合成孔徑雷達(dá)遙感地質(zhì)應(yīng)用綜述

匡薇 孫衛(wèi)東 常玲 于浩

摘要：現(xiàn)階段，合成孔徑雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)慢慢地進(jìn)入地質(zhì)勘探相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用中，其自身?yè)碛兄鴰缀跞苄缘膶?duì)地勘探能力以及自身所有的穿透成像能力，地質(zhì)面貌較為復(fù)雜的沙漠地區(qū)、雨林地區(qū)得到了較為廣泛的使用。筆者在本文的論述中簡(jiǎn)單地講解合成孔徑雷達(dá)遙感地質(zhì)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，其中包含有地質(zhì)體微波散射特性以及雷達(dá)穿透成像性技術(shù)的綜述，并對(duì)多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)在雷達(dá)遙感地質(zhì)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析與研究?，F(xiàn)階段，我國(guó)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用并不廣泛且整體水平處于較低層次，這主要是因?yàn)槔走_(dá)技術(shù)自身的成像性以及處理技術(shù)還不夠完善，但是在現(xiàn)代化技術(shù)的支持與雷達(dá)相關(guān)軟硬件的更新?lián)Q代下，合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)慢慢地會(huì)成為地質(zhì)勘探技術(shù)發(fā)展的大方向。

關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達(dá)；遙感地質(zhì)應(yīng)用；多源數(shù)據(jù)融合；綜述

在實(shí)際地質(zhì)勘探過(guò)程中最重要的就是勘探數(shù)據(jù)的積累，整個(gè)地質(zhì)勘探過(guò)程需要一步步地深入，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的積累由量變到質(zhì)變的結(jié)果。在我國(guó)的絕大部分地區(qū)，地質(zhì)情況較為簡(jiǎn)單，進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查的難度較小，相關(guān)的勘探數(shù)據(jù)已經(jīng)全面覆蓋了這些區(qū)域。現(xiàn)如今，工作的重點(diǎn)是要向勘探難度大的地區(qū)移動(dòng)，在較為復(fù)雜的地形條件下建立相對(duì)完善的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作。合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)（見圖1）能夠在最大程度下保證勘探結(jié)果的正確性，是現(xiàn)階段我國(guó)機(jī)構(gòu)以及相關(guān)勘探隊(duì)伍使用的主要手段之一，并且成了現(xiàn)階段地質(zhì)勘探手段中最重要的技術(shù)。

1.雷達(dá)遙感地質(zhì)應(yīng)用理論基礎(chǔ)

1.1地質(zhì)體微波散射特性

這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的主要方法就是在進(jìn)行地質(zhì)勘探時(shí)雷達(dá)能夠發(fā)出并且接收地質(zhì)體的電磁波，并且通過(guò)相關(guān)的軟件所搭載的算法對(duì)所反饋的電磁波進(jìn)行精細(xì)化的計(jì)算，在這個(gè)過(guò)程中能夠在雷達(dá)成像基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)別化的分類，這也是現(xiàn)階段構(gòu)成雷達(dá)遙感探測(cè)技術(shù)主要的理論基礎(chǔ)。在這個(gè)過(guò)程中，雷達(dá)能夠接收地質(zhì)體所反饋的各項(xiàng)電磁波數(shù)據(jù)、成像數(shù)據(jù)以及相關(guān)的電磁波強(qiáng)度數(shù)據(jù)[1]。在這其中，所反饋的電磁波的數(shù)據(jù)主要是電磁波的波長(zhǎng)、電磁波的強(qiáng)度、電磁波的反饋功率等；成像的數(shù)據(jù)主要是雷達(dá)發(fā)射電磁波并且回饋的速度來(lái)進(jìn)行計(jì)算的；通過(guò)地質(zhì)體的化學(xué)性質(zhì)的不同經(jīng)過(guò)散射系數(shù)的不同對(duì)其進(jìn)行種類的評(píng)定，在這個(gè)過(guò)程中用到的數(shù)據(jù)主要是地表形態(tài)構(gòu)成以及地表物質(zhì)負(fù)電極等各種形態(tài)的數(shù)據(jù)組成。我們就拿最常見的雷達(dá)成像的總體來(lái)看，雷達(dá)系統(tǒng)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(dá)成像，在雷達(dá)成像中主要是因?yàn)殡姶挪ǚ答伒牟煌尸F(xiàn)不同的顏色，并且由地質(zhì)體的散射系數(shù)決定的。地質(zhì)體的后向散射的系數(shù)主要是根據(jù)地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)構(gòu)成以及地表復(fù)介電常數(shù)所構(gòu)成，在實(shí)際勘探過(guò)程中我們能夠?qū)Φ刭|(zhì)表層進(jìn)行微觀與宏觀的多角度勘探。從宏觀的角度來(lái)看地質(zhì)體的構(gòu)成主要是由地貌單元組合構(gòu)成，在這個(gè)過(guò)程中主要包含有地貌的構(gòu)成組合、地質(zhì)體的種類、地質(zhì)體的海拔、地質(zhì)體的形態(tài)構(gòu)成；在進(jìn)行微觀角度的勘探時(shí)，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(zhǎng)[2]。我們能夠根據(jù)入射波波長(zhǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)判斷地表的粗糙程度，這個(gè)計(jì)算中入射波的波長(zhǎng)由入射角度來(lái)決定的。微波的發(fā)射過(guò)程中如果遇到了較為平整的地面就會(huì)發(fā)生微波反射，這就導(dǎo)致雷達(dá)在進(jìn)行波長(zhǎng)收集時(shí)波的散射情況不明顯；與之不同的是雷達(dá)在進(jìn)行波長(zhǎng)收集的過(guò)程中如果遇到了較為粗糙的地面則會(huì)有較為明顯的波長(zhǎng)反射情況。除此之外，在實(shí)際勘探過(guò)程中可能會(huì)遇到介于兩者之間的情況，所以就會(huì)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(duì)微波散射的特性進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分，在實(shí)際雷達(dá)成像過(guò)程中如果該地表的粗糙程度呈現(xiàn)逐漸上升的形式，那么雷達(dá)對(duì)于地表的成像將會(huì)越來(lái)越顯眼。

微波在發(fā)射過(guò)程中與地質(zhì)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(dāng)雷達(dá)的探測(cè)接觸到較為平滑的地面時(shí)會(huì)發(fā)生奇次散射，并且奇次散射的效果較為明顯，雷達(dá)在探測(cè)過(guò)程中因?yàn)槭艿焦饣孛娴挠绊懢蜔o(wú)法接收到散射回波。除此之外，如果地面結(jié)構(gòu)上存在著垂直二面角結(jié)構(gòu)的話，則會(huì)對(duì)雷達(dá)的探測(cè)形成偶次散射，雷達(dá)所射出的微波將會(huì)基本上呈現(xiàn)以原路返回的探測(cè)狀態(tài)，并且在雷達(dá)成像上體現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的后向散射狀態(tài)；微波在實(shí)際的使用過(guò)程中能夠?qū)Σ糠值牡刭|(zhì)體進(jìn)行有效的穿透，但是因?yàn)樵趯?shí)際勘探的過(guò)程中一部分的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)存在著不均勻分布的狀況，這就導(dǎo)致散射的成像呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的狀況[3]。不單單是地質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠影響到微波散射的狀態(tài)，地表的復(fù)介電常數(shù)能夠?qū)Φ乇淼纳⑸涑尸F(xiàn)出較高的影響性。復(fù)介電常數(shù)在實(shí)際探測(cè)的過(guò)程中主要是由地質(zhì)體的化學(xué)性質(zhì)、化學(xué)機(jī)構(gòu)以及地質(zhì)體的含水量的大小所構(gòu)成，最為重要的就是地質(zhì)體的物理化學(xué)性質(zhì)能夠給復(fù)介電常數(shù)產(chǎn)生非常大的影響，假設(shè)我們?cè)趯?shí)際勘探的過(guò)程中地質(zhì)體的含水量好于平均值時(shí)，那么地質(zhì)體的含水量將會(huì)對(duì)復(fù)介電常數(shù)產(chǎn)生非常大的影響，并且起到?jīng)Q定性的作用。一般來(lái)講地質(zhì)體的含水量越高，復(fù)介電常數(shù)將會(huì)呈現(xiàn)更高的狀態(tài)，后向散射的狀態(tài)也會(huì)呈現(xiàn)更高的狀態(tài)，地質(zhì)體在雷達(dá)上將會(huì)呈現(xiàn)顏色更加明顯的狀態(tài)。值得一提的是，在實(shí)際的地質(zhì)勘探的過(guò)程中影響到地質(zhì)微波散射特性的因素有非常多，同種的地質(zhì)體在不同的環(huán)境以及條件下能夠形成不同的地質(zhì)體微波散射特性，并且環(huán)境對(duì)于雷達(dá)探測(cè)的影響非常大[4]。針對(duì)這種狀況，當(dāng)相關(guān)的技術(shù)人員在進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)勘探時(shí)就需要對(duì)勘探地的環(huán)境狀況進(jìn)行翔實(shí)的探究，除此之外還需要對(duì)勘測(cè)地的風(fēng)化狀況進(jìn)行勘探。

1.2合成孔徑雷達(dá)遙感地質(zhì)應(yīng)用的穿透成像特性

合成孔徑雷達(dá)在發(fā)射電波之后能夠穿透大多數(shù)的地質(zhì)體，能夠?qū)^為復(fù)雜的地質(zhì)體進(jìn)行更為快捷、方便的勘探手段，在這其中對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行勘探時(shí)能夠?qū)走_(dá)所反饋的不同微波進(jìn)行分析與計(jì)算，這也是使用雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)勘探的必要條件。SAR技術(shù)應(yīng)用能夠?qū)走_(dá)探測(cè)過(guò)程中所收集的微波散射特性、地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、覆蓋物的結(jié)構(gòu)組成能夠進(jìn)行非常詳細(xì)的計(jì)算。在地質(zhì)體覆蓋物中所蘊(yùn)含的含水量的大小以及相關(guān)覆蓋物厚度以及覆蓋物組成顆粒的大小會(huì)對(duì)雷達(dá)探測(cè)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(dá)收集微波的長(zhǎng)度。SAR技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)铣煽讖嚼走_(dá)探測(cè)時(shí)有非常好的增益效果，SAR在應(yīng)用的過(guò)程中能夠?qū)Φ刭|(zhì)體覆蓋層所反饋的微波進(jìn)行計(jì)算，從而消除雷達(dá)成像過(guò)程中的差異，實(shí)現(xiàn)合成孔徑雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)精度以及深度的提升，進(jìn)一步消除數(shù)據(jù)上的誤差[5]。在這其中，入射角的減小將會(huì)減少微波的入射面積，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)體粗糙程度的精細(xì)化勘探，面積的減少能夠減少雷達(dá)的運(yùn)算工作量，實(shí)現(xiàn)粗糙程度的精細(xì)化勘探。但是在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中因?yàn)槔走_(dá)所使用的軟件與硬件不同可能會(huì)造成操作上的差異，所以要根據(jù)勘探地的實(shí)際情況展開分析與研究。

2.合成孔徑雷達(dá)遙感地質(zhì)應(yīng)用

合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)的應(yīng)用有一定的針對(duì)性，在這其中最主要的應(yīng)用就是熱帶雨林地區(qū)以及部分的沙漠地區(qū)，在這些地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘探作業(yè)，應(yīng)用合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)能夠提供有效的幫助，并且隨著技術(shù)的推廣已經(jīng)能夠應(yīng)用至絕大多數(shù)的地質(zhì)勘探領(lǐng)域，在古河道的分步研究過(guò)程中合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)也獲得了應(yīng)用。相關(guān)的地質(zhì)勘探學(xué)家在21世紀(jì)初就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)在地質(zhì)勘探過(guò)程中的重要性，并且應(yīng)用至危地馬拉地區(qū)、伯利茲地區(qū)的地質(zhì)勘探過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)的計(jì)算獲得了大量的雷達(dá)成像記錄，在這其中發(fā)現(xiàn)了綠化面積超過(guò)1200km2的古河道，并且依照當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、古河道河流面積以及人口的預(yù)測(cè)計(jì)算，能夠推斷出該地區(qū)就是中美洲曾經(jīng)最繁榮的農(nóng)耕經(jīng)濟(jì)地區(qū)，這種古文明的發(fā)現(xiàn)是十分具有影響力的；除此之外也有一波地質(zhì)勘探學(xué)家曾經(jīng)在撒哈拉沙漠內(nèi)發(fā)現(xiàn)了類似的古文明遺址遺跡附近的古河道，雖然沙漠地區(qū)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(jīng)典的合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)的試點(diǎn)區(qū)域，能夠有效地應(yīng)用SAR技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)體的勘探；除此之外對(duì)雷達(dá)成像的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，撒哈拉沙漠地區(qū)的古文明遺址一共有一個(gè)，古河道的長(zhǎng)度大約為900km，還有隱藏的雙環(huán)形火山口一個(gè)以及類似的火山結(jié)構(gòu)1300余個(gè)，在相關(guān)的合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)的幫助下能夠確認(rèn)該地區(qū)地下河植被覆蓋情況，微波的發(fā)射以及反饋能夠通過(guò)雷達(dá)的成像很好地研究地質(zhì)體的遺跡信息以及相關(guān)地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，能夠憑借合成孔徑雷達(dá)自身的較高辨別精度對(duì)地下建筑的內(nèi)部進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3.多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)在雷達(dá)遙感地質(zhì)中的應(yīng)用

在進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，因?yàn)椴煌膫鞲衅鞯挠跋裉匦源嬖谥黠@的差別，在實(shí)際勘探過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)勘探地的實(shí)際情況進(jìn)行雷達(dá)傳感器的應(yīng)用選擇，盡最大的程度發(fā)揮不同傳感器自身的探測(cè)優(yōu)勢(shì)[6]。合成孔及雷達(dá)能夠非常有效地探測(cè)出地質(zhì)體的紋理結(jié)構(gòu)以及地質(zhì)構(gòu)成，并且能夠有較強(qiáng)的地質(zhì)體穿透能力，除此之外光學(xué)遙感的應(yīng)用能夠在最大程度上優(yōu)化地質(zhì)體的物理嘞邊的鑒定。在光影像合成技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行雷達(dá)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅僅能夠提高合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的勘探精度以及多要素的地質(zhì)識(shí)別能力，并且能夠?qū)?fù)雜的地質(zhì)勘探信息進(jìn)行篩選與計(jì)算，能夠計(jì)算出地質(zhì)體不同結(jié)構(gòu)形成的年份與歷史，并且分析地質(zhì)體不同結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，能夠?yàn)橄嚓P(guān)的技術(shù)人員進(jìn)行地質(zhì)體的演化歷史以及相關(guān)的技術(shù)研究提供借鑒。多源數(shù)據(jù)技術(shù)與合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的融合分為不同的層次，由高到低分別是像素級(jí)、特征級(jí)、決策級(jí)這三個(gè)層次。在不同層次之間能夠進(jìn)行不同的融合與應(yīng)用，相較于像素級(jí)和特征級(jí)的融合，像素級(jí)與決策級(jí)的融合應(yīng)用能夠在最大程度上保留地質(zhì)勘探雷達(dá)影像的原始數(shù)據(jù)，為實(shí)際的地質(zhì)勘探過(guò)程打下良好的基礎(chǔ)，并且廣泛地應(yīng)用于各大地質(zhì)勘探現(xiàn)場(chǎng)，這種技術(shù)的運(yùn)作原理主要是進(jìn)行波段反饋、HIS的變換以及主成分分析技術(shù)的應(yīng)用。相關(guān)的專家曾用這種方式在卡拉加斯地區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)勘探，在應(yīng)用的過(guò)程中使用融合成像的技術(shù)對(duì)向脆性結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)進(jìn)行了研究，專家通過(guò)融合成像的技術(shù)確定了該地區(qū)的向脆性結(jié)構(gòu)的影響主要是來(lái)源于深層巖體花崗巖的熱液潛力作用，并且對(duì)周圍的巖石進(jìn)行了礦化作用。融合成像在使用的過(guò)程中不僅僅可以對(duì)該地區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行非常好的成像，還對(duì)地表植物覆蓋的狀況進(jìn)行非常敏感的反饋，在計(jì)算的過(guò)程中主要是通過(guò)不同巖體與植物覆蓋的差異性進(jìn)行巖體類型的分別[7]。有關(guān)專家學(xué)者在進(jìn)行埃塞俄比亞地區(qū)的地質(zhì)情況勘探時(shí)使用了HIS變換技術(shù)并且應(yīng)用雷達(dá)波段成像的合成技術(shù)進(jìn)行了勘探，摒棄將勘探結(jié)果進(jìn)行三維化的處理，將其呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，這種三維成像技術(shù)能夠在最大程度上識(shí)別玄武巖熔巖流和年份較新的中性熔巖流，還能夠?qū)Φ刭|(zhì)結(jié)構(gòu)中的斷層情況進(jìn)行詳細(xì)的甄選，除此之外估算斷層的坡度、深度等，不過(guò)在這個(gè)過(guò)程中存在著地質(zhì)結(jié)構(gòu)受到長(zhǎng)期的干燥環(huán)境影響而導(dǎo)致物質(zhì)搬移較小甚至可以忽略不計(jì)，所以合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)能夠非常容易地對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行識(shí)別。曾經(jīng)有中國(guó)學(xué)者在進(jìn)行天山至北山的重要礦區(qū)遙感項(xiàng)目調(diào)查的過(guò)程中，為了能夠保證雷達(dá)成像的真實(shí)性與準(zhǔn)確性，為合成孔徑雷達(dá)技術(shù)中應(yīng)用了空間紋理信息處理技術(shù)和多光譜影響成像技術(shù)，在這其中，雷達(dá)所探測(cè)得到的數(shù)據(jù)能夠轉(zhuǎn)化為科技含量較高的高視角四極化的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)對(duì)各項(xiàng)探測(cè)數(shù)據(jù)的矯正分析過(guò)后能夠?qū)⒌刭|(zhì)探測(cè)的誤差控制在6m左右[8]。除此之外通過(guò)合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)中的融合成像技術(shù)能夠較為準(zhǔn)確的進(jìn)行地質(zhì)紋理的分辨，同時(shí)還擁有較為豐富的地質(zhì)巖石色調(diào)信息，從而實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)化的地質(zhì)信息解譯。

4.結(jié)論

綜上所述不難看出，合成孔徑雷達(dá)成為地質(zhì)勘探信息重要遙感信息的來(lái)源，其自身已經(jīng)在沙漠地區(qū)、熱帶雨林地區(qū)獲得了較為廣泛的應(yīng)用，并且發(fā)揮了常規(guī)技術(shù)雷達(dá)所沒有的優(yōu)勢(shì)，合成孔徑雷達(dá)技術(shù)主要存在以下兩個(gè)特點(diǎn)：雷達(dá)能夠主動(dòng)發(fā)射電磁波并且進(jìn)行地質(zhì)體的微波散射的收集，能夠?qū)Φ刭|(zhì)體進(jìn)行全天候、全時(shí)段的監(jiān)測(cè)，能夠?yàn)榈途暥榷嘤甑貐^(qū)的熱帶雨林地貌提供較為穩(wěn)定的遙感勘探技術(shù)，除此之外雷達(dá)還能夠通過(guò)多元數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行覆蓋植被以及沙漠巖層的穿透，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)類似沙漠、雨林地區(qū)的雷達(dá)成像精度的提升。

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