行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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計畫類別：整合型計畫
計畫編號：NSC89－2921－M－006－006－EAF
執行期間：89 年 06 月 01 日至 90 年 7 月 31 日
計畫主持人：余騰鐸
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：成功大學衛星資訊研究中心
中 華 民 國 90 年 10 月 29 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
計畫編號：NSC 89-2921-M-006-006-EAF
執行期限：89 年 6 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
主持人：余騰鐸 成功大學衛星資訊中心
計畫參與人員：陳卉瑄 成功大學地球科學研究所
一、中文摘要
民國 88 年 9 月 21 日集集地震，以芮氏地震規模 7.3、震源深度 7.0 公里造成鄰近地 區的重大傷亡與極嚴重的地表變形，利用全球定位系統（GPS）於地震前後控制點所量 測的變化量，提供了高精確度的地表變形點位控制，由於控制點並不均勻且不普遍的分 布在震央區周圍，對於精確的地表變形描述仍需藉助於數值模擬。合成孔徑雷達差分干 涉術（D-InSAR）於地震前後拍攝之影像經適當處理後，可以差分出這段時期的地表變 形，提供全面性的地表變形資訊。InSAR 在美國與日本已成功的偵測出地震所引起的地 表變形，但少見應用於國內的相關研究，由於台灣的高溼度、多植被、多山的特性，要 利用合成孔徑雷達干涉術獲取高精度的地面高程數據及地表變形資訊有先天性的限 制。本研究以先期性的利用及發展此技術為主體，先將台灣中部地面覆蓋物與干涉成果 的關係作一描述比較，將此技術應用於集集地震的地表變形偵測，並利用 GPS 資料及 數值模擬資料必要的輔助及檢驗。
本研究成果顯示在城市區地形變資訊與 GPS 相較之平均誤差小於 10 公分，車籠埔 斷層右方的山區誤差高達數公尺，誤差來源除了時間與空間非相關（Temporal and spatial decorrelation）外，大氣及繁盛植被對訊號之散射造成的誤差亦不可忽略。InSAR 應用在 此次地震考慮到斷層上盤繁密植被致使訊號失真的影響，僅得主斷層下盤的變形資訊，
在人口稠密區（如台中市區）的地形變卻比預期的效果還好，表示 InSAR 雖然精確度不 如 GPS 且成果好壞端賴地面覆蓋物與資料品質，卻可於大範圍區域內快速而具經濟效 益的擷取同震變形量，點位密集而分布均勻，並且在城市區的地形變監測具有公分級可 信度，在未來地震災害預防及分析上不失為一個有潛力的偵測工具。
關鍵詞：全球衛星定位系統、高程數值模型、合成孔徑雷達干涉術、合成孔徑雷達差 分干涉術
Abstract
The destructive Chi-Chi earthquake (ML=7.3) occurred on September 21, 1999, in Central Taiwan. It produced a rupture trace more than 100 km long following the Chelungpu Fault. Many geodetic measurements have been taken to this area for detecting the co-seismic deformation following by Chi-Chi earthquake. Both the seismological records and the GPS measurements indicated significant co-seismic slip varying from a few metres to nearly 10 metres. However, the disadvantages of those methodologies are not only labor-intense but also no cost-effective. Furthermore, the spatial coverage of the geodetic observations is too sparse to clarify overall regional deformation pattern on the footwall and hangingwall of the Chelungpu Fault. Therefore, development of a new technique that can provide intense spatial distribution and finance loading is the main target of this study. As Interferometric Synthetic
Aperture Radar (InSAR) allowed successful reconstruction of earthquake deformation, volcano inflation and deflation, landslide and subsidence, thus the significant surface displacement produced by Chi-Chi earthquake offered the excellent opportunity to apply Interferometric SAR reconstruct the co-seismic deformation patterns. Meanwhile we try to overcome the problems of noisy interferograms caused by full-forested and rural areas in Taiwan. In order to eliminate the topographic contribution, we used 3-pass differential InSAR (D-InSAR) approach to generate digital elevation model (DEM), which is suitable using for monitoring surface deformation over the experiment area. Although coherence is not perfect in most of full-forested hangingwall areas of the Chelungpu Fault and rural areas but we find that fringes in footwall area such as Taishung city show the significant co-seismic displacements. We also find a lobed pattern that suggests up to 15 cm of subsidence within a small area and follows the same patterns as compared with synthetic fringes from dislocation model based on GPS measurement.
A crucial problem relative to the accuracy and error sources in InSAR measurements is reflected by the coefficient at various land-cover. The difference between D-InSAR and GPS measurements is less than 8 cm in city area but up to 50cm on the forested hanging wall. To this aspect, it is inadequate to apply InSAR technique in the mountains and dense vegetation area of Taiwan. In this study we obtain the reliable fringes in Taishung city, however in other areas such as rural areas and forest areas, the results are quite poor. It suggests that InSAR is indeed a convenient and useful tool in investigating the elastic deformation in urban region with intense building From the seismic hazard point of view, the monitor of deformation built up during the inter-seismic period is a major concern for seismic hazard assessments in Taiwan. In this study we have proven the InSAR technique is suitable for the task at certain region of Taiwan, to enlarge the application aspect and more covering region still need to improve the systematical limit on now a day.
Keywords: Global Positioning System 、 Digital Elevation Model 、 Inter fer ometr ic Synthetic Aper tur e Radar 、Differ ential Inter fer ometr ic Aper tur e Radar
二、緣由與目的
近幾年國外在 InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）相關的發展已經齊 備，對台灣地區而言，因植被密布及高溼度干擾雷達回訊甚鉅而甚少相關成果，國立中 央大學太空遙測中心及國立成功大學衛星資訊研究中心在民國 86~88 年進行嘉南地區 及彰化沿海地區地層微變動的監測（王志添等人, 2000a），初步都可在高程變化上達公 分級的精度，已對 InSAR 的先期研究貢獻頗豐。民國 88 年 9 月 21 日集集地震發生後雖 為災害的無可避免及人民財物的極大損傷深感遺憾，但以地表破裂南北達 85 公里的破 壞而言，的確提供 InSAR 發展的另一個新契機，也是 InSAR 在台灣地區首次用於地震 變形測量的先例（陳卉瑄、余騰鐸, 2000；王志添等人, 2000b）。以 GPS（Global Position System）的測量作業而言，為量取同震變形量，施測時間由地震後一天至十月中旬才完 成，而資料作業時間更為繁瑣，且進行外業的車馬費、人事費加總數字龐大，不啻耗費 龐額的人力及財力。由地震前後不同時期拍攝的影像對進行差分干涉步驟，可以快速的 得取大面積的地形變資訊，由於中央大學接收 ERS 系列在台灣上空拍攝的衛星影像，
資料取得甚易且價格低廉，而使用 EarthView 套裝軟體處理一幅完整的差分干涉影像成 果僅需 1 天，雖然精確度不如 GPS 點位測量，但以一平方公里範圍內就有 3.125×104 個點位的高密集度，提供一個面的涵蓋而不僅是點的分布，對於大範圍的變形趨勢描述 確有不可取代之優勢。
由 震 源 機 制 解 及 地 表 破 裂 位 置 知 集 集 地 震 係 車 籠 埔 斷層再次活動引起（王乾 盈,1999），除了以地震資料獲取深部資訊外，地表變形的描述則以不同的測量手段進行，
以確切理解斷層型態、地表破裂範圍及地震災害度。為了即時獲取變形資訊，InSAR 在 台灣地區首次被應用於地震變形測量，利用 ERS-2 衛星 35 天的軌道重複週期（orbit repeatition period）嘗試以震前（pre-seismic）、同震（co-seismic）及震後（post-seismic）
影像兩兩配對做干涉及後續差分處理，但台灣地區訊號反射受植被影響甚鉅，因此首先 探討地面覆蓋物與干涉影像對相關係數的相關性，選出可產生較好成果的地域，再者以 三軌跡差分干涉法（3-pass Differential Interferometric SAR ）進行差分處理，描述差分 成果與影像對相關參數之關聯度，並將較好的差分干涉成果與 GPS 測量資料及數值模 擬結果比較（Zebker, et al., 1994），提昇將 InSAR 應用於台灣地震變形偵測的成功率與 精確度。
三、結果與討論
本研究成果顯示三軌跡差分干涉法可得與 GPS 測量結果（圖一）及數值模擬成果
（圖二）相符之變形條紋趨勢，在城市區高程地形變資訊與 GPS 相較之誤差小於 8 公 分，車籠埔斷層右方的山區誤差高達數公尺，誤差來源除了時間與空間非相關（Temporal and spatial decorrelation）外，大氣及繁盛植被對訊號之散射造成的誤差亦不可忽略。
InSAR 應用在此次地震考慮到斷層上盤繁密植被致使訊號失真的影響，僅得主斷層下盤 的變形資訊，在人口稠密區（如台中市區）的地形變卻比預期的效果還好。InSAR 的靈 敏度可以在學理上達到 mm 級的精度，但在實際上運用於台灣地區受限於氣候與地形因 素等造成之實際效果不若火山或沙漠地區精確。但在背景資料收集上 InSAR 可以大面積 全面性的蒐集，經數值化儲存後於有需要時擷取災後資料，以數據庫資料相互比對得到 因特定災變引起之地表變化，此為一般地面傳統測量所不能及。天候干擾的確造成較差 的精度，但以應用於地質及地物現象描述的大地測量技術而言，InSAR 仍是可以使用的 手段，不像是航測或一般地面測量方法於天候不佳時候便無法進行資料蒐集。
以目前衛星資訊之提供，要在台灣地區利用 InSAR 得到 mm 級變化的偵測有現實 上的困難，此屬先天性的限制，必須等待下個世代的衛星技術來解決。而山區部分品質 不佳無法成像的問題，亦須考量訊號波長、入射角與軌道幾何組成等狀況再行改正，從 訊息改良方面著手之助益不大。
D-InSAR 測得的地表變動量在斜距方向上的敏感度可達公厘級敏感度，而本研究成 果顯示在城市區（City area）具有誤差小於 6 公分的 D-InSAR 結果，植被區的誤差則大 於 15 公分，甚至在中央山脈區域高達 50 公分以上。在彰化斷層以西至沿海地區呈現 5-18 公分的下陷量，彰化斷層以東至車籠埔斷層呈現 10-25 公分的下陷量，但車籠埔斷層右 方的山區誤差高達數公尺，且無法得到逆衝斷層上盤上升的趨勢，主要因為地面覆蓋物 嚴重影響干涉結果，植被多的山區訊號難以維持一致性。在地震災害的預防上首重人口 稠密區，而人口稠密區必多建築物，在地面覆蓋物對干涉品質的影響層面上論，多建物 的城市區可達最好的干涉預期成果，此為 InSAR 在台灣地區發展潛力的一大訴求，即針 對局部人口稠密區域進行 InSAR 相關地表變形測量，以助於理解城市區地震災害分析。
圖一 1999 年 9/23-5/6-10/28 差分干涉圖與地表位移場相較圖。地表位移場資料 由 GPS 測量資料換算斜距方向得來，再台中市區的似同心圓條紋趨勢相 似。
圖二 數值模型與 D-InSAR 結果比較圖。A 為 RNGCHN 程式模擬差分干涉條紋；
B 為 1999 年 7/15-5/6-10/28 差分干涉結果；C 為 1999 年 9/23-5/6-10/28 差分干 涉結果。
四、計劃成果自評
此為台灣地區首次將 InSAR 應用地震變形測量的研究，除了成功獲取車籠埔斷層下 盤的下陷量之外，亦成功估計震源區的變形資料精度並與 GPS 資料與數值模擬資料比 對，評估 InSAR 在台灣地區應用的可行性。
五、參考文獻
[1] 王志添、王顯達、陳滌清、陳乃宇, 雷達差分干涉法應用於地層下陷研究, 測量 學術研討會論文集, p511-519, 2000a.
[2] 王志添、梁隆鑫、陳錕山、陳哲俊, 雷達差分干涉法應用於地震後地表變形研究, 測量學術研討會論文集, p741-749, 2000b
[3] 陳卉瑄、余騰鐸, 差分合成孔徑雷達應用於偵測集集地震地形變之研究, 地球物 理年會論文集, p10-20, 2000.
[4] 王乾盈, 車籠埔斷層如何動, 中國地球物理年會之集集大地震特輯, p51-54, 1999.
[5] Zebker, H. A., Rosen, P. A., Goldstein, R. M., Gabriel, A., and Werner, C. L., On the derivation of coseismic displacement field using differential Radar interferometry: The Landers earthquake, Journal of Geophysical Research, 99(B10), p19617-19634, 1994a.
