SAR在地質遙感中的應用

SAR在地質遙感中的應用任文核、鄺晗宇、陳志炳、張萬超 ——113111主要內容1、引述2、地質體微波散射理論 2.1影像地質體散射特性的因素 2.2地質體散射特性模型 2.3雷達圖像處理與分析3、單波段、單極化及多波段、多極化雷達圖像的地學應用 3.1巖性識別 3.2地質構造解譯 3.3基巖及火山探測4、結論與展望1、引述成像雷達〔SAR〕遙感以其獨有的全天時、全天候觀測能力和對地表的穿透性及形態(tài)探測能力，特別是現(xiàn)在新型成像雷達遙感技術的開展，使之在地質學應用中比光學遙感更具優(yōu)勢成像雷達遙感,一般即指合成孔徑雷達(SAR)遙感,其顯著特點是主動發(fā)射電磁波,具有不依賴太陽光照及氣候條件的全天時、全天候對地觀測能力,并對云霧、小雨、植被及枯燥地物有一定的穿透性。此外,通過調節(jié)最正確觀測視角,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,在地質學中得到了更為廣泛的應用和深入開展。地質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探測中,而星載雷達遙感也蓬勃開展起來。合成孔徑雷達圖像能提供十分豐富的地質構造、巖性、隱伏地質體等地質礦產(chǎn)信息,尤其在火山、隕擊、大斷裂等地質構造探測,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、干預雷達)的出現(xiàn)及地質應用的深入,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。2.1影像地質體散射特性的因素地質體散射是電磁波與地質體相互作用的結果,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: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體物理特性參數(shù)——后向散射系數(shù)而變化。復介電常數(shù)是對外表物質電性的測量,它強烈地影響著物質吸收電磁波能量的能力,并影響著電磁波能量的反射率。物質的相對介電常數(shù)由實部和虛部組成,實部代表物質的介電常數(shù),而虛部表示物質的損耗因子。復介電常數(shù)在很大程度上取決于外表物質的含水量。相對地質體而言,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,而虛部那么變化較小控制雷達波后向散射強度的巖石外表性質主要是外表粗糙度和復介電常數(shù)。外表粗糙度取決于外表結構形跡,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,外表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,遙感地質應用的SAR回波響應2.2.地質體散射特性模型地球外表除去水體和植被覆蓋外,人工建筑僅占極小局部,絕大局部是巖石,即地質體。在雷達地質研究中,為了探討SAR圖像在地質方面進行定量應用的可能,地質體外表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外表特征的地質體。電磁波和自然外表(如巖石外表)相互作用的理論根底是粗糙外表的散射理論,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,可用來描述地質體外表散射特性的模型主要有準鏡面或物理光學模型、相關后向散射模型、擴散散射、雙尺度后向散射模型、IEM模型等2.3雷達圖像處理與分析雷達波束的主動發(fā)射及側視相干成像特點,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)近距離側壓縮及遠距離側拉長

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。

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、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、干預雷達),其數(shù)據(jù)處理的方法有其特殊之處。3、單波段、單極化及多波段、多極化雷達圖像的地學應用在雷達遙感的開展過程中,單波段、單極化及多波段、多極化雷達圖像在地質學中應用非常廣泛。在巖性識別、構造分析、礦產(chǎn)調查、區(qū)域地質填圖中都曾經(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,灰度值差異小的地物難以區(qū)分。同時成像的多波段、多極化SAR系統(tǒng),使所成圖像到達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,增強對地物的探測能力。比方在植被覆蓋地區(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波段那么更有利于探測植被本身;又比方,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。概述遙感地質應用的SAR最正確波段、極化方式的選擇各類巖石物理化學性質及成分的差異,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,巖石外表呈現(xiàn)了各自復雜的幾何形狀和外表粗糙度,從而為雷達識別巖性提供了可能。3.1巖性識別在雷達圖像上識別和分析巖石類型,主要利用巖石的外表粗糙度、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),反映在雷達圖像上那么是不同的紋理,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。再如枯燥地區(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。曾有人在實際應用中利用SAR圖像與TM圖像復合,結果獲得了既保存了地形地貌特征和地質構造信息,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地質構造解譯SAR的側視成像對地表幾何形態(tài)的敏感,可對地質構造探測形成立體感較強的圖像,從而能直觀地分析地質構造,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)調查的關鍵就是識別控礦構造。實際應用：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3.3.基巖及火山探測由于成像雷達側視成像的特點,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。實際應用中，有人利用航天飛機成像雷達獲取的內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。比照研究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那么顯示出基巖外表微起伏的信息,反映出地質體外表體散射作用的結果。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結論與展望當前,正在形