遙測地殼變形

2017-12-06

利用人造衛星影像的對比技術來監測地表變形,尤其是雷達影像技術的發展。衛星雷達影像差分干涉法,使用之資料包括ERS1, ERS2, JERS, ENVISAT等衛星影像資料,當我們拿到兩張或更多張衛星雷達影像,還無法直接用肉眼度量出地表變形量,必須經過特殊的處理與計算,才能正確反映地表的變形,這種處理方法稱為差分干涉法(Differential Interferometry)。簡單地說,雷達差分干涉法就是將兩組(或多組)不同時間掃瞄的衛星雷達資料進行精準的幾何校正,再經由資料干涉分析所發展出的大地測量技術。

 

合成孔徑雷達差分干涉法DInSAR

Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry(DInSAR),即合成孔徑雷達差分干涉法,以重複軌跡(Repeated Pass)方式進行量測,將某一區域不同時間內所獲取的2張SAR影像進行干涉處理,將干涉結果減去原始地形的效應,即可得到該時間內單純由地表變化構成的差分干涉結果,即地表位移(Zebker et al., 1994; Massonnet and Feigl, 1998; Bürgmann et al., 2000; Chang et al., 2004)。若在此時段中區域內曾經發生地表的位移(如斷層活動等),則可由差分干涉結果圖像中判讀出干涉條紋。差分干涉條紋的資訊只能判讀相對相位變化(相位值為-π到π,對應顏色從紫色到紅色),經過相位回復(相位解算)後可獲得兩影像間對應真實距離的變化量,即斜距方向(Line-Of-Sight)上的地表變形量(摘自張育仁等,2012)。

 

實例:車籠埔斷層西側變形

台灣中部地區在集集大地震前後的DInSAR測量結果。在地震發生前的1月到5月(圖a),干涉圖中沒有明顯的干涉環,顯示中部地區在地震前並沒有明顯的變形。至於跨越地震前後的雷達影像對所產生的干涉圖(圖b和c),則在斷層西側地區(斷層下盤)觀察到明顯的同心干涉環。這些干涉環顯示下盤地區有變形發生,最大變形量發生在同心環的中心部分,也就是接近斷層中段的地區。圖中每一圈干涉環代表2.8公分的距離變化,經由計算干涉環的數目,可以推估出地震前後大致的區域相對位移量。圖b的製作是採用「地震後」對「地震前」的影像作差分干涉,為了驗證這張圖的結果,在製作圖c時我們則採用了「地震前」對「地震後」的影像作干涉。因此仔細觀察可以發現:這兩張圖的彩虹顏色變化趨勢正好相反。另外,地震後的差分干涉結果(圖c)則顯示,在地震之後下盤地區並沒有明顯的變形;除了東勢及埔里地區有局部的干涉條痕,可能是地震後地表微調所造成外,全區並沒有明顯的變形存在。

 

 

集集大地震的地表相對位移

InSAR技術所做出來的雷達差分干涉圖在判讀上並不十分容易,我們因此將干涉環加以解算,做成這張容易看懂的地表相對位移圖,直接用一套顏色變化來代表地表與人造衛星之間的距離變化。假如我們把測量區的西北海岸當作是不動的(因為離斷層較遠),那麼很明顯地,愈接近斷層的地區地表變形愈激烈(顏色愈紅)。解算過程中,參考點的選定以及雷達波相位的連續狀況,都會影響這張地表相對位移圖的品質以及可信度,因此干涉資料的計算和應用都必須十分小心。

 

 

永久散射體雷達干涉技術PS-In SAR

永久散射體是利用影像同調性或影像振幅等資料進行挑選,如果點位挑選不當,則會產生很大的誤差,因此如何在多時的雷達影像上,有效的挑選出正確的永久散射體並計算 其變形量,為雷達干涉技術偵測正確地表變形的關鍵技術。 目前永久散射體(PS)技術主要是利用像元內最大的主要訊號源如橋樑及建物等,因該類像元有明顯固定的散射訊號,在時間序列的影像中,這些點位在該區域裡有足夠穩定的訊號來提供分析的資訊。根據同一區域鄰近像元環境條件相類似的假設,在後續分析中可以利用這些永久散射的點位資訊進行雜訊的濾除,進而推算出在時間序列中不同 時間永久散射體點位的相位及變形狀況(摘自林冠全等,2009)。

目前本所使用ERS(European Remote Sensing Satellite)-1/2、ENVISAT(Environmental Satellite)以及ALOS(Advanced Land Observing Satellite)等衛星所拍攝的SAR影像,並分析其相對基線值,以檢核可供產生干涉之影像對,製作干涉影像。
實例:臺灣西北部的地表變形觀測

左圖為ALOS衛星影像在此期間獲得的永久散射點在視衛星方向上的年平均變動量。並以綠色星星標示連續GPS測站為參考點位,對所有PS點做校正。從圖中可見,在這段期間(2007-2011),臺北盆地主要以往視衛星方向輕微抬升或不動的運動為主。

 

 

實例:橫跨玉里斷層與斷層的地表變形觀測

由下列三種衛星資料結果顯示,其中只有ERS衛星由西向東跨過玉里斷層可觀察到輕微的速度梯度差異,ENVISAT及ALOS衛星則無法明顯看出是否有跨玉里斷層的速度梯度差異。持續向東則可看出三種衛星影像在跨過池上斷層都有明顯的視衛星速度增加,在C波段的影像中約可觀察到約10 mm/yr的速度梯度增加,而在ALOS影像中速度梯度增加幅度大約為20-30 mm/yr。

 

E4(左圖)及E5(右圖)剖面區域之ERS、Envisat及ALOS視衛星方向上年平均變動量(單位:mm/yr) 

 

參考資料:

林冠全、胡植慶、童忻、辛在勤、余水倍、郭隆程、侯進雄(2009)GPS及InSAR技術觀測的臺灣地表變形,地質,第28卷,第3期,第44-49頁。

胡植慶、劉啟清、楊燦堯、景國恩、鄭錦桐(2016a)斷層活動性觀測研究第三階段-斷層整合性觀測與潛勢分析(4/4),經濟部中央地質調查所,共439頁。

胡植慶、劉啟清、楊燦堯、景國恩、鄭錦桐(2016b)斷層活動性觀測研究第三階段-斷層整合性觀測與潛勢分析總結報告書,經濟部中央地質調查所。

張育仁、張中白、陳建良(2012)應用太空大地測量法分析桃園臺地群之地表變形,經濟部中央地質調查所特刊,第26號,第219-240頁。

陳文山、林益正、顏一勤、楊志成、紀權窅、黃能偉、林啟文、林偉雄、侯進雄、劉彥求、林燕慧、石同生、盧詩丁(2008)從古地震研究與GPS資料探討縱谷 斷層的分段意義。經濟部中央地質調查所特刊,第二十號,第165-191頁。