS干涉图，与本文处理得倒的干涉图一致。如图3(a)所示，地震造成的地表形变由西向东横穿整个加德满都山谷。形变主要分布在震中的东边，证明破裂是由西向东单向传播的。但是，由于形变梯度较大，加德满都以北的相位混叠现象十分严重。

图 3 2015年尼泊尔地震Sentinel-1ATOPS数据处理结果

Fig. 3 Sentinel-1 TOPS data after the 2015 Nepal earthquake

这次地震发生后，地学界最关心的有两个问题：一是这次地震的破裂有没有到达地表；二是整个喜马拉雅主断层的哪个部分发生了破裂。直接从干涉图上很难回答这两个问题。本文利用Sentinel-1数据距离向分辨率较高的特点，通过追踪幅度影像中的特征信息在地震前后发生的偏移，得到了震中区域完整的雷达视线向同震形变图(图3(b))。通过从北向南跨越形变区域的剖面分析可知，在干涉相位图中，由于形变相位梯度较大出现相位混叠的情况下，相位解缠出现了错误，从而导致解缠后得到的同震形变严重低估了形变梯度，另外在加德满都以北喜马拉雅山区的沉降也没有体现出来(图3(c))。

最终，加州理工Avouac等人(2015)采用了我们的形变数据，并联合地震波观测结果对这一地震的破裂过程进行了联合反演。结果表明尼泊尔地震起始于喜马拉雅主断层闭锁部分的下沿，并自西向东破裂了约140 km。幸运的是，破裂只是沿着断层深部传播，并没有到达地表，否则会造成更加严重的损失。不过，这一地震后，尼泊尔西部地区喜马拉雅主断层的应力累计已经临近破裂状态，未来短时间内发生大地震的可能性很大。Sentinel-1A数据对得到这一结论起到了关键作用(Avouac 等，2015)。

3.3 2016年日本熊本地震

2016年4月，日本熊本县发生一系列里氏6级以上的地震，其中4月16日主震震级达到里氏7.1级，造成72人死亡，超过1000人受伤。地震4天后，Sentinel-1A卫星就获取了震后影像，形成了同震干涉图(图4(a))。但是，与尼泊尔地震一样，在震中区域接近断层破裂处，干涉相位的混叠现象比较严重，正确的相位解缠十分困难。

图 4 从一对升轨Sentinel-1 TOPS数据中利用不同方法得到2016年熊本地震同震形变 (在(a)—(d)中，1个相位周期分别相当于2.8cm、460cm、3200cm、160cm地表形变)(Jiang 等，2017)

Fig. 4 Coseismic displacements of the 2016 Kumamoto earthquake sequence mapped from one pair of ascending Sentinel-1 TOPS images (From (a) to (d), one phase cycle represents surface displacement of 2.8cm, 460cm, 3200cm, 160cm, respectively) (Jiang et al, 2017)

频带分离干涉方法(Split-bandwidth Interferometry)，通过带通滤波将SAR影像分解为频谱的前半部分和后半部分的两个子带影像，然后利用子带主从影像生成干涉图，最后进行子带干涉图之间的再干涉处理得到频带分离干涉图。这一干涉图实际上反映了主从SAR影像之间的像素偏移量。这一方法最早被用在SAR影像的快速匹配(Scheiber和Moreira，2000)，随后被用来进行方位向形变估计，即子孔径干涉MAI(Multi-Aperture Interferometry)(Bechor和Zebker，2006；Jung 等，2009)。但是，距离向的频带分离干涉方法还没有用来估计过地表形变。

在熊本地震发生后，首次将距离向的频带分离干涉方法应用在同震形变研究中，成功的将标准干涉图对形变的敏感程度由每个周期对应2.8 cm的雷达视线向形变降低到了每个周期对应4.6 m的形变，解决了地表破裂处的相位混叠问题(图4(b))。最终，利用Sentinel-1影像中不同频段数据对形变敏感程度不同的特性，将传统干涉技术、方位向频带分离干涉技术、距离向频带分离干涉技术、影像重叠区干涉技术，像素偏移估计技术等各种技术手段运用到同一SAR影像像怼，解决了形变梯度较大区域的相位混叠和方位向形变估计困难问题，实现了地震震中区域视线向和方位向，远场和近场形变监测的全方位覆盖(图4)。

3.4 2016年新西兰地震

2016年11月14日新西兰南岛北部凯库拉(Kaikoura)发生里氏7.8级地震。此时Sentinel1A/B星均已在轨运行，在震后第一天就获取了震后SAR影像。在地震后一周内，已有4个轨道的数据覆盖了震中区域。同样采用了传统干涉和频带分离干涉来获取远场和近场形变(图5(a)、(b))。但是从中可以发现这次地震造成的地表破裂十分复杂，形变梯度甚至大于频带分离干涉技术的可量测范围，造成近场的强烈的失相干，无法获取有效的同震形变量测。这个时候，利用幅度影像中特征信息的像素偏移追踪技术就十分有必要了。从图5(c)可以看到，利用像素偏移追踪技术，清晰地捕捉到了雷达视线向超过6 m的形变，另外地表破裂的位置也十分清楚，与实地测量结果十分吻合(Wang 等，2018)。

图 5 从一对升轨Sentinsel-1 TOPS数据中利用不同方法得到2016年新西兰凯库拉地震同震形变

Fig. 5 Line-of-sight coseismic displacement of the 2016 Kaikoura earthquake, derived from one pair of Sentinel-1 TOPS images using different techniques

4 结　语

自从Sentinel-1数据开始进入地球物理领域以来，关于其独特的基于数据块(burst)的成像模式，较低的方位向分辨率和较高的数据预处理要求一直存在争议。但是，正是因为采用了宽幅干涉成像模式，才能够捕捉2014年8月纳帕山谷地震以来所有5级以上发生在陆地或接近陆地的地震所造成的同震形变。这对以前的星载SAR系统而言几乎是不可能完成的任务。

经过一段时间的发展，利用Sentinel-1数据已经可以通过传统干涉手段获得地震远场视线向形变，在接近破裂地带，如果失相干的主要原因是形变过大，利用频带分离技术，同样可以精确的得到近场视线向形变。在跨越破裂带或者形变过大时，通过追踪幅度影像中的信息，还是能够得到形变量测。在方位向，3个子条带之间的重叠区域和影像块之间的重叠区域均可以利用再干涉方法得到精确的方位向形变量测。但是，由于Sentinel-1数据对植被的穿透能力不强，受大气影响也比较严重，在地震级别较小或震源深度较深的情况下，从单一干涉图中经常难以提取可靠的同震形变场。目前正在研究利用时间序列InSAR分析技术，利用Sentinel-1数据较高的重访周期来抑制大气效应对同震形变的影响，提高Sentinel-1数据提取6级以下地震形变场的能力。结合近几年来对采用TOPS技术获取的SAR数据的持续研究，相信Sentinel-1系统将在今后的地震学研究中起到越来越重要的作用。

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摘要

关键词