利用 InSAR 相干系数探测地震引起的城市破坏程度.doc

豆丁网精品论文利用 InSAR 相干系数探测地震引起的城市破坏程度何敏 ，何秀凤河海大学卫星空间信息应用研究所，南京 210098E-mail：mhehhu.edu.cm 摘要：合成孔径雷达（SAR）因其不受云层和光源的影响成为当今最有应用潜力的新型遥 感传感器，基于SAR发展起来的InSAR技术通过分析目标后向反射的相位信息，能定量地揭 示自然灾害引起的地表形变。本文利用InSAR相干系数对SAR图像散射体特性的变化很敏感 的特点，定义了一种相干系数变化指数，并证明了利用该变化指数探测地震引起的城市破坏程度是可行的，最后以伊朗Bam地区地震为例进行了试验研究。试验结果表明，建筑物的破 坏等级与相干系数变化指数的大小高度相关。根据定义的相干系数变化指数绘制出了的Bam 城地震破坏等级图，该等级图与国际地球灾害中心(ICG)提供的结果是一致的。 关键词：InSAR 相干系数 Bam地震 城市地震灾害Analysis and Detection of Earthquake-induced Urban DisasterBased on InSAR CoherenceHe Min He XiufengInstitute of Satellite Navigation & Spatial Information System, Hohai University, Nanjing, 210098Abstract：Synthetic Aperture Radar (SAR) is one of the most potential sensors for remote sensing technologies since it is not affected by clouds and lights. The InSAR analysis, using phase information of backscattering echoes from objects on the earths surface, is successfully employed to quantify relative ground displacements resulting from natural disasters. In this paper, a coherence change index is presented based on the coherence coefficient of the SAR interferometric analysis which is a sensitive parameter for the detection of superficial change and the classification of land use. And the feasibility of earthquake-induced urban damage detection is investigated using the coherence change index. The method proposed is tested by SAR images of the Bam earthquake in 2003. The results show that there are close relationships between building damage level and the coherence change index. Thus, urban damage levels are mapped based on the index. The map is consistent with the results of the International Centre for Geohazards. Keywords：InSAR, coherence, Bam earthquake, urban earthquake0引言Bam城位于伊朗Kerman省的东南部，距Kerman省185 km。2003年12月26日凌晨Bam城发生强烈的直下型地震，震级为6.5级，造成严重破坏。据国际地球灾害中心 (ICG) 报告， 这个10万人口的小城有3万人直接死于地震，3万人受伤，85%的房屋被毁坏、破坏和损害，70%的房屋倒塌1。地震后，ICG通过光学遥感数据以及实地调查，绘制出了城市破坏等级 图。探测地震引起的形变灾害有多种方法，InSAR技术是测量地震引起的同震地表形变场最 有效的新方法之一2, 3, 4。综合利用断层模型和InSAR技术，可以估计出断层的不同参数以及 地壳的压力变化。因此，InSAR技术为深入了解活动断层的运动机制提供了有效手段。目前， 国内外对InSAR技术的研究主要集中在利用干涉相位来探测地表的微小形变。干涉产品中的基金项目：国家自然科学基金项目（50579013）；江苏省研究生培养创新工程资助项目 作者简介：何敏，1980 年 10 月生，女，四川内江人，博士研究士，E-mail: hezhuminleihhu.edu.cn； 何秀凤，1962 年 9 月生，女，江苏泰州人，教授，博导，E-mail: GPShhu.edu.cn。相干系数通常用于评价干涉相位的质量，但是对相干系数的应用研究却很少。由于相干系数对SAR图像散射体特性的变化十分敏感，能用于地表变化的探测、土地利用的分类和绘制地 震破坏等级图5。地震破坏等级图可以利用光学星载遥感图像绘制，国际卫星对地观测委员 会（CEOS）曾利用高分辨率的光学遥感图像，绘制出了可靠的地震破坏等级图6。地震破 坏等级图的快速绘制，能对指导灾害紧急救援提供重要的信息支持。相比于光学遥感图像来说，利用InSAR干涉相干系数对地震破坏进行探测，具有全天时 以及不受云层覆盖影响的优点。本文首先定义了一种相干系数变化指数，然后论证了利用该 指数探测地震引起的城市破坏的可行性，最后以Bam地区的地震为例进行验证。试验结果表 明，建筑物的破坏等级与相干系数变化指数的大小有关，相干系数变化指数越大，建筑物破 坏越剧烈；指数相对较小，建筑物破坏较轻。据此绘制出了Bam城市地震破坏等级图，其结 果与国际地球灾害中心(ICG)公布的结果具有很高的一致性。1相干系数估计和相干系数变化指数估计1.1 相干系数估计对于复干涉像对 s1 和 s2 ，设 s1 和 s2 为零均值的复高斯随机变量，定义相干系数为：| Es s* | = 1 2 （1）E| s|2 E| s|2 * j ( n,m )12假设估计窗口 N × M 内，散射体是各态历经的，采用样本的平均值来估计，则有：N M| s1 (n, m)s2 (n, m)e| = n =0 m =0 N MN M（2） 12n=0 m=0| s (n, m) |2n=0 m=0| s (n, m) |2当估计窗口足够大且相干性较高时，式（2）的估计是无偏的。但当估计窗口过小或相 干性较低时，式（2）的估计是有偏的。为使式（2）估计是无偏的，必须加大估计窗口，但 估计窗口加大，计算干涉相位又很费时。为此，采用频率无关相干性快速估计法7，有如下 表达式：式（3）中，M=02 1 > 0.5 0.5（3）N M 12| s (n, m) |2 | s (n, m) |2 = n =0 m =0 N MN M（4） 12n=0 m=0| s (n, m) |4n =0 m=0| s (n, m) |4式（4）中估计值的计算都是直接对幅度值或幅度的平方来进行的，不涉及干涉相位的计算，大大减少了计算量。1.2 相干系数变化指数估计 定义相干系数的变化指数为M =M Mp r ecoM+ p r eco（5）M式（5）中，Mp r e和co分别表示震前的相干系数以及同震相干系数。在实际计算时，以 J × I窗口大小进行估计： =JI (Mj =0 i =0JI (Mj =0 i =0(i, j) Mp r ecoM(i, j) + p r eco(i, j) (i, j)（6）本文采用图1所示的Bam地区的数据源。以2003年12月3日的数据为主图像，以2003年6月11日和2004年1月7日的数据为从图像，分别生成震前相干系数以及同震相干系数。在Bam和Baravat城区以及断裂带附近，采用 3 × 3 的窗口计算，在其余的区域采用 9 × 9 的窗口计算相干系数变化指数。图 1 Bam 地区获取的 ASAR 数据分布图Fig. 1Envisat ASAR Bam Dataset2相干系数变化指数用于探测地震引起的城市破坏程度可行性分析相干性的大小与很多因素有关，包括基线、地形、信噪比、散射体特性的变化等。相干性随时间推移而降低，即时间去相关，目前还没有理论的模型对其进行定量描述和分析。然 而，时间去相关可以定性地描述为两幅SAR图像的后向散射系数的变化。如果散射体特性的 变化超过了雷达的波长（ASAR为5.6cm），将导致低相干性。图2为根据式（3）估计的震前和同震相干系数图。图3为根据式（6）估计的相干系数变 化指数图。分析这些图可以看出，在无植被覆盖区，即使间隔35天也能保持高相干性。例如 Bam城外的南部地区，相干系数大多数都在0.6左右；而在有大量植被覆盖的Bam城和Baravat 城中，无论是在震前相干系数图还是同震相干系数图，都表现为较低的相干性。在Bam城中 以及断裂带附近，地震后相干性都有显著降低。在Bam城的西北部地区，相干性却有所增加， 这主要是由于季节性河流造成的，可能在2003年6月和12月之间有降雨发生，而在2003年和1 月之间却没有。本文从ICG公布的Bam地区城市破坏等级图1上选取了7个区域，进行相干系数变化指数 分析。区域13是严重破坏区域，区域45是中度破坏区域，区域67是轻度或没有破坏的区 域，分析结果如图4和表1所示。由图4和表1可以看到，震前这7个区域的相干性都在同一量 级上，震后区域15的相干性显著下降，区域67没有明显变化。区域13相干系数变化指数最大，全都大于0.25；区域45相干系数变化指数次之，在0到0.2之间；区域67相干系数变化指数最小，都小于零。由此可以得出结论，相干系数变化指数的大小与区域的破坏等级是 有关的，严重破坏区指数最大，中度破坏区次之，轻度或没有破坏区最小。因而，利用相干 系数变化指数探测地震引起的城市破坏程度是可行的。（a）震前相干系数图（b）同震相干系数图 图2 相干系数图Fig.2coherence coefficients before (a) and after (b) earthquake图3 相干系数变化指数图Fig.3 Coherence change index表1 相干系数变化指数分析Tab.1 Coherence change index analysis区域震前相干系数震后相干系数相干系数变化指数区域 10.46830.20440.3923区域 20.49210.20190.4182区域 30.41120.17460.4039区域 40.40950.26150.2206区域 50.49750.31000.2322区域 60.49250.46620.0274区域 70.40780.4252-0.0209豆丁网精品论文http:/www.paper.edu.cn区域7 区域6区域5区域10.60.40.20-0.2区域2 区域3区域4震前 同震 相干系数变化指数图4 相干系数变化指数分析Fig.4 Coherence change index analysis3利用相干系数变化指数划分地震破坏等级图5是ICG公布的Bam地区城市破坏等级图。本文将Bam城市的破坏等级的划分按相干系 数变化指数k的大小定义为： 0.14 ，轻度或没有破坏区0.14 < 0.25 ，中度破坏区 > 0.25 ，严重破坏区图5ICG 公布的Bam地区城市破坏等级图1Fig.5 Damage map in the city of Bam reported by ICG图6（a）给出了分类处理的结果。由于图6（a）对地震破坏的描述过详细，因而直接利 用图6（a）指导地震紧急救援运作是不合适的。为此，我们利用IKONOS影像6，把相干系 数变化指数图按街区进行划分，在街区内计算相干系数变化指数的平均值，然后再进行等级 划分，结果如图6（b）所示，图中红色表示严重破坏区，绿色表示中度破坏区，蓝色表示轻 度或没有破坏区。由图6（b）可以看出，破坏区集中在Bam城的东部和南部区域，这些区域 也是建筑物密集区。此外，在图6（a）的矩形框内，相干系数变化指数很大，但在图6（b） 却显示没有破坏。这是因为图6（b）仅表示出有建筑物的区域，而Bam城这个地区是闲置地， 没有建筑物。比较图5和图6（b）可以看出，本文得到的结果与ICG公布的结果具有很高的 一致性。豆丁网精品论文http:/www.paper.edu.cn（a）直接分类结果（b）按街区平均结果 图6 地震破坏等级划分结果Fig.6 Coherence change index in the city of Bam (a) and derived damage mapping (b)4结论本文基于InSAR相干系数定义了一种相干系数变化指数，并探讨了利用该指数探测地震引起的城市破坏程度的可行性，最后以Bam地区为例进行验证研究。试验结果表明，利用相 干系数变化指数探测地震引起的城市破坏程度是可行的。建筑物的破坏等级与相干系数变化 指数的大小有关，相干系数变化指数越大，建筑物破坏越剧烈；指数相对较小，建筑物破坏 较轻。据此绘制出了Bam城市地震破坏等级图，其结果与国际地球灾害中心(ICG)公布的结 果具有很高的一致性。由于Envisat卫星的重复周期有35天，这期间的时间去相干有可能会导致地震破坏等级的 误划分。具相关资料报道，德国宇航中心计划在2007年年初发射一颗高分辨率的雷达卫星TerraSAR-X，重复周期仅11天，这将大大减少时间去相关的可能性，提高等级划分的精 度。参考文献：1 ICG Reconnaissance Mission. Bam Earthquake of 26 December 2003. Website:www.geohazards.no/pdf/Bam_earthquake_report-ICG-Rev1.pdf, 2003.2 Massonnet D., Rossi M., Carmona C., et al. The displacement field of the Landers earthquakeJ. Nature, 1993, 364: 138142.3 Jonsson S., Zebker H., Segall P., et al. Fault slip distribution of the 1999 Mw7.1 Hector Mine,California, earthquake, estimated from satellite radar and GPS measurementsJ. Bulletin of the Seismological Society of America, 2002, 92(4):13771389.4 Wright T., Fielding E., and. Parsons B. Triggered slip: observations of the 17 August 1999Izmit (Turkey) earthquake using radar interferometryJ. Geophysical Research Letters,2001,28(6):10791082.5 Yamazaki F. Applications of remote sensing and GIS for damage assessment. Proceedings of the Joint Workshop on Urban Safety Engineering 2001, pages 6984, AIT, Thailand, September 21-22, 2001.6 Disastercharter.org. Earthquake Iran (Bam).Website: http:/www.disasterscharter.org/disasters/iran_e.html, 2004.7 Guarnieri A. M. and C. Prati. SAR Interferometry: A “quick and dirty” coherence estimator for data browsingJ. IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, 1997, 35(3):660-669.