成像雷达遥感地质灾害应用_遥感技术在地质灾害
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成像雷达遥感地质灾害应用
张万超
（中国地质大学 信息工程学院 遥感与科学技术专业）
摘要：概述了合成孔径雷达技术的发展状况,对合成孔径雷达成像机理及特征做了简要介绍。结合SAR技术的发展阶段,简述了成像雷达遥感地质研究的技术理论,总结了国内外应用研究现状。同时对新兴起的新型成像雷达技术(极化雷达、干涉雷达)及其发展趋势也做了简单描述,重点突出了新型成像雷达技术在地质地震研究中的应用。最后提出了新型成像雷达技术在目前研究中存在的问题及对当前研究的改进措施,展望了他们未来的发展趋势。关键词:成像雷达遥感;地质应用;极化雷达;干涉雷达
成像雷达遥感,一般即指合成孔径雷达(syntheticapertureradar,SAR)遥感,其显著特点是主动发射电磁波,具有不依赖太阳光照及气候条件的全天时、全天候对地观测能力,并对云雾、小雨、植被、及干燥地物有一定的穿透性,此外,通过调节最佳观测视角,其成像的立体效应可以有效地探测目标地物的空间形态,增强地形地貌信息。这些独特的优势使得雷达遥感相对光学遥感,在地质学中得到了更为广泛的应用和深入发展。地质学是雷达遥感除了军事侦察以外最早的应用领域,起始于20世纪60年代美国在云雾覆盖、林木繁茂的南美开展的大规模机载雷达地质应用试验。随后美国、巴拿马、巴西等国家成功的进行了几次机载雷达遥感飞行,广泛地用于基础地质及矿产、油气资源调查。
进入20世纪80年代,机载雷达遥感已作为一种成熟的技术应用于地质探测中,美国、加拿大等国家相继开展了SAR制图、雷达地质研究等计划,取得了大量数据,对矿产资源和地质调查作出了很大贡献。在开展机载雷达地质研究的同时,星载雷达遥感也广泛应用地质研究。SeasatSAR及SIR-A/B等卫星、航天飞机雷达的相继升空,获得的包括从亚马逊河及印度尼西亚的热带雨林到北非和沙特阿拉伯的干旱沙漠地带等地区的大范围的雷达影像,提供十分丰富的地质构造、岩性、隐伏地质体等地质矿产信息。20世纪90年代,雷达遥感研究达到空前高潮,ALAMZ-SAR,ERS-1/2SAR,JERS-1/SAR及RADARSAT-1相继发射,以及航天飞机SIR-C/X-SAR二次成功的飞行,为雷达地质研究工作的进一步开展提供了丰富的数据源。当前,国际民用高分辨率合成孔径雷达卫星研究又向前跨进了一大步,EnviSat/ASAR,ALOS/PALSAR,TerraSAR-X,TecSAR,Cosmo-Skymed-X,RADARSAT-2等雷达卫星的相继升空,雷达遥感获取的信息量越来越丰富,同时数据处理方法和手段越来越完善,特别是新型成像雷达遥感技术(极化雷达、干涉干涉雷达)的出现,雷达遥感已经深入到地壳形变、地震孕育、板块运动及地面沉降测量等地质研究各领域。
1．地质体微波散射理论
目标的散射特性,是雷达图像解译的理论基础。地质体散射是电磁波与地质体相互作用的结果,雷达图像上的灰度数字值是相应地面地物的雷达后向散射回波强度在图像上的反映。可用如下的雷达方程来表示:
其中:Pt为雷达接收功率;Pr为雷达发射功率;G为天线增益;γ为波长;R为天线与目标地质体之间的距离;σ为后向散射系数,与地质体物理特性参数(表面粗糙度、复介电常数)等有关;A为目标地质体的雷达后向散射截面,是一个与雷达系统参数(波长、极化、发射功率、天线增益)及成像几何位置(入射角,天线到目标地质体的距离)有关的因子。显然,在雷达系统参数及成像几何位置不变的情况下,雷达图像上的后向散射强度仅随目标地质体物理特性参数后向散射系数而变化。如果在绝对尺度上已知k,就可把像元的灰度数字值DN(ij)直接与σ联系起来,生成一幅在绝对尺度上强度直接和后向散射系数有联系的图像(即绝对定标)。如果只知道k的相对变化,就只能生成一幅相对后向散射图像(即相对定标)。决定雷达图像后向散射强度的岩石表面性质主要是表面粗糙度和复介电常数。表面粗糙度取决于表面结构形迹,如沙、砾和卵石的颗粒及风化碎屑。除未固结的砾石、沙和粘土外,表面粗糙度和岩性之间并没有固定的关系。因此,不同岩性的岩石可能有相同的雷达回波。因此,在雷达图像上识别岩性,必须利用岩石的地貌表现和风化特征。
数是对表面物质电性的测量,它强烈地影响着物质吸收电磁波能量的能力,并影响着电磁波能量的反射率。物质的相对介电常数由实部和虚部组成,实部代表物质的介电常数,而虚部表示物质的损耗因子。复介电常数在很大程度上取决于表面物质的含水量,相对地质体而言,含水量极低。因此,复介电常数的实部与岩石类型、结构、密度和岩石化学成分有关,而虚部则变化较小。2．像雷达遥感在地质研究中的应用
在雷达遥感的发展过程中,单波段、单极化及多波段、多极化雷达图像在地质学中应用非常广泛;其所特有的全天候、全天时数据获取能力及对一些地物的穿透性能,已成功地应用于对地观测,如岩性识别、区域构造分析、矿产调查、地质填图等,给传统的地质学带来了新的活力。2.1形地貌分析 雷达遥感主动发射电磁波,以及全天时、全天候获取数据的能力,使其能在自然条件较为恶劣的地区,有效地进行地形地貌探测。雷达图像立体感强,地形起伏明显,对地形、地貌等信息有较强的表现力和较好的探测效果。
Rowland等应用ERS-1的雷达影像对阿拉斯加半岛和阿留申群岛的火山地貌进行研究,发现Aniakchak火山口附近一个结构均匀低侵蚀性的地质体单元,主要是一层厚重的低流动性火山碎屑沉积物,同时检测到了黑风岭地区可能的火山喷发残留物,确定了Veniamino高原冰川地区与火山相关联的一些崩滑带和洼陷地坑。Kervyn对坦桑尼亚西南部鲁夸裂谷近期-现今构造演化规律进行了研究,发现了很明显的构造演化特征,同时检测到与地质构造密切相关的其他典型地形地貌特征。基于光学-雷达(SIR-C/XSAR,RADARSAT-1)-数字高程模型(SRTM)数据集成,Allison等对诸如埃塞俄比亚阿法尔凹陷等干旱区进行了地质测图研究,绘制了第四纪阿法尔凹陷北部Erta!Ale火山山脉独特熔岩流的时空分布,解译并可视化了阿法尔凹陷中部Dobe地堑的组成部分扩展叠形扇,绘制了Tendaho峡谷两翼流纹岩流的形态确定结构。2.2岩性地层划分及地质构造解译
在雷达图像上识别和分析岩石类型,主要利用岩石的表面粗糙度、风化特点和地貌形态。不同岩性的岩石由于风化的作用会形成不同的地表形态,反映在雷达图像上则是不同的纹理。同时,雷达侧视成像方式对地表几何形态敏感,可对地质构造形成立体感较强的图像,从而能直观地分析地质构造;此外,通过主动发射电磁波能量的工作方式,可使特定方向上的构造得到增强而易于发现和识别。基于SIR-C/XSAR数据,Guo等在中国昆仑山西部阿克赛钦湖东北发现了一个火山群;进一步研究发现,LHV能够最有效的鉴别熔岩流(pahoehoe和aa熔岩)、冲积岩和基岩。Kusky等对埃及沙漠东南部Allaqi缝合带的岩石单元、结构和矿床活动区进行了研究发现,黑白SIR-C/XSAR影像刻画出控制矿化过程的植被、断层和褶皱的纹理特征,而多波段彩色复合图像(Chh-Lhh-LhvSIR-C/XSAR)对产生放射性矿化的一些椭圆形花岗岩体比较敏感,同时与航空相片和TM影像相比,SIR-C/XSAR数据传递更多的薄沙层覆盖下的岩石和结构信息。Mering等应用SPOT-全色和ERS-1雷达图像提取安第斯山脉中部地区的一些地质结构特征,除了一个微小左旋走滑断层,其余沿西北-东南走向的主要断层都是正常的。东北-西南走向的开口断层都是张裂缝,随着进一步向东北-西南走向延伸,西北-东南走向的主要断层形成一个包括活跃的火山区的伸展∀雁列式#模式。Raharimahefa等利用光学遥感和JERS-1/SAR数据,结合实地调查对马达加斯加东南部Betsimisaraka缝合带地质体结构和演化过程进行了研究进行了研究,结果表明,南部B.S.划分为前寒武纪基底岩石马达加斯加两部分,西部地区包括古代的岩石,而东部地区是一个太古板块,命名为Masora块。南部的B.S.包括高变质岩,记录强有力的变形和矿藏,包括铬,镍,和翡翠,海洋特征的材料是符合缝合带。
2.3隐伏活动构造及其他隐伏地质现象的探测
用雷达图像探测隐伏活动构造及其他隐伏地质现象,是基于探测区域地表粗糙度及复介电常数引起特征雷达回波这一机理,在图像上识别出这些测隐伏活动构造,主要是地表雷达回波的贡献。
1982年McCauley等首次利用航天飞机成像雷达SIR-A图像在非洲撒哈拉南部沙漠地区发现沙层覆盖下的属于第三纪中期至第四纪次地表残留古河道和古人类遗迹。接着利用SIR-C/X-SAR数据在该地区开展了进一步的研究,基于C-和L波段合成孔径雷达图像,第一次明确界定基岩单位(花岗岩和片麻岩)和与之有联系的破碎带[。在阿拉伯半岛,Abdallah等通过对L波段雷达数据初步判读,揭示泥沙覆盖的地质结构特征和古河道,进一步增进对当地区域河流地质地貌的了解。应用可见光、红外、雷达数据以及探地雷达,Blumberg等对西内盖夫、以色列、西奈半岛北部和埃及地区裸露和埋藏在沙土下面的古河道进行了研究,发现Halutza,Agur和Shunra沙丘是西奈半岛北部的沙丘的延续。L波段雷达数据能够探测到掩埋在地底下WadiMobra和Nizzana河道的延续,而可见光和红外影像很难检测到;雷达(L(HV),L(HH)andC(HH))的波长和极化方式能增强古河床和周围的河漫滩的对比度。
3新型成像雷达技术(极化雷达、干涉雷达)的地质应用 3.1极化雷达与干涉、差分干涉测量技术 3.1.1极化雷达(polarimetricSAR,PolSAR)多波段多极化雷达只能探测某种固定极化状态的后向散射回波,且大多为同极化,如HH,VV极化等,因此无法根据地物极化响应的特点合成有利于提取地物信息的极化图像,对地表的探测也只能是不完全的。为了克服多波段、多极化雷达的缺陷,极化雷达开始出现,极化雷达(PolSAR)也称全极化雷达,是20世纪80年代末90年代初出现并迅速发展起来的一种新型主动成像雷达。它近同时发射和接收H,V两种线性极化雷达脉冲,以Stokes矩阵或散射矩阵为基本记录单元,相干记录了地物HH,HV,VH,VV四种极化状态的散射振幅和相位,并可利用极化合成技术计算任意一种极化状态的后向散射回波,既有振幅信息,也有相位信息。因此,极化数据能提取更多的地物极化信息,如线性极化散射强度相同极化相位差!∀hh-vv、极化度,HH-VV同极化相关系数,总功率,同极化比,交叉极化比等。3.1.2干涉雷达及差分干涉测量
干涉雷达(interferometricSAR,InSAR)是雷达遥感的热点研究领域,它利用雷达信号的相位信息提取地球表面的高精度三维信息,主要应用于测量地面点的高程及其动态变化。干涉雷达通过两副天线同时观测或两次平行观测,获取地面同一景观的复图象对。由于目标与两天线位置的几何关系,遂在复图象对上产生了相位差,形成干涉纹图(interferogram)。干涉纹图中包含了斜距向上图象点与两天线位置之差的精确信息。因此,利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距(baseline)之间的几何关系,可以精确地测量出图象上每一点的三维位置。
差分干涉测量(differentialSARinterferometry,DInSAR)技术是在雷达干涉测量的基础上发展起来的,单轨双天线或重复轨道都可以获取干涉SAR数据。在忽略大气影响,内部时钟漂移等因素的情况下,只要雷达观测期间地表的后向散射特性基本保持不变,则生成的干涉图通常包含如下信息:(1)相对轨道位置所引起的传播路程差。(2)地形所引起的立体路程差,同基线距有关,可通过DEM或另一幅干涉图消除地形影响。(3)数据获取时地形位移所引起的路程差,每个干涉条纹相当于沿雷达视向半个波长的位移量。通过消除掉前两方面的信息,剩下的第三个因素产生的干涉条纹信息可用于监测地表的动态变化。
差分干涉测量相位对地表形变比对地形高程变化更为敏感,当干涉测量技术对地形高程达到米级精度时,对形变测量能达到厘米或毫米精度。差分干涉测量技术在监测地表形变或动态变化方面(如地震地壳形变、火山、地表下沉、滑坡位移、构造运动等等),具有极其重要的研究意义。3.2化雷达、InSAR及DInSAR技术在地质研究中的应用3.2.1伏地质现象探测及地质测图
极化雷达和多波段雷达非常有利于沙漠地区的沙丘制图,主要是因为雷达卫星能够控制一些参数,如视角、波长和极化方式。在阿拉善高原阿尔腾敖包地区,L波段雷达能够穿透约1m厚的沙层并探测到次地表基岩信息,并且识别出今天风吹沙覆盖下的古河道和古湖盆。Blumberg研究发现,在大多数地区,长波段(P,L)比短波段(C)更具有优势,同极化(HH,VV)雷达数据能够很好的区分沙丘类型并进行制图,但是交叉极化方式在鉴别活跃和静止沙丘时能提供必要的植被信息。在埃塞俄比亚阿法尔凹陷等干旱地区,Allison等应用极化雷达影像进行了地质测图研究,绘制了第四纪阿法尔凹陷北部Erta!Ale火山山脉独特熔岩流的时空分布图,解译并可视化了阿法尔凹陷中部Dobe地堑的组成部分扩展叠形扇,识别了Tendaho峡谷两翼流纹岩流的形态确定结构。3.2.2面沉降和滑坡监测星载差分干涉测量(D-InSAR)在探测诸如地面沉降和滑坡监测等地面形变现象方面有很强的应用潜力,但是由于大气效应、相位失相关等因素影响,很难进行精确的测量。基于永久散射体技术(permanentscatterers,PS)的D-InSAR能够克服这些缺点,并且能够利用长时间序列的干涉数据。Colesanti等在南加州应用PS算法的研究表明,测量精度非常接近其理论极限(约1毫米),使得在一个复杂的地质断层带能够探测毫米量级的形变现象成为可能;更进一步的是,使用基于像素的PS分析方法能够在低相干地区选出相位稳定的雷达目标体。因此,只要有足够空间密度的孤立人造建筑或暴露的岩石,就能在植物覆盖地区进行空间干涉测量。Meisina等在OltrepoPavese地区(意大利北部,伦巴迪亚大区南部)亚区域尺度上应用PS-InSAR技术检测到从5~16mm/a的缓慢地面形变,这些形变由滑坡、粘土层土壤膨胀/收缩和地下水的抽取所导致;另外,还发现了一些以前人知的不稳定边坡和两个隆升区和沉降区。J.Mallorqu等采用了先进的DInSAR-相干像元技术(coherentpixelstechnique,CPT),研究了1993年以来塞古拉河(西班牙东南)由于过度抽取地下水而导致的沉降现象,结果显示研究区域内一些局部点沉降量达到8cm,但是受灾建筑物、水源井分布和岩层分布与沉降量并没有直接的关系。Stramondo等采用了干涉点目标分析(IPTA)技术对意大利首都罗马市进行地表形变研究,发现除了一些特殊局部地区地面沉降速率大于10mm/年外,整个城市总体上保持稳定。通过时间序列分析,结合台伯河流域冲积物岩石地层的详细地质和岩土工程调查资料,发现了控制该区域沉降的主要因素:地表负荷、载荷土层的压缩和粘性系数和土层厚度。
3.2.3火山监测
雷达干涉技术非常适用于活火山监测,能监测到火山每月几毫米的形变.因为重复飞行时间间隔较短,能对火山进行精确、实时的监测。意大利Etna火山是世界上最活跃的火山之一,为了精确地测量其喷发过程地面形变,Maonet等利用ERS-1卫星在火山喷发期间获得的雷达图像进行干涉处理,得到火山喷发期间不同时间间隔地表形变的等值线图,发现火山在喷发前产生膨胀,而喷发后又发生大面积收缩,整座火山在385d的喷发时间里缩小了11cm。Dzurisin等人基于干涉测量技术监测到ThreeSisters火山区中心的膨胀现象,进一步研究发现,自2001年夏天以来该地区平均每年的最大位移量为3~5cm,与2001-2004年期间连续GPS观测站所测的形变量基本吻合。应用基于小基线集(SmallBaselineSubse,tSBAS)技术的干涉测量方法,Tizzani等对加利福尼亚东部地区的LongValley火山进行了地表形变研究,测量结果清晰表明影响LongValley火山的位移现象具有随时间变化的3个不同的效应:1992-1997年隆起背景,1997-1998年紊乱现象,1998-2000年沉降阶段。此外,通过对LongValley火山形变时间序列的分析发现该区域的时间变形行为与检测到三阶段形变类型高度相关。在陶波火山区(TVZ)5个地热利用率比较高地区,利用雷达差分干涉测量数据对进行了地面形变监测,发现Ohaaki和Wairakei-Tauhara两个地热层均发生了不同程度的地面沉降,测量精度与大地水准测量数据相当。在智利Lazufre火山区,应用雷达干涉测量技术发现了一个45km宽的加长地面形变区,但是10a前并未发现有任何形变;进一步研究发现该区域在2003-2006年期间每年隆起高达3cm,影响范围约1100km2。虽然目前尚不清楚这是否会导致火山爆发,但是它的规模和较快的形变速率暗示一个潜在的巨大火山系统正在形成。
3.2.4地震同震形变监测
地表形变是发生地震最直接的表观现象,因此利用需达差分干涉技术测量地表形变对于地震学的研究具有重要的意义。
国际上利用DINSAR技术探测地震形变开始于20世纪90年代初。1992年美国加利福利亚附近发生Landers地震(Mw7.3),Maonnet等利用ERS-1所得到的SAR影像进行干涉处理,成功地测量了该地震造成的同震位错形变,并且探测到沿Garlock和Lenwood断层几毫米的位移,所得形变量的分布与用大地测量得到的位移以及弹性半空间位错模型所计算的结果一致。随后,Ohkura对Hyogoken-nanbu地震的同震形变场进行了研究,发现神户市和位于震中位置的淡路岛沿雷达视线方向分别发生了约0.6m和1.1m的地表位移。Pedersen等对冰岛地震带南部断层的同震滑移分布进行了研究,发现了两个长约15km,而且从地表一直延伸至地下约10km深处的近垂直方向的断层;在经历了纯粹的右旋走滑阶段之后,这两个断层滑移量分别达到最大值2.6m和2.9m。Funning等对1998年玻利维亚的Aiquile地震的地面形变场进行研究,首次精确定位了震中位置,并且确定了安第斯山脉中部的一个活动断层,基于弹性位错模型对大地测量的N-S走向断层的位移变化量进行了很好的解释。在西藏北部昆仑断裂带西缘,应用干涉合成孔径雷达对玛尼左旋外侧走滑地震(Mw7.5)的同震形变和滑动分布进行了研究,发现了一个总长度为170km断裂带,同时沿断裂带的两侧方向发生了非对称的位移,应用线弹性位错模型能够合理的解释玛尼地震的同震形变场[35]。1999年台湾集集大地震(Mw7.6)造成了沿南北方向分布的100km长的地表破裂带。基于GPS和InSAR数据的联合反演,发现了在深度为6.0~7.9km的断层滑脱面上有明显滑移,证实了在颇具争议的车龙辅断层几何上应该存在滑脱面。4．展望与发展趋势
地貌特征如海拔、坡度、地势起伏及灌溉系统能强烈影响雷达信号特征,同时,雷达侧视成像方式对地表几何形态敏感,可对地质构造形成立体感较强的图像,从而能直观地分析地质构造,揭示构造现象。但是,在丘陵和山区由于存在很大的几何和辐射畸变,阻碍了对雷达数据的解译,因此,今后地质雷达遥感发展的方向;发展有效的和适当的处理技术来消除由于地形起伏和地面坡度导致的阴影;应结合其他可见光遥感数据(TM,SPOT等),弥补雷达影像的一些缺陷,在解译过程中还可充分利用图像处理与增强技术,提高对岩性的分辨能力。
在过去的十多年里,已有相当多的SAR卫星如ERS-1/2,JERS-1,Radarsat-1,ENVISAT等获取了大量图像,并已经被成功用来做干涉应用。目前,D-InSAR技术与GPS水准测量等常用离散监测技术联合,用于高分辨率、高精度地捕获各种地球物理现象引起的地表位移已表现出了极大的潜力。但是时间失相干因素很大地限制了D-InSAR的广泛应用,而大气效应也会影响D-InSAR的测量精度。而PS-InSAR技术则在很大程度上解决了这两个难题,即使在无法获得干涉条纹的情况下,利用基于多时相SAR图像和相位稳定像元点集的PS技术也能取得毫米级的地表形变运动测量精度,因而PS技术大大增强了干涉测量的环境适应能力及其精度,是干涉研究领域的一项重大技术突破,具有巨大的实际应用潜力。
未来的D-InSAR将针对不同的观测任务进行进一步的优化和细化,针对地震变形研究、地形测绘、冰川运动、地震形变、地面沉降等各研究领域分别设计更完善的数据处理方法。今后D-InSAR技术尚急需解决如下一些关键性问题:提高轨道重复周期以减少时间去相干对观测结果的影响;对卫星姿态精确测量以保证干涉图和形变场的自动生成;任何时刻都能储存三个重复周期的数据;能够进行实时处理并能够自动分析异常形变。随着这些卫星系统稳定性问题的不断解决,未来的D-InSAR系统将在空间分辨率和时间分辨率、数据获取等方面大大改善,可望在今后较短时间内获得毫米级的地形变测量精度。可以预见,未来D-InSAR技术将地震活动带长期监测、火山运动研究、地面沉降观测、滑坡等地质灾害研究领域建立起属于自己的观测体系,并逐步发展成为常规的观测手段,更好地为人类服务。
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