成像雷達遙感在地質(zhì)中的應用

成像雷達遙感在地質(zhì)中的應用

1在地質(zhì)探測中的應用圖像的長距離地震通常指的是封閉的羅雷（sar）遙感。它的顯著特點是主動發(fā)射微波，在不依賴陽光和氣候條件的情況下觀察地球，并對云、雨、植被和干燥土地的透水性。此外,通過調(diào)節(jié)最佳觀測視角,其成像的立體效應可以有效地探測目標地物的空間形態(tài),增強地形地貌信息。這些獨特的優(yōu)勢使得雷達遙感相對光學遙感,在地質(zhì)學中得到了更為廣泛的應用和深入發(fā)展。地質(zhì)學是雷達遙感除了軍事偵察以外最早的應用領域,起始于20世紀60年代美國在云霧覆蓋、林木繁茂的南美開展的大規(guī)模機載雷達地質(zhì)應用試驗。進入80年代后,機載雷達遙感已作為一種成熟的技術應用于地質(zhì)探測中,而星載雷達遙感也蓬勃發(fā)展起來。合成孔徑雷達圖像能提供十分豐富的地質(zhì)構造、巖性、隱伏地質(zhì)體等地質(zhì)礦產(chǎn)信息,尤其在火山、隕擊、大斷裂等地質(zhì)構造探測,以及構造帶控制下的金屬礦床探測等方面具有獨特的優(yōu)勢。隨著新型成像雷達遙感技術(極化雷達、干涉雷達)的出現(xiàn)及地質(zhì)應用的深入,雷達遙感獲取的信息越來越多,越來越全面,數(shù)據(jù)處理方法和手段越來越完善,雷達遙感已經(jīng)深入到可以進行地殼形變、地震孕育、板塊運動及地面沉降的測量和研究。2地質(zhì)體微波理論2.1目標地質(zhì)體的雷達回波特征地質(zhì)體散射是電磁波與地質(zhì)體相互作用的結果,雷達圖像上的灰度數(shù)字值是相應地面地物的雷達后向散射回波強度在圖像上的反映。這可用雷達方程來表示:Ρr=ΡtG2λ2(4π)3R4σ0A=kσ0Pr=PtG2λ2(4π)3R4σ0A=kσ0式中,Pr為雷達接收功率;Pt為雷達發(fā)射功率;G為天線增益;λ為波長;R為天線與目標地質(zhì)體之間的距離;σ0為后向散射系數(shù),與地質(zhì)體物理特性參數(shù)(表面粗糙度、復介電常數(shù))等有關;A為目標地質(zhì)體的雷達后向散射截面。k是一個與雷達系統(tǒng)參數(shù)(波長、極化、發(fā)射功率、天線增益)及成像幾何位置(入射角,天線到目標地質(zhì)體的距離)有關的因子。顯然,在雷達系統(tǒng)參數(shù)及成像幾何位置不變的情況下,雷達圖像上的后向散射強度僅隨目標地質(zhì)體物理特性參數(shù)——后向散射系數(shù)而變化。如果在絕對尺度上已知k,就可把像元的灰度數(shù)字值DN(i,j)直接與σ0聯(lián)系起來,生成一幅在絕對尺度上強度直接和后向散射系數(shù)有聯(lián)系的圖像(即絕對定標)。如果只知道k的相對變化,就只能生成一幅相對后向散射圖像(即相對定標)?？刂评走_波后向散射強度的巖石表面性質(zhì)主要是表面粗糙度和復介電常數(shù)。表面粗糙度取決于表面結構形跡,如砂、礫和卵石的顆粒及風化碎屑。除未固結的礫石、砂和粘土外,表面粗糙度和巖性之間并沒有固定的關系。因此,不同巖性的巖石可能有相同的雷達回波。因此,在雷達圖像上識別巖性,必須利用巖石的地貌表現(xiàn)和風化特征,表1總結了遙感地質(zhì)應用的SAR回波響應。復介電常數(shù)是對表面物質(zhì)電性的測量,它強烈地影響著物質(zhì)吸收電磁波能量的能力,并影響著電磁波能量的反射率。物質(zhì)的相對介電常數(shù)由實部和虛部組成,實部代表物質(zhì)的介電常數(shù),而虛部表示物質(zhì)的損耗因子。復介電常數(shù)在很大程度上取決于表面物質(zhì)的含水量。相對地質(zhì)體而言,含水量極低。因此,復介電常數(shù)的實部與巖石類型、結構、密度和巖石化學成分有關,而虛部則變化較小。2.2巖石的后向散射地球表面除去水體和植被覆蓋外,人工建筑僅占極小部分,絕大部分是巖石,即地質(zhì)體。在雷達地質(zhì)研究中,為了探討SAR圖像在地質(zhì)方面進行定量應用的可能,地質(zhì)體表面的散射特性是研究的重點。因此,從雷達波和目標物的相互作用機制出發(fā),建立巖石的后向散射模型,用來描述各種具有不同表面特征的地質(zhì)體。電磁波和自然表面(如巖石表面)相互作用的理論基礎是粗糙表面的散射理論,在雷達遙感領域,極少有人應用這些解析理論,而是一定條件下的近似解,這些近似解用一定的公式表示出來就是面散射模型。目前,可用來描述地質(zhì)體表面散射特性的模型主要有準鏡面或物理光學模型(Quasi-specularorphysicalopticalmodel)、小擾模型(Smallperturbationmodel)、相關后向散射模型(Coherentbackscattermodel)、擴散散射模型(Diffusescatteringmodel)、雙尺度后向散射模型、IEM模型。2.3坡頂雷達圖像幾何誤差校正雷達波束的主動發(fā)射及側(cè)視相干成像特點,造成雷達圖像上獨有的斑點噪聲和獨特的圖像畸變,使得其圖像處理分析與可見光、紅外傳感器圖像有本質(zhì)的不同。雷達圖像的主要幾何特點是:①斜距顯示所形成的圖像出現(xiàn)近距離側(cè)壓縮及遠距離側(cè)拉長的幾何畸變;②山峰等目標阻擋住發(fā)射電磁波而形成雷達陰影;③由于雷達回波信號與時間相關而造成雷達疊掩;④山坡頂?shù)變啥顺上竦臅r間間隔所形成的雷達透視收縮。為使這些成像幾何特點造成的幾何畸變達到最小,需進行幾何校正,常用的幾何校正方法為雷達圖像多項式校正方法。對雷達圖像的斑點噪聲壓制,除成像過程中的多視平均處理外,圖像處理過程中還可以應用Kalman,Lee,Kuan,Frost濾器,GammaMap濾波、增強Lee、Frost濾波等等。雷達圖像經(jīng)過預處理與增強以后,對其進行解譯可以充分利用雷達圖像的解譯標志,即色調(diào)、紋理、形狀、大小等,同時結合典型地物的雷達圖像特征解譯經(jīng)驗。為了從雷達圖像上提取專題信息,可以將雷達圖像與其他遙感信息源進行復合,采取適當?shù)膱D像處理、變換、增強方法,如直方圖調(diào)節(jié)、多波段圖像假彩色合成、HIS變換、比值合成等等。當然,上述處理都是針對常規(guī)單波段單極化及多波段多極化雷達圖像而言的,新型成像雷達(極化雷達、干涉雷達),其數(shù)據(jù)處理的方法有其特殊之處。3多譜分析技術的應用在雷達遙感的發(fā)展過程中,單波段、單極化及多波段、多極化雷達圖像在地質(zhì)學中應用非常廣泛。在巖性識別、構造分析、礦產(chǎn)調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)填圖中都曾經(jīng)取得了重要的認識與發(fā)現(xiàn),給傳統(tǒng)的地質(zhì)學帶來了新的活力。單波段、單極化雷達圖像只具有黑白顯示的視覺效果,灰度值范圍在0～255之間,灰度值差別小的地物難以區(qū)分。同時成像的多波段、多極化SAR系統(tǒng),使所成圖像達到了彩色顯示的視覺效果。更為重要的是,不同波段、不同極化狀態(tài)的雷達入射波對同種地物的探測效果各不相同,因此可以獲取地物對不同波段的回波響應及線極化狀態(tài)下同極化與交叉極化信息,可更準確地探測目標特征,這就大大增強了對地物的探測能力。如在植被覆蓋地區(qū),L波段比C波段具有更強的穿透能力,有利于探測植被覆蓋下的地面信息,如巖石類型、構造分析等,而C波段則更有利于探測植被本身;又如,平坦地表的V極化入射波的回波較強,而垂直分布的地物對H極化回波更強。因此多波段多極化雷達比單波段單極化雷達具有更好的應用潛力,常用波段為P,L,C,X,表2為遙感地質(zhì)應用的最佳波段及極化方式選擇。3.1利用sar圖像與tm圖像復合進行識別各類巖石物理化學性質(zhì)及成分的差異,不僅使巖石具有不同的介電常數(shù),重要的是經(jīng)過長期的風化、剝蝕作用,巖石表面呈現(xiàn)了各自復雜的幾何形狀和表面粗糙度,從而為雷達識別巖性提供了可能。在雷達圖像上識別和分析巖石類型,主要利用巖石的表面粗糙度、風化特點和地貌形態(tài)。粗糙度是巖石的表現(xiàn)特征,它是決定巖石圖像色調(diào)的重要因素,不同巖性的巖石由于風化作用會形成不同的地表形態(tài),反映在雷達圖像上則是不同的紋理,并具有特征的水系網(wǎng)、植被、耕地等信息。例如,喀斯特地貌是潮濕地區(qū)石灰?guī)r和白云巖的主要解譯依據(jù),這種地貌的雷達圖像特征是干草堆形或丘形。在丘形特征的喀斯特地貌中,沒有水系圖型,只有因圓形類巖孔中可能有的積水形成無回波的圓點。再如干燥地區(qū)的石灰?guī)r常常有塊狀破裂,形成許多角反射器,在雷達圖像上表現(xiàn)強回波。在解譯過程中還可充分利用圖像處理與增強技術,提高對巖性的分辨能力。如張云和等利用SAR圖像與TM圖像復合,結果獲得了既保留了地形地貌特征和地質(zhì)構造信息,又突出了圖像上不同巖性巖石的分布信息。另外,比值變換和HIS變換也是多波段圖像處理中對地質(zhì)體識別十分有效的方法,它可以減少地形坡度、坡向的影響,從而使各類巖石的可分性得到增強。3.2地質(zhì)構造帶的識別—地質(zhì)構造解譯SAR的側(cè)視成像對地表幾何形態(tài)的敏感,可對地質(zhì)構造探測形成立體感較強的圖像,從而能直觀地分析地質(zhì)構造,揭示構造現(xiàn)象;此外,SAR主動發(fā)射電磁波的工作方式,能使特定延伸方向的構造得到增強并得以發(fā)現(xiàn)。無論是機載、星載,還是不同波段的雷達圖像,在線性地質(zhì)體的分析中都起到了很大的作用。雷達圖像可以識別褶皺構造,雷達圖像用于礦產(chǎn)調(diào)查的關鍵就是識別控礦構造。郭華東等利用SIR-C/X-SAR圖像和GlobeSAR圖像,清晰地顯示了位于廣東肇慶地區(qū)河臺金礦以東的弧形構造帶。該弧形帶為一系列的山脊、山谷,呈弧形排列,延伸約30km,它的南邊為一花崗巖體,具備了金礦成礦條件,位于弧形構造帶內(nèi)的一個金礦化點已被發(fā)現(xiàn),從而進一步證明該弧形構造帶是一個含金構造帶。雷達成像對大面積的地表地形變化很敏感,如斷層、裂隙、沙丘、成層巖石和露頭,這類地表特征常常會引起地貌、覆蓋類型和粗糙度的明顯變化。從雷達影像的色調(diào)、陰影,特別是中等和宏觀紋理的分析中,不僅可以得到地勢、地貌的信息,更直觀的信息是地質(zhì)構造的方位與走向可以從雷達波束的方向和俯角等參數(shù)中得到反映,當雷達波束方向與占優(yōu)勢的線性構造方向垂直或接近垂直時,線性構造的信息反映得最為豐富、詳盡,因為這種情況下線性構造在紋理上表現(xiàn)得十分明顯。而如果俯角適中,就不會因為陰影、疊掩過多、透視收縮過大等造成圖像信息的損失或變形,那么,地質(zhì)構造的信息通過紋理分析則要容易表現(xiàn)出來。通過紋理分析,將地貌、地勢信息與地質(zhì)構造信息綜合為一體,可更進一步為區(qū)域構造運動的信息和認識奠定基礎。如郭華東等利用SIR-C圖像數(shù)據(jù)識別出昆侖山康西瓦斷裂、阿爾泰卡拉先格爾斷裂、西昆侖山褶皺、火焰山背斜、阿爾泰伊德爾弧形構造等一系列的地質(zhì)構造現(xiàn)象。3.3基巖結構及資料由于成像雷達側(cè)視成像的特點,對識別火山作用形成的獨特地形地貌特征極為有效。雷達遙感具有的獨特穿透特性使其在地學應用中具有重要意義。郭華東等利用航天飛機成像雷達獲取的內(nèi)蒙古阿拉善高原地區(qū)的圖像進行了分析,發(fā)現(xiàn)沙帶通過的基巖區(qū)仍清晰地呈現(xiàn)一亮回波體,并顯示了其內(nèi)部的斷裂構造。在陸地衛(wèi)星MSS圖像上,顯示的仍是表層的淺色風成沙帶,沒有任何下覆基巖信息。對比研究SIR-C/X-SAR的L-HH,L-HV,C-HH,C-HV及X-VV圖像時還發(fā)現(xiàn),L波段有最大程度的穿透性,L-HH顯示出沙層下基巖的裂隙,而L-HV則顯示出基巖表面微起伏的信息,反映出地質(zhì)體表面體散射作用的結果。郭華東等還通過對航天飛機SIR-C獲取的新疆昆侖山山脈西部的多波段多極化雷達數(shù)據(jù)分析,并結合野外實地調(diào)查,探測到該區(qū)9個火山口及塊狀和繩狀兩種類型的熔巖。該發(fā)現(xiàn)對于昆侖山地區(qū)的新生代火山活動及青藏高原的新構造運動及其形成演化研究具有十分重要的意義。4新圖像雷達技術北極雷達、干擾雷達的地球物理應用4.1極化信息的提取多波段、多極化雷達只能探測某種固定極化狀態(tài)的后向散射回波,且大多為同極化,如HH,VV極化等。這就不能分析地表分布差異造成的去極化或交叉極化過程,對地表的探測也只能是不完全的。為了克服多波段、多極化雷達的缺陷,極化雷達開始出現(xiàn),極化雷達(PolSAR)也稱全極化雷達,或稱極化計(polarimetry),是20世紀80年代末-90年代初出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來的一種新型主動成像雷達。它近同時發(fā)射和接收H,V兩種線性極化雷達脈沖,以Stokes矩陣或散射矩陣為基本記錄單元,相干記錄了地物HH,HV,VH,VV4種極化狀態(tài)的散射振幅和相位,并可利用極化合成技術計算任意一種極化狀態(tài)的后向散射回波,既有振幅信息,也有相位信息。因此,極化數(shù)據(jù)能提取更多的地物極化信息,如線性極化散射強度(σ0hh0hh,σ0hv0hv,σ0vv0vv)、以及相同極化相位差Δ?hh-vv、極化度、HH-VV相關系數(shù)、總功率、同極化比、交叉極化比等。可見,極化雷達比傳統(tǒng)雷達數(shù)據(jù)(單波段單極化/多波段多極化)更準確地描述了地面散射特征,能夠大大提高對地物的識別能力。Stokes矩陣又稱Kennaugh矩陣,在前向散射時又稱Muller矩陣,反映了入射波與散射回波Stokes矢量的相互關系:Fr=MFt,Fr代表散射回波,Ft為入射回波,M為Stokes矩陣,其計算公式:M=RW[R*]t,其中:R=[11001-100000000-i-i]R=??????11001?100000?i000?i??????R*為R的復數(shù)共軛,上標t意為轉(zhuǎn)置矩陣。W表示為下式:W=[SvvS*vvSvhS*vhSvvS*vhSvhS*vvShvS*hvShhS*hhShvS*hhShhS*hvSvvS*hvSvhS*hhSvvS*hhSvhS*hvShvS*vvShhS*vhShvS*vhShhS*vv]W=???????SvvS?vvShvS?hvSvvS?hvShvS?vvSvhS?vhShhS?hhSvhS?hhShhS?vhSvvS?vhShvS?hhSvvS?hhShvS?vhSvhS?vvShhS?hvSvhS?hvShhS?vv???????矩陣元素Sij(i和j代表h或v線極化狀態(tài))分別表示各種線性極化組合狀態(tài)的后向散射信息,均為復數(shù),Sij*為Sij的復數(shù)共軛。由于極化雷達數(shù)據(jù)記錄無窮種極化狀態(tài)的后向散射回波,這就標志著它既包括有用的極化信息,也含有大量的數(shù)據(jù)冗余。要真正地將極化數(shù)據(jù)應用到各個領域,必須進行極化信息提取,也就是將那些最有利于目標識別的極化信息提取出來。通過極化信息提取以及微波散射模型與地面參數(shù)反演模型的建立,能夠在最大程度上將不同地物的散射特征以量的形式表現(xiàn)出來,揭示地物的散射差別,并可應用于地質(zhì)填圖、目標識別、以及目標參數(shù)信息提取中,從而使極化雷達在地學中具有更廣闊的應用前景。4.2極化分解數(shù)據(jù)與常規(guī)雷達數(shù)據(jù)及多種極化信息源分類對比分析在一般的裸露山區(qū),由于長期的地表風化過程,不同巖性巖石的地表幾何形態(tài)及介電特性存在著很大的相似性,傳統(tǒng)雷達圖像上后向散射強度差別不大。因此以后向散射強度為主要探測因子的常規(guī)雷達遙感圖像不利于巖性分類。王翠珍利用1994年10月獲取的L及C波段新疆北部清河地區(qū)SIR-C多視極化數(shù)據(jù),使用Cloude提出的目標相關矩陣特征向量分解方法,顯示了極化數(shù)據(jù)在巖性分類中的優(yōu)勢。該區(qū)除河道與沖積平地外,多為無植被覆蓋的裸露山區(qū),區(qū)內(nèi)共有7種不同巖性的巖石類型,即硬砂巖、玢巖、礫巖、片巖、硬砂質(zhì)長石砂巖、黑云母花崗巖、白云母花崗巖。為便于比較,將極化分解數(shù)據(jù)與常規(guī)雷達數(shù)據(jù)及多種極化信息源采用同一種神經(jīng)網(wǎng)絡分別分類,并對結果進行對比分析。具體所用的分類數(shù)據(jù)為:①極化目標分解出的L波段單向散射+L波段交叉散射+L波段散射熵+C波段單向散射+σ0Lvv0Lvv+σ0Lhv0Lhv+σ0Chv0Chv為極化目標分解分類;②常規(guī)雷達數(shù)據(jù)分類的輸入端為σ0Lvv0Lvv+σ0Lhv0Lhv+σ0Chv0Chv;③多種極化信息源分類的輸入端為L波段單向散射+L波段交叉散射+L波段散射熵+C波段單向散射+σ0Lvv0Lvv+σ0Lhv+σ0Chv相關系數(shù)ρ+相位差Δ?hh-vv。分類結果表明常規(guī)雷達數(shù)據(jù)分類精度最低,平均精度為40.43%,而誤差最高,平均可達7.38%;多種極化信息源分類的精度最高,而誤差也較大,平均精度與誤差分別為53.86%和6.24%;而用極化目標分解數(shù)據(jù)分類精度較高而誤差最低,平均精度與誤差分別為49.07%和5.07%。常規(guī)雷達數(shù)據(jù)巖性分類明顯夸大了礫巖的分布,降低了長石砂巖的分布;多種極化信息源分類則相反,夸大了長石砂巖的分布,而減少了礫巖的分布。除干枯河道和沖