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李永生,李强,焦其松，等.陆地探测一号SAR卫星星座在地震行业的应用与展望[J].武汉大学学报（信息科学版）,2024,49(10):1741-1752.LI Yongsheng,LI Qiang,JIAO Qisong,et al.Application of Lutan -1 SAR Satellite Constellation to Earthquake Industry and Its Prospect[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2024,49(10):1741-1752.
DOI:10.13203/j.whugis20230498
摘要
陆地探测一号（Lutan-1，LT-1）01组卫星是中国首个以地表形变合成孔径雷达干涉测量为主要特点，以复杂地区自然灾害监测预警为长期应用目标的合成孔径雷达卫星星座，由两颗参数相同的L波段SAR卫星组成，具有高分辨率、高重访、全极化等成像能力。星座以双星“绕飞”模式实现地形测绘，以双星“跟飞”模式实现地表形变测量。在分析分辨率、波长、重访周期对InSAR可探测形变梯度的基础上，以中国甘肃省舟曲县泄流坡滑坡为研究对象，结合LT-1卫星在轨测试期间分别以4 d、8 d间隔获取的17期条带模式2数据，通过差分InSAR、时序InSAR方法提取了不同条件下泄流坡滑坡的形变量（形变时间序列），以地面角反射器与全球导航卫星系统同步观测为参考，验证了LT-1卫星地表大变形的探测能力和时序InSAR测量精度。时序InSAR监测结果表明，观测期间泄流坡滑坡的后缘、中部和前缘的最大形变速率分别超过25 mm/d、11 mm/d和2 mm/d，滑坡体年累积最大形变量超过3.4 m，InSAR视线向形变测量精度达7.5 mm。综合分析成像模式、重复观测间隔、相干性变化、基线控制范围、形变探测能力，结果表明：LT-1卫星综合效能达到设计指标，具备良好的常态化广域地表形变监测能力，其高频次、严格回归、一致的观测模式将在广域地质灾害隐患识别与监测预警中发挥重要作用。
论文内容
陆地探测一号（Lutan-1， LT-1）合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）卫星星座是国家民用空间基础设施中长期发展规划重要组成部分，由性能指标一致的L波段SAR一型两星构成，分别于2022年1月26日（A星）和2022年2月27日（B星）发射升空。该卫星星座以差分干涉地表形变测量模式为主，兼具干涉测高和单星成像功能。单个卫星设计寿命为8 a。第一阶段，两颗卫星以可变基线编队飞行，范围在0.7~7.0 km之间，利用双星绕飞模式获取高精度、高空间分辨率的全球数字高程模型。在第二阶段，双星常态工作期间跟飞编队为主要模式，双星以180°间隔分布于轨道面（见图1），满足地质、土地、地震、减灾、测绘、林业以及军民融合等领域需求。
图1 LT-1 SAR卫星星座构型
1. LT-1卫星在地震同震变形监测中的应用
1.1 中国四川省泸定地震
2022年9月5日，四川省甘孜州泸定县发生6.8级地震，震源深度16 km。震中位于（102.08°E，29.59°N）。此次地震震源机制解显示为走滑型破裂，发震断裂为鲜水河断裂南段。LT-1 SAR卫星星座在2022年9月4日和9月12日分别获取得到震前和震后的干涉对，成像模式是条带模式1，空间分辨率为3 m。干涉对均采用星座中A星数据，极化方式HH。地震同震变形结果显示干涉图相干性较高，可以比较清晰地刻画出地震的同震变形场（图2（a））。
同时，在断裂带西侧的贡嘎雪山地区分布着多处局部变形信号（图2（a）），这些与地震触发的滑坡和冰川运动等相关， 这也得益于LT-1 L波段SAR传感器可以捕获更大形变梯度信号。为验证LT-1的地震同震变形能力，获取同为L波段的ALOS-2卫星干涉数据（2021-12-02—2022-09-08）进行同震变形监测（图2（b））。
图2 泸定地震基于LT-1和ALOS-2的同震变形场
1.2 中国台湾省花莲地震
中国台湾东部的断层系统受菲律宾海板块与欧亚板块/中央山脉地块的斜向碰撞与聚合影响，为全球速度最快的陆上断层系统之一，每年平均吸收约3 cm以上的板块运动。池上附近分布着纵谷断层和中央山脉断层，两个断层系统间常有地震活动的连动现象发生。2022年9月17日和18日在中国台湾省花莲县分别发生M 6.4和M 6.8地震，两次地震发生在关山和池上地区。9月17日地震震源深度仅7.3 km，属于浅源地震，推断断层面为北北东-南南西走向，高角度朝西倾，以左移运动为主的断层面，而压缩轴也与菲律宾海板块向西北挤压的方向大致吻合。17 h后在其北方约5 km的池上乡又发生震级达6.8的地震，震源机制与前一日地震类似。利用LT-1A SAR卫星获取得到这两次地震的同震变形场（见图3）。
图3 中国台湾省花莲地震LT-1的同震变形场
1.3 土耳其地震
利用地震前后LT-1 SAR卫星数据进行POT计算可快速获取土耳其地震的地表破裂带位置和变形量级。现有的InSAR监测技术中存在大尺度变形导致干涉相位梯度较大，POT方法可以克服这个不足，准确刻画出中强地震地表破裂带位置和空间覆盖范围（图4）。结果显示，沿着SAR距离向两次地震造成明显地表破裂，量级最大达到4 m。同时，在方位向结果上沿着断层方向也出现明显的断层走滑信号，最大量级达到2 m，该结果与ALOS-2 POT结果对比，具有较高的一致性。
利用DInSAR得到两次强震的同震变形场，受益于LT-1 01组卫星L波段雷达载荷波较长的优势，相隔10个月的两幅SAR图像对同震地表大形变区域依然保存较高相干性。基于POT结果提取地表破裂带位置，并对地震同震差分干涉结果进行解缠误差校正。结果显示，第一次地震引起地表破裂带LOS向位移最大达到3~4 m，第二次地震的地表破裂最大位移达到2 m（图5）。总体而言，两次地震造成的地表变形与左旋走滑地震的特征一致。POT和InSAR结果可以准确刻画出本次地震破坏程度，为震后救援提供重要的数据支撑。
图4 基于LT-1的土耳其地震POT同震变形场
图5 基于LT-1 的2023年土耳其两次地震的同震
1.4 中国甘肃省积石山地震
2023年12月18日，中国甘肃省临夏州积石山县（102.79°E，35.70°N）发生6.2级地震，震源深度10 km。利用LT-1卫星星座获取积石山地震前后的干涉SAR数据，分别是震前2023年12月18日、震后2023年12月22日，4 d的重访周期保证干涉图具有较高的相干性（图6（a））。结果显示，本次地震造成明显的地表变形，最大的抬升变形量级达到7 cm左右，这与本次逆冲地震性质一致。最大变形区域位于拉脊山南缘断裂和北缘断裂之间。为对比LT-1变形监测精度，本文利用哨兵卫星获得本次地震的同震变形场（见图6（b）），干涉对时间分别是2023年10月27日和2023年12月26日。变形场剖面线分析结果（见图7）显示，两种数据源变形量级和空间覆盖范围等都保持较高的一致性，说明LT-1在同震变形场监测方面具备较高的测量精度。
图6 甘肃积石山地震基于LT-1和哨兵1号的同震变形场
图7 甘肃积石山地震的InSAR同震变形场剖面线分析
2. LT-1卫星在地震应急评估中的应用
2022年泸定地震发生后，震区受云雾天气影响，震后3~4 d内光学影像无法有效成像，因此震后快速获取SAR图像可有效支撑震后应急响应工作。基于泸定地震前后的两幅LT-1 SAR图像，在对图像进行配准后，确定两幅SAR图像纹理特征计算的最佳窗口大小以及最合适的方位角，进而确定最合适滑坡提取的6种纹理特征参数，主要包括对比度、角二阶矩、均匀性、相异性、相关性以及熵6个特征参量。首先利用主成分分析的方法提取6个参数的第一主成分分量，然后计算地震前后纹理特征主成分分量的差，最后利用Ostu阈值分割方法区分滑坡与非滑坡，实现滑坡变化信息的提取。统计基于LT-1 SAR数据提取的滑坡面积，总面积为6.091 km2，最小的滑坡面积为348 m2（图8）。泸定地震发生后，获取高分6号（Gaofen-6， GF-6）遥感影像数据，处理后影像空间分辨率为2 m，影像获取时间为2022年9月10日。基于获取的光学遥感影像，利用深度学习的方式识别次生灾害共计1 287处，滑坡总面积为5.425 km2，其中最小滑坡面积为154 m2，最大滑坡面积为9 719 m2（图9）。
图8 基于LT-1 SAR卫星数据获取得到的泸定地震的同震滑坡及道路损毁评估结果
图9 基于GF-6光学数据泸定地震同震滑坡空间分布解译结果
3. LT-1卫星在活动断层遥感探查中的应用
针对鲜水河断裂部分地段，利用LT-1号数据产品，在活动断层相关信息和构造地貌解译方法的基础上，识别与活动断层相关的线性纹理特征，结合目视解译，充分利用LT-1 SAR数据能穿透植被的特性及区域性色调变化界面带，判定活动断层及相关构造解译标志体，结合光学影像，对断裂存在证据给予构造解译。色拉哈段是鲜水河断裂带南东段的主干断裂，全长约80 km，起于金龙寺附近，沿色哈拉、木格措至康定一带，断层性质为左旋走滑。在色拉哈以北，主要展布于海子山南西坡高原，整体海拔4 000 m左右，地势较为平坦；往南经过折多山北东方向，沟谷切割。断裂整体形状近似呈S形，地表分布众多的断层槽谷和断塞塘，最著名的就是S形拉分弯曲带形成的木格措湖（图10（a））。LT-1雷达影像中，木格措湖附近，沿断裂线性特征明显，色调有明暗差异（图10（b）），箭头所指为断裂的位置；在次嘎隆巴附近，断裂表现为不连续的线性分布，两侧纹理及色调差异明显。
图10 色拉哈断裂典型地貌（红色箭头指示断裂带位置）
鲜水河断裂带自康定以南，其几何展布又表现为较单一结构，收敛为磨西主干断裂。磨西断裂从康定以南沿磨西河延伸至石棉一带，总体走向340°。光学遥感影像中，在老榆林东侧，山脊和水系同步左旋（图11（a））。在雅家埂附近发育有冲沟位错，影像中表现出线性特征（图11（b））。在LT-1雷达影像中，在老榆林东侧和雅家埂附近（图11（c）、图11（d）），断裂在影像中都表现出线性特征，断裂两侧影像明暗度差异明显，可以清晰刻画断裂带特征。
图11 磨西断裂典型地貌遥感特征
4. 地震行业应用展望
近年来，针对构造运动监测的SAR卫星系统不论质量还是数量都得到极大提升，随着高分辨率SAR遥感技术的发展，人们可以获取到的卫星影像分辨率达到亚米级。因此，对地震构造和活动断裂的SAR卫星遥感观测是近年来快速发展的前沿技术之一。
1）目前包括新的LT-1星座在内的SAR卫星系统蓬勃发展，可实现覆盖中国全域的系统性、大范围变形高频观测。在高地震危险区人口增长以及城市人口密度增加，使得更好地理解活动构造显得日益紧迫。以SAR/InSAR观测资料作为约束和边界条件，识别活动断裂的位置以及速度等状况是提高地震危险性评估技术和绘制断裂地貌的关键需求之一。同时，将SAR观测资料同地下深部的地震活动联系起来，可进行地震危险性分析。因此，LT-1 SAR卫星在活动断层遥感探查应用中具有重要作用，可以为活动构造定性和定量分析提供全面、快速、客观的基础资料。
2）利用LT-1数据对重点构造板块及边界带的中强地震进行同震变形观测，绘制这些地震事件的同震地表破裂和断裂几何特征，对滑动分布进行建模和解释，可用于地球物理反演、地壳运动驱动力以及大陆岩石圈性质的约束。通过空基观测平台的革新促使地质模型的发展，这些模型也可以解释随着时间变化的地表形变现象以及断裂区域和构造格局的长期演变过程。
3）利用LT-1的高频成像能力，针对重点监测区域和断裂带，可以每年保证1~15次以上的重复观测频次，实现地表长期形变序列测量，有助于理解板块应变是否积累以及如何积累。同时，捕捉高精度地壳变形信号、分析地壳构造动力特征，进而为中长期地震监测提供支撑信息。
目前，LT-1卫星星座已开展常规对地观测任务，预计在不久的将来，在全球范围内将积累越来越丰富的SAR数据。利用这些数据开展包括地震过程的地表变形监测需要注意以下问题：
1）InSAR算法经过几十年的发展已经相对成熟，但由于SAR卫星系统的成像方式、数据分辨率、幅宽等都处在不断发展的阶段，因此LT-1 InSAR处理方法也在不断改进和优化，如轨道参数精化、大气延迟误差去除等。
2）LT-1 现阶段主要以条带1的方式开展常规观测，因此，如何对广域地壳变形监测涉及到的海量数据进行并行计算，形变成果平差拼接，以GNSS为参考的基准校正等也需要进一步研究。
3）LT-1 SAR卫星系统搭载L波段SAR传感器，可以有效地抑制复杂地表环境下干涉过程中固有的失相干现象，有效地提高干涉图的质量。但对一些地壳微小变形信号，L波段相对于C波段较不敏感，因此对一些活动断裂震间微小变形监测也需要进一步研究。
结语
为充分挖掘LT-1卫星在地震行业的应用潜力，本文从地震同震变形监测、地震应急评估以及活动断层遥感探查等角度分别对LT-1 SAR卫星数据的变形监测和地物识别能力进行介绍。以中国四川省泸定地震和台湾省花莲地震，以及土耳其地震和中国甘肃省积石山地震为例，以高精度差分干涉图精细刻画地震破裂带错断的空间范围和变形量级，充分展示LT-1 SAR卫星的地震同震DInSAR能力。基于LT-1 SAR卫星影像对泸定地震震区的道路通达性进行精确绘制，对灾区受灾信息的快速、动态获取以及地震灾害调查工作发挥重要作用。根据L波段雷达波穿透能力相对较强的特点，以鲜水河断裂南段为例详细展示SAR卫星数据中线性构造地形特征，反映LT-1卫星进行隐伏断层探测的成像能力。这说明LT-1卫星数据能满足地震行业变形监测和应急应用需求。未来随着数据的大量积累和SAR数据处理技术的发展，可进一步深挖LT-1卫星星座在地震行业应用的广度和深度，包括活动断裂微小变形监测、震后变形监测、震区生命线工程监测以及地震房屋倒塌评估等。
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