合成孔徑雷達遙感地質應用綜述

匡薇 孫衛東 常玲 于浩

摘要：現階段，合成孔徑雷達技術已經慢慢地進入地質勘探相關領域的應用中，其自身擁有著幾乎全能性的對地勘探能力以及自身所有的穿透成像能力，地質面貌較為復雜的沙漠地區、雨林地區得到了較為廣泛的使用。筆者在本文的論述中簡單地講解合成孔徑雷達遙感地質應用的理論基礎，其中包含有地質體微波散射特性以及雷達穿透成像性技術的綜述，并對多源數據融合技術在雷達遙感地質中的應用進行了分析與研究。現階段，我國雷達技術的應用并不廣泛且整體水平處于較低層次，這主要是因為雷達技術自身的成像性以及處理技術還不夠完善，但是在現代化技術的支持與雷達相關軟硬件的更新換代下，合成孔徑雷達遙感技術慢慢地會成為地質勘探技術發展的大方向。

關鍵詞：合成孔徑雷達；遙感地質應用；多源數據融合；綜述

在實際地質勘探過程中最重要的就是勘探數據的積累，整個地質勘探過程需要一步步地深入，并且實現數據的積累由量變到質變的結果。在我國的絕大部分地區，地質情況較為簡單，進行地質調查的難度較小，相關的勘探數據已經全面覆蓋了這些區域。現如今，工作的重點是要向勘探難度大的地區移動，在較為復雜的地形條件下建立相對完善的數據統計工作。合成孔徑雷達遙感技術（見圖1）能夠在最大程度下保證勘探結果的正確性，是現階段我國機構以及相關勘探隊伍使用的主要手段之一，并且成了現階段地質勘探手段中最重要的技術。

1.雷達遙感地質應用理論基礎

1.1地質體微波散射特性

這項技術應用的主要方法就是在進行地質勘探時雷達能夠發出并且接收地質體的電磁波，并且通過相關的軟件所搭載的算法對所反饋的電磁波進行精細化的計算，在這個過程中能夠在雷達成像基礎上進行區別化的分類，這也是現階段構成雷達遙感探測技術主要的理論基礎。在這個過程中，雷達能夠接收地質體所反饋的各項電磁波數據、成像數據以及相關的電磁波強度數據[1]。在這其中，所反饋的電磁波的數據主要是電磁波的波長、電磁波的強度、電磁波的反饋功率等；成像的數據主要是雷達發射電磁波并且回饋的速度來進行計算的；通過地質體的化學性質的不同經過散射系數的不同對其進行種類的評定，在這個過程中用到的數據主要是地表形態構成以及地表物質負電極等各種形態的數據組成。我們就拿最常見的雷達成像的總體來看，雷達系統只要具備完善的勘探硬件與軟件支持就能夠得到完整的雷達成像，在雷達成像中主要是因為電磁波反饋的不同而呈現不同的顏色，并且由地質體的散射系數決定的。地質體的后向散射的系數主要是根據地質體的結構構成以及地表復介電常數所構成，在實際勘探過程中我們能夠對地質表層進行微觀與宏觀的多角度勘探。從宏觀的角度來看地質體的構成主要是由地貌單元組合構成，在這個過程中主要包含有地貌的構成組合、地質體的種類、地質體的海拔、地質體的形態構成；在進行微觀角度的勘探時，主要是聚焦在地表的粗糙程度上，并且衡量的單位為入射波波長[2]。我們能夠根據入射波波長的相關數據來判斷地表的粗糙程度，這個計算中入射波的波長由入射角度來決定的。微波的發射過程中如果遇到了較為平整的地面就會發生微波反射，這就導致雷達在進行波長收集時波的散射情況不明顯；與之不同的是雷達在進行波長收集的過程中如果遇到了較為粗糙的地面則會有較為明顯的波長反射情況。除此之外，在實際勘探過程中可能會遇到介于兩者之間的情況，所以就會掃成明顯的散射與不明顯的反射相夾雜的情況。所以我們就需要對微波散射的特性進行進一步的細分，在實際雷達成像過程中如果該地表的粗糙程度呈現逐漸上升的形式，那么雷達對于地表的成像將會越來越顯眼。

微波在發射過程中與地質體之間存在著三種基本的散射狀況，其中包括奇次散射、偶次散射以及體散射三種類型。當雷達的探測接觸到較為平滑的地面時會發生奇次散射，并且奇次散射的效果較為明顯，雷達在探測過程中因為受到光滑地面的影響就無法接收到散射回波。除此之外，如果地面結構上存在著垂直二面角結構的話，則會對雷達的探測形成偶次散射，雷達所射出的微波將會基本上呈現以原路返回的探測狀態，并且在雷達成像上體現出極為強烈的后向散射狀態；微波在實際的使用過程中能夠對部分的地質體進行有效的穿透，但是因為在實際勘探的過程中一部分的地質體結構存在著不均勻分布的狀況，這就導致散射的成像呈現出較為復雜的狀況[3]。不單單是地質結構能夠影響到微波散射的狀態，地表的復介電常數能夠對地表的散射呈現出較高的影響性。復介電常數在實際探測的過程中主要是由地質體的化學性質、化學機構以及地質體的含水量的大小所構成，最為重要的就是地質體的物理化學性質能夠給復介電常數產生非常大的影響，假設我們在實際勘探的過程中地質體的含水量好于平均值時，那么地質體的含水量將會對復介電常數產生非常大的影響，并且起到決定性的作用。一般來講地質體的含水量越高，復介電常數將會呈現更高的狀態，后向散射的狀態也會呈現更高的狀態，地質體在雷達上將會呈現顏色更加明顯的狀態。值得一提的是，在實際的地質勘探的過程中影響到地質微波散射特性的因素有非常多，同種的地質體在不同的環境以及條件下能夠形成不同的地質體微波散射特性，并且環境對于雷達探測的影響非常大[4]。針對這種狀況，當相關的技術人員在進行合成孔徑雷達遙感技術進行地質勘探時就需要對勘探地的環境狀況進行翔實的探究，除此之外還需要對勘測地的風化狀況進行勘探。

1.2合成孔徑雷達遙感地質應用的穿透成像特性

合成孔徑雷達在發射電波之后能夠穿透大多數的地質體，能夠對較為復雜的地質體進行更為快捷、方便的勘探手段，在這其中對復雜地質條件進行勘探時能夠對雷達所反饋的不同微波進行分析與計算，這也是使用雷達進行地質勘探的必要條件。SAR技術應用能夠對雷達探測過程中所收集的微波散射特性、地質體的結構構成、覆蓋物的結構組成能夠進行非常詳細的計算。在地質體覆蓋物中所蘊含的含水量的大小以及相關覆蓋物厚度以及覆蓋物組成顆粒的大小會對雷達探測造成一定的影響，除此之外還將決定微波的穿透力度以及雷達收集微波的長度。SAR技術的應用能夠對合成孔徑雷達探測時有非常好的增益效果，SAR在應用的過程中能夠對地質體覆蓋層所反饋的微波進行計算，從而消除雷達成像過程中的差異，實現合成孔徑雷達能夠實現精度以及深度的提升，進一步消除數據上的誤差[5]。在這其中，入射角的減小將會減少微波的入射面積，從而實現對地質體粗糙程度的精細化勘探，面積的減少能夠減少雷達的運算工作量，實現粗糙程度的精細化勘探。但是在實際應用的過程中因為雷達所使用的軟件與硬件不同可能會造成操作上的差異，所以要根據勘探地的實際情況展開分析與研究。

2.合成孔徑雷達遙感地質應用

合成孔徑雷達遙感技術的應用有一定的針對性，在這其中最主要的應用就是熱帶雨林地區以及部分的沙漠地區，在這些地區進行地質勘探作業，應用合成孔徑雷達遙感技術能夠提供有效的幫助，并且隨著技術的推廣已經能夠應用至絕大多數的地質勘探領域，在古河道的分步研究過程中合成孔徑雷達遙感技術也獲得了應用。相關的地質勘探學家在21世紀初就已經認識到合成孔徑雷達遙感技術在地質勘探過程中的重要性，并且應用至危地馬拉地區、伯利茲地區的地質勘探過程中，通過數據的計算獲得了大量的雷達成像記錄，在這其中發現了綠化面積超過1200km2的古河道，并且依照當地的氣候條件、古河道河流面積以及人口的預測計算，能夠推斷出該地區就是中美洲曾經最繁榮的農耕經濟地區，這種古文明的發現是十分具有影響力的；除此之外也有一波地質勘探學家曾經在撒哈拉沙漠內發現了類似的古文明遺址遺跡附近的古河道，雖然沙漠地區的氣候較為干旱，但是沙里的密度較為平均、沙粒的大小也處在同一水平線上，能夠作為經典的合成孔徑雷達遙感技術的試點區域，能夠有效地應用SAR技術進行地質體的勘探；除此之外對雷達成像的數據進行進一步的計算發現，撒哈拉沙漠地區的古文明遺址一共有一個，古河道的長度大約為900km，還有隱藏的雙環形火山口一個以及類似的火山結構1300余個，在相關的合成孔徑雷達遙感技術的幫助下能夠確認該地區地下河植被覆蓋情況，微波的發射以及反饋能夠通過雷達的成像很好地研究地質體的遺跡信息以及相關地質體結構，能夠憑借合成孔徑雷達自身的較高辨別精度對地下建筑的內部進行進一步的研究。

3.多源數據融合技術在雷達遙感地質中的應用

在進行合成孔徑雷達遙感技術的應用過程中，因為不同的傳感器的影像特性存在著明顯的差別，在實際勘探過程中應該根據勘探地的實際情況進行雷達傳感器的應用選擇，盡最大的程度發揮不同傳感器自身的探測優勢[6]。合成孔及雷達能夠非常有效地探測出地質體的紋理結構以及地質構成，并且能夠有較強的地質體穿透能力，除此之外光學遙感的應用能夠在最大程度上優化地質體的物理嘞邊的鑒定。在光影像合成技術的基礎上進行雷達成像系統的設計，不僅僅能夠提高合成孔徑雷達技術的勘探精度以及多要素的地質識別能力，并且能夠對復雜的地質勘探信息進行篩選與計算，能夠計算出地質體不同結構形成的年份與歷史，并且分析地質體不同結構的性質，能夠為相關的技術人員進行地質體的演化歷史以及相關的技術研究提供借鑒。多源數據技術與合成孔徑雷達技術的融合分為不同的層次，由高到低分別是像素級、特征級、決策級這三個層次。在不同層次之間能夠進行不同的融合與應用，相較于像素級和特征級的融合，像素級與決策級的融合應用能夠在最大程度上保留地質勘探雷達影像的原始數據，為實際的地質勘探過程打下良好的基礎，并且廣泛地應用于各大地質勘探現場，這種技術的運作原理主要是進行波段反饋、HIS的變換以及主成分分析技術的應用。相關的專家曾用這種方式在卡拉加斯地區進行了地質勘探，在應用的過程中使用融合成像的技術對向脆性結構的增強進行了研究，專家通過融合成像的技術確定了該地區的向脆性結構的影響主要是來源于深層巖體花崗巖的熱液潛力作用，并且對周圍的巖石進行了礦化作用。融合成像在使用的過程中不僅僅可以對該地區的地質情況進行非常好的成像，還對地表植物覆蓋的狀況進行非常敏感的反饋，在計算的過程中主要是通過不同巖體與植物覆蓋的差異性進行巖體類型的分別[7]。有關專家學者在進行埃塞俄比亞地區的地質情況勘探時使用了HIS變換技術并且應用雷達波段成像的合成技術進行了勘探，摒棄將勘探結果進行三維化的處理，將其呈現在計算機上，這種三維成像技術能夠在最大程度上識別玄武巖熔巖流和年份較新的中性熔巖流，還能夠對地質結構中的斷層情況進行詳細的甄選，除此之外估算斷層的坡度、深度等，不過在這個過程中存在著地質結構受到長期的干燥環境影響而導致物質搬移較小甚至可以忽略不計，所以合成孔徑雷達遙感技術能夠非常容易地對地質體進行識別。曾經有中國學者在進行天山至北山的重要礦區遙感項目調查的過程中，為了能夠保證雷達成像的真實性與準確性，為合成孔徑雷達技術中應用了空間紋理信息處理技術和多光譜影響成像技術，在這其中，雷達所探測得到的數據能夠轉化為科技含量較高的高視角四極化的產品，經過對各項探測數據的矯正分析過后能夠將地質探測的誤差控制在6m左右[8]。除此之外通過合成孔徑雷達遙感技術中的融合成像技術能夠較為準確的進行地質紋理的分辨，同時還擁有較為豐富的地質巖石色調信息，從而實現更為精準化的地質信息解譯。

4.結論

綜上所述不難看出，合成孔徑雷達成為地質勘探信息重要遙感信息的來源，其自身已經在沙漠地區、熱帶雨林地區獲得了較為廣泛的應用，并且發揮了常規技術雷達所沒有的優勢，合成孔徑雷達技術主要存在以下兩個特點：雷達能夠主動發射電磁波并且進行地質體的微波散射的收集，能夠對地質體進行全天候、全時段的監測，能夠為低緯度多雨地區的熱帶雨林地貌提供較為穩定的遙感勘探技術，除此之外雷達還能夠通過多元數據融合技術進行覆蓋植被以及沙漠巖層的穿透，進一步實現類似沙漠、雨林地區的雷達成像精度的提升。

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