李 飛,楊成生
(1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 7121002;2. 長安大學(xué),陜西 西安 710054)
火山噴發(fā)是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,其結(jié)果不但會(huì)直接造成人員和財(cái)產(chǎn)損失,還會(huì)引起氣候變化,引發(fā)自然災(zāi)害[1]。自1991 年菲律賓Pinatubo 火山噴發(fā)之后,全球的火山活動(dòng)進(jìn)入了一個(gè)相對活躍的時(shí)期[1]。世界上大部分的火山位于人口密集的發(fā)展中國家。因此,世界各國都非常重視關(guān)于火山噴發(fā)的監(jiān)測、預(yù)測,以便最大程度減少火山噴發(fā)造成的損失[2]。
大錫特金島位于太平洋海域(美國火山島),總面積245 km2,長19 km、寬13 km,隸屬安德烈亞諾夫群島,歸阿拉斯加州管轄,最高點(diǎn)海拔1 740 m,島上無人居住[3]。大錫特金火山基本大體呈橢圓形(長半軸5.5 km,短半軸4 km),是由一個(gè)年代較早且頂部已消失的中央火山以及西北側(cè)的寄生火山錐組成的復(fù)合結(jié)構(gòu),寄生火山錐上方崩塌而形成了一個(gè)直徑約為1.2 km的破火山口。全島最高點(diǎn)位于中央火山的東南側(cè)殘頂,海拔1 740 m。大錫特金火山自18 世紀(jì)后期起有較多次火山活動(dòng)記錄,大多規(guī)模較小。最新一次火山活動(dòng)發(fā)生于2013年9月,此次規(guī)模較大,阿拉斯加火山觀測所已經(jīng)將這座火山的警戒級別上調(diào)至黃色(建議級),并且可以清晰地看到大錫特金火山西側(cè)破火山口內(nèi)的火山穹丘正在持續(xù)地噴出氣體。該火山在2013年9月發(fā)生的劇烈噴發(fā),對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和氣候造成嚴(yán)重的影響。據(jù)觀測資料表明,大錫特金火山在噴發(fā)之前,其表面已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的形變。
由德國和歐洲合作開發(fā)的TerraSAR-X 衛(wèi)星,于2007-06-15 發(fā)射升空,軌道位于極地軌道上高514 km[4],所使用的雷達(dá)波段為X 波段,衛(wèi)星分辨率大約1 m,壽命5 a(在排除氣象條件、照度、云層覆蓋的情況下)。本次實(shí)驗(yàn)所采用的研究區(qū)域位于太平洋海域的大錫特金島的大錫特金火山,大錫特金島(51.40~52.10N,175.48~176.17W),采用SAR 數(shù)據(jù)為TerraSAR-X,查詢到10景數(shù)據(jù),采用了其中的4景數(shù)據(jù)。表1為覆蓋研究區(qū)域的TerraSAR 數(shù)據(jù)列表,合計(jì)4 景數(shù)據(jù),第一景數(shù)據(jù)的拍攝時(shí)間為2013-08-16,第二 景2013-08-27, 第 三 景2014-08-03, 第 四 景2014-08-14。
表1 TerraSAR數(shù)據(jù)列表
SRTM DEM是美國航空航天局(NASA)和美國國家測繪局同歐洲國家合作,共同研發(fā)的一臺(tái)遙感測繪系統(tǒng)平臺(tái),系統(tǒng)搭載在航天飛機(jī)上進(jìn)行了11 d的飛行,共獲得數(shù)據(jù)9.8 萬億字節(jié),全球陸地80%被覆蓋,歷經(jīng)數(shù)年構(gòu)建了全球數(shù)字高程模型,數(shù)據(jù)處理時(shí)長為2 a[5]。目前其精度仍在隨算法更新而進(jìn)步。獲取SRTM DEM首先進(jìn)入網(wǎng)站http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/,選擇30 m分辨率版本的DEM 進(jìn)行下載, 查詢區(qū)域?yàn)?1.40~52.10N,175.48~176.17W,下載文件共4個(gè),分別是N51W176、N51W177、N52W176、N52W177。
主要工具為ENVI 軟件下的SARscape 的D-InSAR Displacement Workflow模塊。
1)基線估算:估算時(shí)間基線和空間基線以及多普勒偏移等主從數(shù)據(jù)的情況[6],是進(jìn)行后續(xù)工作的必要條件。
2)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入:要進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入必須將原始的TerraSAR-X 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為SARscape 的格式,因此還必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的工作,將原始RAW格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SLC 單視復(fù)數(shù)數(shù)據(jù),再進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入工作。數(shù)據(jù)的導(dǎo)入工作完成之后,會(huì)生成視數(shù)比的數(shù)據(jù)。
3)干涉圖的生成:此時(shí)根據(jù)前一步驟導(dǎo)入數(shù)據(jù)生成的視數(shù)比,將距離和方向視數(shù)分別改為14和6[6],制圖分辨率設(shè)置為25,然后進(jìn)行干涉圖的生成。
4)濾波和相干性計(jì)算:此步驟的目的是為了去除噪聲和計(jì)算相干性是否滿足要求。選用Goldstein濾波法,減少失相干噪聲,提升干涉條紋清晰度[7]。
5)相位解纏:相位變化超過周期2π,便重新開始和循環(huán)。相位解纏解決2π模糊的問題,解纏后濾波相位與地形信息的線性變化相對應(yīng)[8]。解纏方法使用的是Minimum Cost Flow,解纏分解等級設(shè)置為1。
6)控制點(diǎn)的選擇:在已有文件或用于軌道精煉的控制點(diǎn)文件中選擇控制點(diǎn)??刂泣c(diǎn)的優(yōu)選相干性高的干涉圖區(qū)域,避開未去除地形相位區(qū)域、變化的區(qū)域和解纏錯(cuò)誤區(qū)域[9]。
7)軌道精煉和重去平:用Automatic Refinement方法進(jìn)行軌道精煉,計(jì)算相位偏移,糾正衛(wèi)星軌道和相位偏移,消除可能的斜坡相位[6],這種方法是首先根據(jù)輸入的控制點(diǎn)估算軌道形態(tài),并將軌道精煉的多項(xiàng)式次數(shù)選擇3次。
8)相位轉(zhuǎn)形變及地理編碼:將經(jīng)過絕對校準(zhǔn)和解纏的相位結(jié)合合成相位,轉(zhuǎn)換為形變數(shù)據(jù)以及地理編碼到制圖坐標(biāo)系統(tǒng),將得到LOS 方向上的形變[10]。其中相干性閾值設(shè)置為0.18,并且不計(jì)算垂直方向的形變以及斜坡形變,并將方位角和入射角的角度設(shè)置為0°,X方向的水平分辨率和Y方向上的水平分辨率設(shè)置為25,并去除圖像外的無用值,這一步的目的是對圖像外的區(qū)域做掩膜處理。
9)結(jié)果輸出:自動(dòng)對形變數(shù)據(jù)進(jìn)行密度分割并配色展示,成果如圖1所示。
圖1 2013-08-06~2013-08-27最終形變圖
經(jīng)過上述的二軌法D-InSAR處理,得到2013-08-16與2013-08-27,以及2014-08-03與2014-08-14期間大錫特金火山的表面形變結(jié)果圖。接下來將會(huì)對2013年8 月期間與2014 年8 月期間大錫特金火山表面形變量進(jìn)行對比分析,包括火山表面整體形變量時(shí)間對比分析、以及垂直于火山口的兩條剖線的剖面形變量的對比分析。
4.2.1 火山表面整體形變量時(shí)間對比分析
據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),大錫特金火山在2013年9月曾發(fā)生過一次劇烈的噴發(fā),對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成巨大的影響,圖1和圖2以及圖4是火山噴發(fā)前后的火山表面形變結(jié)果圖,由于兩幅形變圖是在火山噴發(fā)前后生成的,因此分析這兩幅形變圖對于研究火山噴發(fā)與火山表面形變之間的關(guān)系有重要的意義。
圖2 2014-08-03~2014-08-14最終形變圖
圖4 2014-08-03~2014-08-14剖線方向圖
圖1 表示了2013 年8 月期間大錫特金火山表面形變量結(jié)果圖,從圖中可以看出大錫特金火山的火山口有明顯的隆起,形變量最高達(dá)到了+3.4 cm,隨著遠(yuǎn)離火山口,隆起的形變量逐漸降低,到了火山口的邊緣形變量基本為0。隨著距離火山口越來越遠(yuǎn),火山表面雖然出現(xiàn)了沉降,但是沉降量并不大,基本在-9 mm左右,并且到了火山的山腳下趨于穩(wěn)定。
圖2 表示了2014 年8 月期間大錫特金火山表面形變量結(jié)果圖,從圖中可以看出大錫特金火山的火山口形變并不明顯,只有輕微的沉降形變量,形變量大約為-5 mm。隨著距離火山口的越來越遠(yuǎn),直至大錫特金火山的山腳下,形變量基本上沒有變化,大體形變量在-5 mm~+5 mm之間徘徊,整體上趨于穩(wěn)定。
圖1 是在火山噴發(fā)前大約半個(gè)月生成的形變圖,從圖中可以看出,火山口附近有明顯的隆起,而且距離火山口水平距離1 km之內(nèi)的圓周范圍內(nèi)的隆起形變量與火山口的隆起形變量非常接近,大約為+3 cm,這說明火山噴發(fā)前期,火山口周圍會(huì)有明顯的隆起,且隆起的形變量大約在+3 cm 左右。火山內(nèi)部噴出物快速由火山口向地表釋放,形成隆起。上覆巖層圍壓,使巖漿中的大量揮發(fā)分無法溢出,當(dāng)巖漿上升接近地表時(shí)[11],壓力增大,會(huì)造成火山表面的隆起,當(dāng)表面壓力承受值超出一定閾值之后,火山便會(huì)噴發(fā)。
圖2 是在火山噴發(fā)之后大約8 個(gè)月生成的形變圖,從圖中可以看出,在火山口附近沒有明顯的形變,而且距離火山口水平距離1 km之內(nèi)的圓周范圍內(nèi)的形變量也非常小,與火山口附近的形變量基本一致,大多在±5 mm 之間徘徊。據(jù)可靠的觀測資料顯示,在2013年9月期間大錫特金火山噴發(fā)之后,該火山的活動(dòng)趨于穩(wěn)定。此時(shí)可以說明,在火山活動(dòng)趨于穩(wěn)定的期間,火山口附近及周圍1 km之內(nèi)的區(qū)域表面形變非常微小,數(shù)值在±5 mm之間徘徊,沒有明顯的隆起現(xiàn)象。
由此可以得出結(jié)論,在火山噴發(fā)的前夕,必然會(huì)伴隨著火山口附近地表的隆起,隆起形變量大約在+3 cm左右。隨著火山噴發(fā)之后的火山活動(dòng)日趨穩(wěn)定,火山口及附近地表的形變量微乎其微,大約在-5 mm~+5 mm之間徘徊。通過雷達(dá)影像對可能發(fā)生火山噴發(fā)的地區(qū)進(jìn)行干涉處理,生成地表形變圖,可以有效地監(jiān)測火山活動(dòng)的情況,對于火山噴發(fā)的早期預(yù)警、火山災(zāi)害的監(jiān)測、火山噴發(fā)的災(zāi)后疏散都有著非常積極的作用。
4.2.2 剖面分析
通過火山表面整體形變量對比分析,表明火山噴發(fā)前夕,火山口及附近地表會(huì)隆起,且隆起形變量在+3 cm左右。而在火山活動(dòng)趨于穩(wěn)定的時(shí)期,火山口及附近地表的形變量非常微小,大約形變量在-5 mm~+5 mm之間。接下來將會(huì)做垂直于火山口的兩條剖線,并進(jìn)行剖面形變量對比分析,來驗(yàn)證上述結(jié)論。
如圖3、4所示,所做的2條剖線分別垂直于火山口。其中L1 方向?yàn)閺奈飨驏|,L2 方向垂直于L1 方向?yàn)閺哪系奖保缓蠓治?013 年8 月形變圖和2014 年8 月形變圖沿著2 條剖線的剖面形變量,并進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證上述結(jié)論。
圖3 2013-08-06~2013-08-27剖線方向圖
圖5表示大錫特金火山在2013年8月期間和2014年8 月期間在L1 方向的剖面形變量走勢圖,圖6 表示大錫特金火山在2013年8月期間和2014年8月期間在L2方向的剖面形變量走勢圖。兩幅圖中分別都有火山口在剖線L1 方向和剖線L2 方向的相對位置,以此來分析火山口在L1方向和L2方向的剖面形變量走勢圖,并推斷火山表面形變與火山噴發(fā)的關(guān)系。由2013年8月期間大錫特金火山表面形變圖可知,在火山口及附近地表出現(xiàn)了明顯的隆起,隆起形變量達(dá)到了+3 cm。在火山噴發(fā)之后,火山活動(dòng)日趨穩(wěn)定的時(shí)期,大錫特金火山在2014年8月期間的形變圖表明,火山口及附近地表的形變量非常微小,基本在-5 mm~+5 mm之間徘徊。
圖5 大錫特金火山L1方向剖面圖
圖6 大錫特金火山L2方向剖面圖
如圖5 所示,大錫特金火山在2013 年8 月期間沿著L1方向的剖面形變基本都在+3 cm左右,沒有太大的波動(dòng),并且距離火山口越近,形變量越大,在火山口位置的形變量達(dá)到了頂峰,此時(shí)臨近火山噴發(fā),因此大錫特金火山沿著L1方向的形變量都非常高。從圖5中又可以看出,大錫特金火山在2014年8 月期間沿著L1方向的剖面形變非常微小,基本都在-5 mm~+5 mm之間徘徊,隨著距離火山口越近,形變量基本為0,這是因?yàn)榫嚯x火山噴發(fā)已經(jīng)過去了11個(gè)月,火山活動(dòng)日趨穩(wěn)定,沒有太大的波動(dòng)。
如圖6 所示,大錫特金火山在2013 年8 月期間沿著L2 方向的剖面形變與沿著L1 方向的剖面形變基本一致,都是保持在+3 cm 左右的隆起形變,并且距離火山口越近,隆起的形變量越大。從圖6中又可以看出,大錫特金火山在2014年8月期間沿著L2方向的剖面形變與沿著L1 方向的剖面形變雖然略有不同,但大體趨勢一致,都是形變量非常小,基本在-5 mm~+5 mm之間徘徊,并且距離火山口越近,形變量幾乎為0。
上述所選的兩條剖線L1 與L2 具有代表性,通過2013年8月期間和2014年8月期間大錫特金火山沿著L1 方向與L2 方向的剖面形變圖,并進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證上述結(jié)論。得出了大錫特金火山在噴發(fā)前夕,火山口及附近地表會(huì)有隆起,隆起形變量約在+3 cm 左右,在火山活動(dòng)日趨穩(wěn)定的時(shí)期,火山口及附近地表會(huì)有微小形變,形變量約在-5 mm~+5 mm左右。通過分析一段時(shí)間內(nèi)火山表面的形變量,推測火山是否有噴發(fā)的可能,對于火山噴發(fā)災(zāi)害早期預(yù)警,災(zāi)后疏散有著非常重要的作用。
本文利用D-InSAR技術(shù)對大錫特金火山的表面形變量進(jìn)行分析,說明了火山表面隆起及沉降的情況,并繪制了時(shí)序的剖面圖,直觀地揭示出火山表面形變與火山噴發(fā)之間的關(guān)系,也證明所采用的分析方法對地面形變監(jiān)測真實(shí)有效。