2022台東地震福衛五號取像

September 17, 2022 台東

   

2022台東地震福衛五號取像

September 17, 2022 台東

台東地震是發生於2022年9月17日至19日期間在台灣台東縣的地震,其中又以台灣時間2022年9月18日14時44分15.2秒,發生於台東縣政府北方42.6公里處,其震央位於台東縣池上鄉(北緯23.14°、東經121.20°),震源深度為7.8公里,芮氏規模為6.8的地震為最大主震。本次分析使用資料包含國家太空中心(NSPO)的福衛五號多光譜影像、歐洲太空總署(ESA)的Sentinel-1A C波段及日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的ALOS2 L波段的SAR衛星分別應用於此次地震事件,藉以評估此地震所造成之地表變化及地表位移。

國家太空中心衛星資料處理組於2022年9月18日下午立即修改福衛五號在9/19 Day1軌道的拍攝排程,並於9/21、9/23持續取像。本次分析主要使用9/21攝得的無雲影像與8/30的災前影像進行比對(如圖一),根據新聞報導指出的位置,如高寮大橋與崙天大橋,透過9/21福衛五號所拍攝的無雲影像可以看出,兩座因地震受損的大橋在9/21的影像中橋體有明顯地變形,如圖二及圖三;赤科山產業道路有明顯地、大面積的坍方,如圖四。另藉由地震前、地震後所攝得的假色影像輔予判釋之外,判釋小組也於山區中發現潛在可能造成坍方或土石流的位置予以標記,共計14筆提供給災防單位(如圖六),使外界能夠快速、有效地掌握災情。

圖一 福衛五號台東影像

圖二 福衛五號高寮大橋影像災前災後比對

圖三 福衛五號崙天大橋影像災前災後比對

圖四 福衛五號赤科山產業道路影像前後期比對

圖五 福衛五號前後期影像的變異點示意圖(底圖: Google Earth)

圖六 疑似強震造成變異的點位影像

圖七為分別使用Sentinel-1A(右)與ALOS2(左)的雷達差分干涉之結果。圖中所呈現的差分干涉條紋(fringe)以紅至藍(a duty cycle)為一差分干涉條紋,為一±π或是0~2π的變化。條紋越密集之地區則代表該區域之地表位移量越高。此地表位移所表示的移動方向為雷達觀測方向。以C波段的Sentinel-1A來說,每一條差分干涉條紋為雷達波長(約5.6公分)的半波長(約2.8公分)。以L波段的ALOS2來說,每一條差分干涉條紋為雷達波長(約23.6公分)的半波長,則約11.8公分。

圖七 合成孔徑雷達差分干涉圖(DInSAR, Differential SAR Interferometry)。右圖為Sentinel-1A之差分干涉圖,左為ALOS2之差分干涉圖。紅至藍(a duty cycle)為一差分干涉條紋,為一±π或是0~2π的變化,抑或是雷達半波長的變化。

由於長波長較易穿透雲層和植被頂層(canopy),因此ALOS2之差分干涉結果較可呈現出整體的地表位移之變化。由圖七左中可看出花東縱谷西側,較多的差分干涉條紋分布於中央山脈處,尤其偏北處之條紋更為密集,其代表山區地表位移較為東部沿海劇烈。而圖七右則呈現幾乎雜訊,較少的差分干涉條紋。這就是短波長較無法穿透植被頂層,因此較無法有效量測地表位移量。

雖然Sentinel-1A之差分干涉結果多為雜訊,但細部觀察下還是有部分地區呈現出密集的條紋,如圖八玉里鎮。圖八左、右分別為ALOS2與Sentinel-1A之差分干涉條紋圖。圖中可看出ALOS2的條紋較Sentinel-1A稀疏不少。這是由於如前所提L波段的ALOS2半波長約為11.8公分,大約為C波段的Sentinel-1A半波長的4倍。因此Sentinel-1A之條紋則密集許多。以玉里鎮區域來說,Sentinel-1A肉眼可數的條紋約為15條以上,約等於42公分以上之地表位移量;ALOS2則約為6條,大約有72公分左右的地表位移量。兩者呈現的地表位移有所差距,主要原因可為因Sentinel-1A雜訊嚴重,可數的條紋被低估所至。

圖八 玉里鎮周圍之雷達差分干涉圖。右圖為Sentinel-1A之差分干涉圖,左為ALOS2之差分干涉圖。

圖九為兩個主要震央地區(池上及關山地區)的差分干涉條紋圖,左為ALOS2、右為Sentinel-1A。圖中較為偏北的震源機制解(Focal Mechanism)為9/18的主震震央位置,位於池上周圍。池上區可觀測得的差分干涉條紋約為12條,約33公分以上的地表位移量(Sentinel-1A),而ALOS2則為約6條,約72公分。同上,Senitnel-1A之雜訊影響造成低估。

圖九 池上周圍之雷達差分干涉圖。右圖為Sentinel-1A之差分干涉圖,左為ALOS2之差分干涉圖。

圖十偏南的震源機制解(Focal Mechanism)為9/17的主要前震震央位置,位於關山周圍。關山區可觀測得的差分干涉條紋約為11條,約31公分以上的地表位移量(Sentinel-1A),而ALOS2則為約3條,約36公分。此二觀測量較為一致,但同上,Senitnel-1A之雜訊影響造成略為低估。

圖十 關山周圍之雷達差分干涉圖。右圖為Sentinel-1A之差分干涉圖,左為ALOS2之差分干涉圖。

SAR除了以差分干涉技術量測地表位移量外,還可利用SAR的震幅(amplitude)影像觀測地震所造成的地表變化,如建物的破壞等。圖五為運用震前及震後之震幅影像套用RGB套色法,將震前影像套以紅色(R)、震後影像套以綠色(G),套色後的呈現為,紅色則代表震前影像的反射能量較強,因此此物體為地震後有所改變。反之,綠色則為震後的反射的能量較強,一樣也可表示震後該物體有所變化。黃色則表示地物無變化。該為紅色或是綠色則視狀況而定。圖十一為新聞報導所提及之高寮大橋因此地震而毀壞。

依照雷達散射的原理,橋面上的道路尚屬平整,因此會對於雷達造成所謂的鏡像散射(surface scattering),而使得橋面上的道路再灰階尚呈現較為黑色(反射能量較弱),其他包含鏡像散射的物體如水面等。另外,地面上的建物多為二次散射(double bounce scattering or dihedral),因此於灰階上呈現較亮的顏色(反正能量較高)。

此地震造成高寮大橋損毀,橋面道路因毀壞而變成崎嶇不平的道路,造成些許的二次散射。因此,震前橋面應屬於較為黑色,但因地震的改變而造成較亮的顏色。因此,套用至RGB套色法後,高寮大橋呈現綠色,間接證明橋面損壞,如圖十一所示。

圖十一 SAR震幅影像RGB套色圖。右圖為Sentinel-1A之套色圖,R為09/10震幅影像、G為09/22震幅影像。左為ALOS2之套色圖,R為05/19震幅影像、G為09/22震幅影像。

圖十一中的Sentinel-1A震幅影像無法有效地呈現出高寮大橋,這是空間解析度較差所致。Sentinel-1A空間解析度約為20公尺(ScanSAR mode),ALOS2約為10公尺(Fine Beam mode)。