原來驚天動地可以看得見！20190705 美國加州地震地表位移雷達衛星影像干涉分析

2019年7月4日上午10點，美國加州瑟爾斯山谷地區分別發生兩起規模為4.0及6.4的地震，造成相當的恐慌，然而它們並不是主角，緊接而來的是7月5日晚上10點，於里奇克萊斯特東北方發生的一場規模7.1的主震。美國地質調查局指出，本次震央位於加州東部的剪切帶中，至少有兩條斷層錯動，很可能是北美板塊與太平洋板間錯動所造成。從震度分布圖來看，這場地震影響半徑達數百公里，距震央將近五百公里的下加州都量測到3級的震度，而這麼大的影響範圍，我們該如何才能完整且詳盡的觀測呢?

孟子曰：「登泰山而小天下」，當初孔子登上泰山，便可將魯國全貌一眼盡收。距離地表數百公里遠的太空中，人造衛星不斷繞著地球運轉，於地震當時正以上帝視角觀測整個事件的發生經過。目前用來觀測地震現象的人造衛星有三種：光學衛星、雷達衛星以及GPS衛星，分別能提供光學影像、雷達影像以及GPS點地表位移。

圖 1：農委會水土保持局巨量空間資訊系統 BigGIS 提供各種自然災害之衛星觀測與分析成果。本圖為2019年7月5日加州地震地表位移場，應用 Sentinel Application Platform (SNAP) 對 2019-07-04、2019-07-10這兩天所獲取之 Sentinel-1雷達衛星影像進行干涉分析而成。

 圖 2：夏威夷MAUI島，目前用以觀測地震的三種衛星資料：GPS、光學影像、雷達干涉影像。（資料來源連結）

光學衛星所拍攝到的地球即是常人眼中看到的世界，就跟手機的照相功能一樣，衛星上的攝影機接收到地表物體所反射太陽光後，即轉化為光學衛星影像，影像中每個點均由RGB三色所組成。藉由地震事件發生前後高解析度的光學衛星影像，我們可以清楚判釋地震前後的地表變化、災害分布及規模。圖 3、圖 4為worldview衛星於地震發生前後所攝。

圖 3：worldview 衛星於Ridgecrest地震前後所攝之光學衛星影像，後期影像中可以看見地表發生水平向錯移，造成道路多處斷裂。（資料來源連結）

圖 4：worldview 衛星於Ridgecrest地震前後所攝之光學衛星影像，後期影像中可以看見明顯水平向地表破裂的痕跡，另外新增黑色的區域為地下管線受地震破壞而漏水所致。（資料來源連結）

地震所造成的地表位移並不單是水平向的，而縱向上的變形不容易在光學衛星影像上辨識，而且許多地表位移遠小於光學衛星之解析度，這時雷達衛星影像的優勢就突顯出來了。雖說雷達衛星的空間解析度皆低於光學衛星，但雷達衛星影像是由衛星自主發射雷達波，並接收其反射波後繪製而成。藉由計算發射與接收雷達波的時間差，我們可以用「距離＝時間×速度」的公式，算出物體與衛星間的距離，進而繪製出數值高程圖。圖 5、圖 6為NASA在這次地震事件中，利用日本宇宙航空機構之ALOS-2衛星於2018/04/16及2019/07/08所拍攝的雷達影像，分別繪製地震前、後的數值高程圖，並計算出地表位移量。

圖 5：NASA以ALOS-2 雷達影像所繪製2019/07/08、2018/04/16之數值高程模型圖。（資料來源連結）

圖 6：由前後期數值高程模型計算之地表位移圖，藍色區域向西北、上方移動，而橘紅色區域則向東南、下方移動。圖中西北東南走向的色彩邊界為主震所造成，而左邊藍色區域中東北西南走向的邊界，則為規模6.4前震所造成。（資料來源連結）

近年來發展出另一種雷達衛星影像使用技術：雷達差分干涉。圖 7理論上衛星在相同位置下接收到同一地物之反射波波相應相同，但地震發生後會造成地表移動，改變衛星與地物間距，使波相產生錯位。藉由計算前後期雷達衛星影像中同一物體波相改變的量，我們可以計算出該物在兩幅影像拍攝時的移動距離，得以偵測公分級的地表位移。圖 8 Ridgecrest地震之雷達差分干涉成果，為NASA 使用ALOS-2衛星分別於2019/07/08、 2018/04/08所拍攝之雷達影像計算而成，圖中每個紅到藍的條帶累積位移量為12公分。

圖 7：雷達差分干涉基本原理，藉由兩期雷達影像之相位差，即可推算所攝物體移動距離。

圖 8：Ridgecrest地震之雷達差分干涉成果，為NASA 使用ALOS-2衛星分別於2019/07/08、 2018/04/08所拍攝之雷達影像計算而成，圖中每個紅到藍的條帶累積位移量為12公分。（資料來源連結）

Global Positioning System簡稱GPS，其工作原理是藉由不斷計算使用者與太空中衛星群之相對距離，以此獲得使用者之絕對位置。依據衛星與使用者間訊號傳輸時間與訊號傳遞速度，可以計算出兩者間距，當同時計算至少四顆衛星的數據，即可獲得一個焦點，也就是使用者所在位置。而美國境內安裝著數以百計的GPS測站，這些測站所持續運算之GPS紀錄，即可提供我們各地地表位移，甚至是地震時的位移速度、加速度。圖 9為Ridgecrest 地震發生五分鐘內的同震地表位移圖，在震源東北方地區位移方向(東南向)與西南方地區位移方向(西北向)明顯不同。

圖 9：Ridgecrest 地震發生五分鐘內的同震地表位移圖，圖中黑白色的小圓球為震央位置，而紅色箭頭為各地GPS站所記錄到的位移量，箭頭越長、位移越大。（資料來源連結）

長時間持續觀測、觀測範圍廣大、高再訪率等種種特性，使衛星在防災領域上極具應用優勢，前段描述了三種衛星應用於地震觀測的方式(光學、雷達、GPS)，均能於地震發生數日內提供完整災害空間資訊(範圍、位置)。像這樣每天持續累計的空間資訊，隨時間推移將能累計巨量資料，若無完善的資料管理方式，無形中將喪失許多寶貴資訊。國內GEODAC、GEONET為水保局建立了巨量空間資訊系統(BigGIS) 圖 9、圖 10，該系統以符合TWSMP2.0、OpenAPI3.0格式儲存了UAV空拍圖、航照圖以及9顆衛星所拍攝的衛星影像，另外亦包含各政府單位所建立之基本向量圖資，如地質圖、交通圖、坡度圖、流域圖和養殖漁業生產圖……等，總量已達47Tb。透過網路介面，使用者即可藉由空間、時間等條件篩選出欲使用之圖資，並利用網站提供的分析模組，進行簡單的資料運算。然而目前政府各單位多使用各自建立的空間資料系統，在圖資查找上難免有隔閡，進而導致資料無法有效使用及共享，影響其價值發揮，未來政府單位若能建立標準的空間資料倉儲系統，統一納管各單位之空間資料，將可提升資料使用率及共享率，對國土安全、防災、科學、國土規劃均有相當大的幫助。

圖 10： 農委會水土保持局巨量空間資訊系統 BigGIS，是由GEODAC、GEONET協助所建置之WebGIS，收藏水保局歷年累積巨量圖資，包含UAV空拍圖、航照圖以及9顆衛星所拍攝的衛星影像。

圖 11：應用BigGIS展示 20190705 加州地震之S1雷達衛星影像干涉分析地表位移場

圖 12：應用BigGIS展示 20190705 加州地震之S1雷達衛星影像干涉分析地表位移場之示範操作影片