合成孔径雷达遥感地质应用综述

匡薇 孙卫东 常玲 于浩

摘要：现阶段，合成孔径雷达技术已经慢慢地进入地质勘探相关领域的应用中，其自身拥有着几乎全能性的对地勘探能力以及自身所有的穿透成像能力，地質面貌较为复杂的沙漠地区、雨林地区得到了较为广泛的使用。笔者在本文的论述中简单地讲解合成孔径雷达遥感地质应用的理论基础，其中包含有地质体微波散射特性以及雷达穿透成像性技术的综述，并对多源数据融合技术在雷达遥感地质中的应用进行了分析与研究。现阶段，我国雷达技术的应用并不广泛且整体水平处于较低层次，这主要是因为雷达技术自身的成像性以及处理技术还不够完善，但是在现代化技术的支持与雷达相关软硬件的更新换代下，合成孔径雷达遥感技术慢慢地会成为地质勘探技术发展的大方向。

关键词：合成孔径雷达；遥感地质应用；多源数据融合；综述

在实际地质勘探过程中最重要的就是勘探数据的积累，整个地质勘探过程需要一步步地深入，并且实现数据的积累由量变到质变的结果。在我国的绝大部分地区，地质情况较为简单，进行地质调查的难度较小，相关的勘探数据已经全面覆盖了这些区域。现如今，工作的重点是要向勘探难度大的地区移动，在较为复杂的地形条件下建立相对完善的数据统计工作。合成孔径雷达遥感技术（见图1）能够在最大程度下保证勘探结果的正确性，是现阶段我国机构以及相关勘探队伍使用的主要手段之一，并且成了现阶段地质勘探手段中最重要的技术。

1.雷达遥感地质应用理论基础

1.1地质体微波散射特性

这项技术应用的主要方法就是在进行地质勘探时雷达能够发出并且接收地质体的电磁波，并且通过相关的软件所搭载的算法对所反馈的电磁波进行精细化的计算，在这个过程中能够在雷达成像基础上进行区别化的分类，这也是现阶段构成雷达遥感探测技术主要的理论基础。在这个过程中，雷达能够接收地质体所反馈的各项电磁波数据、成像数据以及相关的电磁波强度数据[1]。在这其中，所反馈的电磁波的数据主要是电磁波的波长、电磁波的强度、电磁波的反馈功率等；成像的数据主要是雷达发射电磁波并且回馈的速度来进行计算的；通过地质体的化学性质的不同经过散射系数的不同对其进行种类的评定，在这个过程中用到的数据主要是地表形态构成以及地表物质负电极等各种形态的数据组成。我们就拿最常见的雷达成像的总体来看，雷达系统只要具备完善的勘探硬件与软件支持就能够得到完整的雷达成像，在雷达成像中主要是因为电磁波反馈的不同而呈现不同的颜色，并且由地质体的散射系数决定的。地质体的后向散射的系数主要是根据地质体的结构构成以及地表复介电常数所构成，在实际勘探过程中我们能够对地质表层进行微观与宏观的多角度勘探。从宏观的角度来看地质体的构成主要是由地貌单元组合构成，在这个过程中主要包含有地貌的构成组合、地质体的种类、地质体的海拔、地质体的形态构成；在进行微观角度的勘探时，主要是聚焦在地表的粗糙程度上，并且衡量的单位为入射波波长[2]。我们能够根据入射波波长的相关数据来判断地表的粗糙程度，这个计算中入射波的波长由入射角度来决定的。微波的发射过程中如果遇到了较为平整的地面就会发生微波反射，这就导致雷达在进行波长收集时波的散射情况不明显；与之不同的是雷达在进行波长收集的过程中如果遇到了较为粗糙的地面则会有较为明显的波长反射情况。除此之外，在实际勘探过程中可能会遇到介于两者之间的情况，所以就会扫成明显的散射与不明显的反射相夹杂的情况。所以我们就需要对微波散射的特性进行进一步的细分，在实际雷达成像过程中如果该地表的粗糙程度呈现逐渐上升的形式，那么雷达对于地表的成像将会越来越显眼。

微波在发射过程中与地质体之间存在着三种基本的散射状况，其中包括奇次散射、偶次散射以及体散射三种类型。当雷达的探测接触到较为平滑的地面时会发生奇次散射，并且奇次散射的效果较为明显，雷达在探测过程中因为受到光滑地面的影响就无法接收到散射回波。除此之外，如果地面结构上存在着垂直二面角结构的话，则会对雷达的探测形成偶次散射，雷达所射出的微波将会基本上呈现以原路返回的探测状态，并且在雷达成像上体现出极为强烈的后向散射状态；微波在实际的使用过程中能够对部分的地质体进行有效的穿透，但是因为在实际勘探的过程中一部分的地质体结构存在着不均匀分布的状况，这就导致散射的成像呈现出较为复杂的状况[3]。不单单是地质结构能够影响到微波散射的状态，地表的复介电常数能够对地表的散射呈现出较高的影响性。复介电常数在实际探测的过程中主要是由地质体的化学性质、化学机构以及地质体的含水量的大小所构成，最为重要的就是地质体的物理化学性质能够给复介电常数产生非常大的影响，假设我们在实际勘探的过程中地质体的含水量好于平均值时，那么地质体的含水量将会对复介电常数产生非常大的影响，并且起到决定性的作用。一般来讲地质体的含水量越高，复介电常数将会呈现更高的状态，后向散射的状态也会呈现更高的状态，地质体在雷达上将会呈现颜色更加明显的状态。值得一提的是，在实际的地质勘探的过程中影响到地质微波散射特性的因素有非常多，同种的地质体在不同的环境以及条件下能够形成不同的地质体微波散射特性，并且环境对于雷达探测的影响非常大[4]。针对这种状况，当相关的技术人员在进行合成孔径雷达遥感技术进行地质勘探时就需要对勘探地的环境状况进行翔实的探究，除此之外还需要对勘测地的风化状况进行勘探。

1.2合成孔径雷达遥感地质应用的穿透成像特性

合成孔径雷达在发射电波之后能够穿透大多数的地质体，能够对较为复杂的地质体进行更为快捷、方便的勘探手段，在这其中对复杂地质条件进行勘探时能够对雷达所反馈的不同微波进行分析与计算，这也是使用雷达进行地质勘探的必要条件。SAR技术应用能够对雷达探测过程中所收集的微波散射特性、地质体的结构构成、覆盖物的结构组成能够进行非常详细的计算。在地质体覆盖物中所蕴含的含水量的大小以及相关覆盖物厚度以及覆盖物组成颗粒的大小会对雷达探测造成一定的影响，除此之外还将决定微波的穿透力度以及雷达收集微波的长度。SAR技术的应用能够对合成孔径雷达探测时有非常好的增益效果，SAR在应用的过程中能够对地质体覆盖层所反馈的微波进行计算，从而消除雷达成像过程中的差异，实现合成孔径雷达能够实现精度以及深度的提升，进一步消除数据上的误差[5]。在这其中，入射角的减小将会减少微波的入射面积，从而实现对地质体粗糙程度的精细化勘探，面积的减少能够减少雷达的运算工作量，实现粗糙程度的精细化勘探。但是在实际应用的过程中因为雷达所使用的软件与硬件不同可能会造成操作上的差异，所以要根据勘探地的实际情况展开分析与研究。

2.合成孔径雷达遥感地质应用

合成孔径雷达遥感技术的应用有一定的针对性，在这其中最主要的应用就是热带雨林地区以及部分的沙漠地区，在这些地区进行地质勘探作业，应用合成孔径雷达遥感技术能够提供有效的帮助，并且随着技术的推广已经能够应用至绝大多数的地质勘探领域，在古河道的分步研究过程中合成孔径雷达遥感技术也获得了应用。相关的地质勘探学家在21世纪初就已经认识到合成孔径雷达遥感技术在地质勘探过程中的重要性，并且应用至危地马拉地区、伯利兹地区的地质勘探过程中，通过数据的计算获得了大量的雷达成像记录，在这其中发现了绿化面积超过1200km2的古河道，并且依照当地的气候条件、古河道河流面积以及人口的预测计算，能够推断出该地区就是中美洲曾经最繁荣的农耕经济地区，这种古文明的发现是十分具有影响力的；除此之外也有一波地质勘探学家曾经在撒哈拉沙漠内发现了类似的古文明遗址遗迹附近的古河道，虽然沙漠地区的气候较为干旱，但是沙里的密度较为平均、沙粒的大小也处在同一水平线上，能够作为经典的合成孔径雷达遥感技术的试点区域，能够有效地应用SAR技术进行地质体的勘探；除此之外对雷达成像的数据进行进一步的计算发现，撒哈拉沙漠地区的古文明遗址一共有一个，古河道的长度大约为900km，还有隐藏的双环形火山口一个以及类似的火山结构1300余个，在相关的合成孔径雷达遥感技术的帮助下能够确认该地区地下河植被覆盖情况，微波的发射以及反馈能够通过雷达的成像很好地研究地质体的遗迹信息以及相关地质体结构，能够凭借合成孔径雷达自身的较高辨别精度对地下建筑的内部进行进一步的研究。

3.多源数据融合技术在雷达遥感地质中的应用

在进行合成孔径雷达遥感技术的应用过程中，因为不同的传感器的影像特性存在着明显的差别，在实际勘探过程中应该根据勘探地的实际情况进行雷达传感器的应用选择，尽最大的程度发挥不同传感器自身的探测优势[6]。合成孔及雷达能够非常有效地探测出地质体的纹理结构以及地质构成，并且能够有较强的地质体穿透能力，除此之外光学遥感的应用能够在最大程度上优化地质体的物理嘞边的鉴定。在光影像合成技术的基础上进行雷达成像系统的设计，不仅仅能够提高合成孔径雷达技术的勘探精度以及多要素的地质识别能力，并且能够对复杂的地质勘探信息进行筛选与计算，能够计算出地质体不同结构形成的年份与历史，并且分析地质体不同结构的性质，能够为相关的技术人员进行地质体的演化历史以及相关的技术研究提供借鉴。多源数据技术与合成孔径雷达技术的融合分为不同的层次，由高到低分别是像素级、特征级、决策级这三个层次。在不同层次之间能够进行不同的融合与应用，相较于像素级和特征级的融合，像素级与决策级的融合应用能够在最大程度上保留地质勘探雷达影像的原始数据，为实际的地质勘探过程打下良好的基础，并且广泛地应用于各大地质勘探现场，这种技术的运作原理主要是进行波段反馈、HIS的变换以及主成分分析技术的应用。相关的专家曾用这种方式在卡拉加斯地区进行了地质勘探，在应用的过程中使用融合成像的技术对向脆性结构的增强进行了研究，专家通过融合成像的技术确定了该地区的向脆性结构的影响主要是来源于深层岩体花岗岩的热液潜力作用，并且对周围的岩石进行了矿化作用。融合成像在使用的过程中不仅仅可以对该地区的地质情况进行非常好的成像，还对地表植物覆盖的状况进行非常敏感的反馈，在计算的过程中主要是通过不同岩体与植物覆盖的差异性进行岩体类型的分别[7]。有关专家学者在进行埃塞俄比亚地区的地质情况勘探时使用了HIS变换技术并且应用雷达波段成像的合成技术进行了勘探，摒弃将勘探结果进行三维化的处理，将其呈现在计算机上，这种三维成像技术能够在最大程度上识别玄武岩熔岩流和年份较新的中性熔岩流，还能够对地质结构中的断层情况进行详细的甄选，除此之外估算断层的坡度、深度等，不过在这个过程中存在着地质结构受到长期的干燥环境影响而导致物质搬移较小甚至可以忽略不计，所以合成孔径雷达遥感技术能够非常容易地对地质体进行识别。曾经有中国学者在进行天山至北山的重要矿区遥感项目调查的过程中，为了能够保证雷达成像的真实性与准确性，为合成孔径雷达技术中应用了空间纹理信息处理技术和多光谱影响成像技术，在这其中，雷达所探测得到的数据能够转化为科技含量较高的高视角四极化的产品，经过对各项探测数据的矫正分析过后能够将地质探测的误差控制在6m左右[8]。除此之外通过合成孔径雷达遥感技术中的融合成像技術能够较为准确的进行地质纹理的分辨，同时还拥有较为丰富的地质岩石色调信息，从而实现更为精准化的地质信息解译。

4.结论

综上所述不难看出，合成孔径雷达成为地质勘探信息重要遥感信息的来源，其自身已经在沙漠地区、热带雨林地区获得了较为广泛的应用，并且发挥了常规技术雷达所没有的优势，合成孔径雷达技术主要存在以下两个特点：雷达能够主动发射电磁波并且进行地质体的微波散射的收集，能够对地质体进行全天候、全时段的监测，能够为低纬度多雨地区的热带雨林地貌提供较为稳定的遥感勘探技术，除此之外雷达还能够通过多元数据融合技术进行覆盖植被以及沙漠岩层的穿透，进一步实现类似沙漠、雨林地区的雷达成像精度的提升。

参考文献：

[1]郑鸿瑞，徐志刚，甘乐，陈玲，杨金中，杜培军.合成孔径雷达遥感地质应用综述[J].国土资源遥感， 2018， 30（02）：12-20.

[2]张庆君，韩晓磊，刘杰，星载.合成孔径雷达遥感技术进展及发展趋势[J].航天器工程， 2017， 26（06）：1-8.

[3]贾新宇，路来君.合成孔径雷达技术研究综述[J].吉林大学学报（信息科学版）， 2015， 33（04）：373-379.

[4]肖虹雁，岳彩荣.合成孔径雷达技术在林业中的应用综述[J].林业调查规划， 2014， 39（02）：132-137.

[5]张薇，杨思全，王磊，李岩.合成孔径雷达数据减灾应用潜力研究综述[J].遥感技术与应用， 2012， 27（06）：904-911.

[6]汤沛，邱玉宝，赵志芳.合成孔径雷达（SAR）在地质、灾害应用研究中的新进展[J].云南大学学报（自然科学版）， 2012， 34（S2）：305-313.

[7]何敏，何秀凤.合成孔径雷达干涉测量技术及其在形变灾害监测中的应用[J].水电自动化与大坝监测， 2012（02）：45-48.

[8]谭衢霖，邵芸.成像雷达（SAR）遥感地质应用综述[J].地质找矿论丛， 2011（01）：59-65.