SAR在地质遥感中的应用

SAR在地质遥感中的应用任文核、邝晗宇、陈志炳、张万超 ——113111主要内容1、引述2、地质体微波散射理论 2.1影像地质体散射特性的因素 2.2地质体散射特性模型 2.3雷达图像处理与分析3、单波段、单极化及多波段、多极化雷达图像的地学应用 3.1岩性识别 3.2地质构造解译 3.3基岩及火山探测4、结论与展望1、引述成像雷达〔SAR〕遥感以其独有的全天时、全天候观测能力和对地表的穿透性及形态探测能力，特别是现在新型成像雷达遥感技术的开展，使之在地质学应用中比光学遥感更具优势成像雷达遥感,一般即指合成孔径雷达(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、植被及枯燥地物有一定的穿透性。此外,通过调节最正确观测视角,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开展。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。进入80年代后,机载雷达遥感已作为一种成熟的技术应用于地质探测中,而星载雷达遥感也蓬勃开展起来。合成孔径雷达图像能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,尤其在火山、陨击、大断裂等地质构造探测,以及构造带控制下的金属矿床探测等方面具有独特的优势。随着新型成像雷达遥感技术(极化雷达、干预雷达)的出现及地质应用的深入,雷达遥感获取的信息越来越多,越来越全面,数据处理方法和手段越来越完善,雷达遥感已经深入到可以进行地壳形变、地震孕育、板块运动及地面沉降的测量和研究。2.1影像地质体散射特性的因素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。这可用雷达方程来表示: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。复介电常数是对外表物质电性的测量,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外表物质的含水量。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,而虚部那么变化较小控制雷达波后向散射强度的岩石外表性质主要是外表粗糙度和复介电常数。外表粗糙度取决于外表结构形迹,如砂、砾和卵石的颗粒及风化碎屑。除未固结的砾石、砂和粘土外,外表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,遥感地质应用的SAR回波响应2.2.地质体散射特性模型地球外表除去水体和植被覆盖外,人工建筑仅占极小局部,绝大局部是岩石,即地质体。在雷达地质研究中,为了探讨SAR图像在地质方面进行定量应用的可能,地质体外表的散射特性是研究的重点。因此,从雷达波和目标物的相互作用机制出发,建立岩石的后向散射模型,用来描述各种具有不同外表特征的地质体。电磁波和自然外表(如岩石外表)相互作用的理论根底是粗糙外表的散射理论,在雷达遥感领域,极少有人应用这些解析理论,而是一定条件下的近似解,这些近似解用一定的公式表示出来就是面散射模型。目前,可用来描述地质体外表散射特性的模型主要有准镜面或物理光学模型、相关后向散射模型、扩散散射、双尺度后向散射模型、IEM模型等2.3雷达图像处理与分析雷达波束的主动发射及侧视相干成像特点,造成雷达图像上独有的斑点噪声和独特的图像畸变,使得其图像处理分析与可见光、红外传感器图像有本质的不同。

雷达图像的主要几何特点是: 1、

斜距显示所形成的图像出现近距离侧压缩及远距离侧拉长

的几何畸变; 2、山峰等目标阻挡住发射电磁波而形成雷达阴影; 3、由于雷达回波信号与时间相关而造成雷达叠掩; 4、山坡顶底两端成像的时间间隔所形成的雷达透视收缩。

雷达图像经过预处理与增强以后,对其进行解译可以充分利用雷达图像的解译标志,即色调、纹理、形状、大小等,同时结合典型地物的雷达图像特征解译经验。为了从雷达图像上提取专题信息,可以将雷达图像与其他遥感信息源进行复合,采取适当的图像处理、变换、增强方法,如直方图调节、多波段图像假彩色合成、HIS变换、比值合成等等。当然,上述处理都是针对常规单波段、单极化及多波段、多极化雷达图像而言的,新型成像雷达(极化雷达、干预雷达),其数据处理的方法有其特殊之处。3、单波段、单极化及多波段、多极化雷达图像的地学应用在雷达遥感的开展过程中,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。在岩性识别、构造分析、矿产调查、区域地质填图中都曾经取得了重要的认识与发现,给传统的地质学带来了新的活力。单波段、单极化雷达图像只具有黑白显示的视觉效果,灰度值范围在0~255之间,灰度值差异小的地物难以区分。同时成像的多波段、多极化SAR系统,使所成图像到达了彩色显示的视觉效果。更为重要的是,不同波段、不同极化状态的雷达入射波对同种地物的探测效果各不相同,因此可以获取地物对不同波段的回波响应及线极化状态下同极化与交叉极化信息,可更准确地探测目标特征,增强对地物的探测能力。比方在植被覆盖地区,L波段比C波段具有更强的穿透能力,有利于探测植被覆盖下的地面信息,如岩石类型、构造分析等,而C波段那么更有利于探测植被本身;又比方,平坦地表的V极化入射波的回波较强,而垂直分布的地物对H极化回波更强。因此多波段多极化雷达比单波段单极化雷达具有更好的应用潜力,常用波段为P,L,C,X。概述遥感地质应用的SAR最正确波段、极化方式的选择各类岩石物理化学性质及成分的差异,不仅使岩石具有不同的介电常数,重要的是经过长期的风化、剥蚀作用,岩石外表呈现了各自复杂的几何形状和外表粗糙度,从而为雷达识别岩性提供了可能。3.1岩性识别在雷达图像上识别和分析岩石类型,主要利用岩石的外表粗糙度、风化特点和地貌形态。粗糙度是岩石的表现特征,它是决定岩石图像色调的重要因素,不同岩性的岩石由于风化作用会形成不同的地表形态,反映在雷达图像上那么是不同的纹理,并具有特征的水系网、植被、耕地等信息。例如,喀斯特地貌是潮湿地区石灰岩和白云岩的主要解译依据,这种地貌的雷达图像特征是干草堆形或丘形。在丘形特征的喀斯特地貌中,没有水系图型,只有因圆形类岩孔中可能有的积水形成无回波的圆点。再如枯燥地区的石灰岩常常有块状破裂,形成许多角反射器,在雷达图像上表现强回波。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。曾有人在实际应用中利用SAR图像与TM图像复合,结果获得了既保存了地形地貌特征和地质构造信息,又突出了图像上不同岩性岩石的分布信息。另外,比值变换和HIS变换也是多波段图像处理中对地质体识别十分有效的方法,它可以减少地形坡度、坡向的影响,从而使各类岩石的可分性得到增强。3.2地质构造解译SAR的侧视成像对地表几何形态的敏感,可对地质构造探测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;此外,SAR主动发射电磁波的工作方式,能使特定延伸方向的构造得到增强并得以发现。无论是机载、星载,还是不同波段的雷达图像,在线性地质体的分析中都起到了很大的作用。雷达图像可以识别褶皱构造,雷达图像用于矿产调查的关键就是识别控矿构造。实际应用：利用SIR-C/X-SAR图像和GlobeSAR图像,清晰地显示了位于广东肇庆地区河台金矿以东的弧形构造带。该弧形带为一系列的山脊、山谷,呈弧形排列,延伸约30km,它的南边为一花岗岩体,具备了金矿成矿条件,位于弧形构造带内的一个金矿化点已被发现,从而进一步证明该弧形构造带是一个含金构造带3.3.基岩及火山探测由于成像雷达侧视成像的特点,对识别火山作用形成的独特地形地貌特征极为有效。雷达遥感具有的独特穿透特性使其在地学应用中具有重要意义。实际应用中，有人利用航天飞机成像雷达获取的内蒙古阿拉善高原地区的图像进行了分析,发现沙带通过的基岩区仍清晰地呈现一亮回波体,并显示了其内部的断裂构造。在陆地卫星MSS图像上,显示的仍是表层的浅色风成沙带,没有任何下覆基岩信息。比照研究SIR-C/X-SAR的L-HH,L-HV,C-HH,C-HV及X-VV图像时还发现,L波段有最大程度的穿透性,L-HH显示出沙层下基岩的裂隙,而L-HV那么显示出基岩外表微起伏的信息,反映出地质体外表体散射作用的结果。对航天飞机SIR-C获取的新疆昆仑山山脉西部的多波段多极化雷达数据分析,并结合野外实地调查,探测到该区9个火山口及块状和绳状两种类型的熔岩。该发现对于昆仑山地区的新生代火山活动及青藏高原的新构造运动及其形成演化研究具有十分重要的意义。4结论与展望当前,正在形