一种基于多源SAR数据附加对数约束的同震震后时空滑动分布联合反演方法技术

本发明专利技术公开了一种基于对数约束和多源SAR数据的同震震后时空滑动分布联合反演方法：首先获取地震区域多源SAR数据并利用InSAR技术获取该区域的同震和震后时空形变场；随后基于震后余滑遵循对数函数式衰减的本质和弹性位错理论构建InSAR多源观测值与断层同震震后时空滑动之间的非线性函数模型；然后利用非线性求解方法反演出有限元断层上的同震滑动分布，震后余滑衰减常数以及相应的滑动幅度系数；进而利用非线性模型参数求解震后滑动时空分布，同时联合多源SAR数据提高断层时空滑动的时间分辨率；最后根据反演的断层时空滑动分布计算地震释放能量、应力状态以及构造摩擦性质等重要地球物理参数。

A joint inversion method of spatiotemporal slip distribution after a coseismic earthquake based on multisource SAR data with logarithmic constraints

【技术实现步骤摘要】
一种基于多源SAR数据附加对数约束的同震震后时空滑动分布联合反演方法
本专利技术属于基于雷达遥感技术的大地测量和地球物理领域，尤其是一种基于多源合成孔径雷达(SAR)数据附加对数约束的同震震后时空滑动分布联合反演方法。
技术介绍
星载合成孔径雷达干涉测量(InterferometricSyntheticApertureRadar，InSAR)自上世纪90年代发展至今，已经被成功地应用在震间、同震和震后整个地震周期的形变监测中。特别是当地面数据(如GPS,水准等)无法获取时，InSAR技术为地震研究提供了独一无二的形变数据源。雷达卫星得到的SAR(SyntheticApertureRadar)数据可以通过InSAR技术获取地震周期形变，进而反演得到有限断层滑动模型。这不仅有助于提高我们对断层几何、断层滑动以及断层摩擦性质的认识，而且有利于评估区域地震风险。然而，由于SAR卫星有限的重访周期以及数据获取政策，InSAR技术得到的同震滑动通常包含几天或几个月的震后形变贡献，相反得到的震后余滑缺失了这部分震后形变的影响，这必然增加了地震周期断层滑动估计的不确定性。如何有效分离基于InSAR技术反演得到的断层同震滑动和震后余滑对推动地震学的研究具有重要的科学指导意义。然而实际研究应用中，由于SAR卫星重访周期限制造成的基于InSAR技术反演得到的同震滑动分布常常受到震后余滑的严重污染，这严重阻碍了人类关于地震孕震机制认识和理解，并且严重影响了地震风险评估。为了更好地认识地球内部断层构造特性，需要有效地分离同震断层滑动和震后余滑。然而根据上述分析，目前相关同震震后滑动分离的研究具有一定的局限性，基于SAR数据的断层滑动反演技术难以有效地分离同震断层滑动和震后余滑。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，克服现有基于SAR数据的断层滑动反演技术中的不足和局限性，提供一种基于多源SAR数据附加对数约束的同震震后时空滑动分布联合反演方法。一种基于多源SAR数据附加对数约束的同震震后时空滑动分布联合反演方法，包括以下步骤：步骤一：利用InSAR技术处理多源SAR数据得到地震区域的同震和震后雷达视线向(即斜距向)观测值，并通过地理编码将InSAR测量值从雷达坐标系下转换到通用的横轴墨卡托(UniversalTransverseMercator,UTM)投影坐标系；步骤二：四叉树降采样InSAR观测值，利用多峰值粒子群算法求解发震断层倾角、发震断层走向、均一滑动量等主要断层几何参数，然后固定断层倾角和走向并将其细分为若干有限元断层；步骤三：基于弹性位错理论构建地表形变和断层时空滑动分布之间的格林函数模型：其中X为断层时空滑动向量，D为InSAR技术得到的地表形变，G为通过Okada弹性位错模型得到的格林函数矩阵，B为设计系数矩阵，ε为模型残差；T表示获取的总计震后SAR数据数量，和分别是断层有限元i在震后时刻j时的同震滑动向量和时空余滑累积向量，其中P为断层有限元个数，和分别表示不同时间节点的同震形变场和震后形变场。震后余滑遵循对数式衰减的特征，由下式表征：xpost＝A·log(1+(t-t0)/τ)其中，其中，A为描述震后余滑大小的幅度系数，t为震后SAR数据获取的时间节点，t0为地震发生时的时间节点，τ为描述震后余滑衰减速度的时间常数。步骤四：联合上述两公式得到附加对数约束的同震震后时空滑动分布联合模型。利用附加约束的非线性最小二乘算法求解联合反演模型，得到所有断层有限元上的同震滑动分布以及每个断层有限元上的余滑幅度系数和衰减时间常数，进而得到研究时间段内整个发震断层上的时空滑动分布。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1、整个专利技术流程清晰，实现简单，不受区域的限制，且不依赖于任何其它大地测量数据(如GPS)和地震波数据，对有效分离同震滑动分布和震后余滑提供了一种低成本、高时间分辨率且有效可行的方法。2、本专利技术突破了基于InSAR观测值反演断层滑动时难以严格分离同震滑动和震后余滑的瓶颈，拓展了人类对于地震破裂过程和震后余滑分布的机理认识和理解，对地球内部构造研究具有重要的科学价值和指导意义；而且本专利技术具有多源SAR卫星数据的兼容性，积极推动了SAR数据及InSAR技术的实用化和市场化发展。3、本专利技术主要利用震后余滑遵循对数函数式衰减的本质，基于InSAR技术有效的反演分离同震滑动和震后余滑，大大减少了模型待求量。与此同时，充分利用多源SAR数据弥补单轨SAR卫星重访周期的限制来提高时空滑动分布的时间分辨率。附图说明图1是一种基于多源SAR数据附加对数约束的同震震后时空滑动分布联合反演方法的流程图。图2是不同卫星轨道的模拟SAR数据示意图。图3是模拟(第一行)和反演(第二行)同震震后时空滑动分布图以及其相对残差(第三行)，第一列表示同震滑动结果；其他列表示震后滑动结果，图中间隔2.5m的黑色等值线表示模拟(第一行)和反演(第二行)的同震滑动分布。图4是模拟升轨同震(第一行)、升轨震后(第二)和降轨震后(第三行)形变场。a-c表示原始模拟形变场；d-f表示相应降采样后的形变场；g-i表示降采样并加噪后的形变场；j-l表示最优模型正演的形变场；m-o表示原始模拟形变场与最优模型正演形变场之间的残差；p-r表示相应的残差直方图。图5是模拟滑动分布和估计断层滑动之间的相关图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在为了便于理解本专利技术，首先提供本专利技术的理论基础：首先，利用InSAR技术处理多源SAR数据得到地震区域的同震和震后雷达视线向(即斜距向)观测值，并通过地理编码将InSAR测量值从雷达坐标系下转换到通用的横轴墨卡托(UniversalTransverseMercator,UTM)投影坐标系；然后，四叉树降采样InSAR观测值，利用多峰值粒子群算法求解发震断层倾角、发震断层走向、均一滑动量等主要断层几何参数，然后固定断层倾角和走向并将其细分为若干有限元断层；根据弹性位错理论，断层滑动X就会造成地表形变D，并且二者的关系满足：D＝G·B·X+ε其中G为通过Okada弹性位错模型得到的格林函数矩阵，B为设计系数矩阵，ε为模型残差；T表示获取的总计震后SAR数据数量，和分别是断层有限元i在震后时刻j时的同震滑动向量和时空余滑累积向量，其中P为断层有限元个数，和分别表示不同时间节点的同震形变场和震后形变场。而对于震后余滑而言，根据其遵循对数函数式衰减的本质，可以将任意断层有限元上任意时刻的余滑写成：xpost＝A·log(1+(t-t0)/τ)(1)联合公式(1)和(2)可得如下矩阵形式联合模型：其中，B1＝[1…1]1×P和B0＝[0…0]1×P。从公式(3)可以看出，模型参数个数仅与断层有限元个数有关，因此大大减少了待求参数量。公式(3)所示联合模型参数仅有2P+3，其中包括P个同震有限元断层滑动和P个震后滑动幅度系数，一个均一断层滑动衰减时间常数τ以及嵌套在格林矩阵中的两个断层滑动角，该模型待求本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多源SAR数据附加对数约束的同震震后时空滑动分布联合反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用InSAR技术处理多源SAR数据得到地震区域的同震和震后雷达视线向(即斜距向)观测值，并通过地理编码将InSAR测量值从雷达坐标系下转换到通用的横轴墨卡托投影坐标系；步骤二：通过四叉树降采样InSAR观测值，利用多峰值粒子群算法求解包括发震断层倾角、发震断层走向、均一滑动量的断层几何参数，然后固定断层倾角和走向并将其细分为若干有限元断层；步骤三：基于弹性位错理论构建地表形变和断层时空滑动分布之间的格林函数模型，其表示如下

【技术特征摘要】
1.一种基于多源SAR数据附加对数约束的同震震后时空滑动分布联合反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：利用InSAR技术处理多源SAR数据得到地震区域的同震和震后雷达视线向(即斜距向)观测值，并通过地理编码将InSAR测量值从雷达坐标系下转换到通用的横轴墨卡托投影坐标系；步骤二：通过四叉树降采样InSAR观测值，利用多峰值粒子群算法求解包括发震断层倾角、发震断层走向、均一滑动量的断层几何参数，然后固定断层倾角和走向并将其细分为若干有限元断层；步骤三：基于弹性位错理论构建地表形变和断层时空滑动分布之间的格林函数模型，其表示如下其中X为断层时空滑动向量，D为InSAR技术得到的地表形变，G为通过弹性位错模型得到的格林函数矩阵，B为设计系数矩阵，ε为模型残差；T表示获取的总计震后SAR数据数量，和分别是断层有限元i在震后时刻j时的同震滑动向量和时空余滑累积向量，其中P为断层有限元个数，和分别表示不同时间节点的同震形变场和震后形变场；而震后余滑遵循对数式衰减的特征，由下式表征：xpost＝A·log(1+(t-t0)/τ)(2)其中，A为描述震后余滑大小的幅度系数，t为震后SAR数据获取的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：许文斌，刘小鸽，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43