利用 InSAR 相干系数探测地震引起的城市破坏程度.doc
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1、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
2、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, 21009
3、8Abstract: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 r
4、elative 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 th
5、e 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. Th
6、us, 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
7、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
8、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: ; 何秀凤,1962 年 9 月生,女,江苏泰州人,教授,博导,E-mail: GPS。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
9、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:|
10、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(
11、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 (
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