SAR 雷達影像

SAR 合成孔徑雷達影像近年逐漸受到關注， 因雷達影像不受雲層、日夜影響，可以全天候觀測。 常見的 SAR 影像分析方法有干涉分析、強度分析、時序分析， 在防災、救援方面有巨大的貢獻。

引言

交通大學土木系，在 2018-12-18 邀請到中研院的林玉儂院士， 分享 sar 合成孔徑雷達影像在遙測上的應用。 sar 影像近年越發受重視，因為能不受天候觀測， 同時 sar 影像的特性也與傳統光學影像不同， 需要特殊的分析方法，是可以期待的發展方向。

雷達影像相比可見光的優勢

雷達主動發射電磁波後觀測反射訊號的技術， 使用的波長主要在數公厘到數十公尺等級。 由於波長較長，不會像可見光完全被雲層遮蔽， 因此可以不論天候觀測。 更由於雷達屬主動觀測，不像可見光光源為太陽， 只能在白天觀測，更可以不受限制。

相比可見光，先是受日夜限制，晚上無法觀測， 就去掉一半的時間是無法運作的。 再加上人類活動地區，多數是有降雨分布的， 也就有更多的雲層遮蔽，可見光影像常因此無用武之地。

以東亞地區來說，防災是雷達影像的主要應用， 在地震、颱風、海嘯過後，要能快速掌握受災區域情況， 最快就是用衛星影像製圖。 但颱風或洪水時，災區常都是雲雨天， 可見光根本看不到東西；也就造成關鍵時刻無圖可用的窘境。 而雷達影像正好可以解決此一問題， 也就成為災後製圖的首選。

合成孔徑雷達

傳統雷達使用實體天線發出雷達波，稱為 實孔徑雷達 。 雷達波的解析度也就是雷達波束的寬度， 若要發出極窄的雷達波，必須有極長的天線。 但以飛機或衛星而言，配備巨大的天線是不可能的。

合成孔徑雷達則突破了這層限制， 合成孔徑雷達是在飛機前進時，連續發出多次雷達波， 再將在航線上成一直線的各點雷達波回波記錄合成， 就能摸擬出一個長天線的結果。

雷達影像特性

雷達影像採用傾斜觀測， 和一般光學影像是中心投影成像不同。 因為雷達的波長較長，解析度較低， 需要介由傾斜觀測不同時間的回波分辨不同距離的地物。 也因此雷達影像會有與中心投影中 高差位移方向相反的 forward shortening 現象。

而在地型上，也會因為坡向朝向波源， 倒致回波訊號較強，或是背向波源倒致回波較弱。 在背向波源坡度過大時，也會出現陰影。

強度分析

強度分析是直接用回波強度值成像， 和一般可見光影像展示的方式相同。 雷達影像可以只用強度成像成類似灰階影像的結果。 雷達回波強度方便的用途是用來分析水體， 因為無論是水面或單純潮濕的地面， 對雷達波的回波強度都較乾燥區域低。

另一主要用途是分析地型粗糙度。 一般來說，越粗糙的地型回波越強。 上例的水體則是極為平滑的面，所以回波較弱。 而粗糙度如果應用在海面上的話， 則是在風速越強處，海浪會越破碎， 因此可以做為海上天氣預報的參考。

淹水偵測

SAR 影像很大的功能是做淹水範圍的偵測。 如上所述，sar 在水面、甚至潮濕土壤上的回波都很弱， 可以據此快速判斷洪患過後，哪些地方為淹水受災區。 在洪水發生很大機會是由於降雨， 以傳統可見光影像在有雲雨時根本無法觀測， 雷達波可以穿透雲層全天候觀測， SAR 影像也就不受干擾。

但以 SAR 影像判斷淹水地區也有所侷限， 雖然說無論淹水或潮濕情況下，雷達回波都會較弱， 但在水面上漂浮了雜物，或是與建築物混雜等一些特殊情況， 雷達會出現在 角落的全反射 ， 或是只因為水面上雜物而表現出不同於水面的反射情況。 全反射是因為在水面近鏡面反射後，又在其它垂直面上進行一次反射， 共以將近 180° 反射，而在單點上出現極強回波訊號。

時間序列上的統計修正

在做淹水地圖時，只有單張影像的作法 是將整張影像中相對弱訊號就歸為水體。 但不同地物本來會有不同反射，只要暗處就歸為水體易有誤判。 可以長時間觀測同一地區，得到多幀非淹水時期的 sar 影像， 在偵測淹水時，就和非淹水時期時的影像相比較， 回波較低的才歸為水體； 就能避免將反射本來就較低的地物都歸到水體。

偏振方向

或者雷達波也可以依雷磁波的偏振分為水平偏振與垂直偏振， 分別可以組合四種不同的回波強度：

• 發出水平接受回波中的水平偏振強度
• 發出水平接受回波中的垂直偏振強度
• 發出垂直接受回波中的垂直偏振強度
• 發出垂直接受回波中的水平偏振強度

偏振在某種程度上可以達到類似可見光中不同波段的效果； 不同的地物對不同偏振的雷達波， 會有不同的反射， 可以以此判別不同地物。 雖然一般衛星只會發出一種方向的偏振， 然後接受水平與垂直，所以只會有四種中的二種。

這類雷達影像分析就類似一般可見光影像或多頻段的影像， 可以跑監督式分類或非監督式分類。 只是在成像上會有雷達影像的特徵， 幾何和一般中心投影、正射投影不同。。

干涉分析

InSAR 是另一種 SAR 影像分析方法， 使用二張帶有相位資訊的 SAR 影像相減，以相位差分析地表高程變化。 在衛星軌道上同一點不同時間對同一地所拍攝的 SAR 影像， 如果地表無變化的話，每一點與衛星的距離不變， 那二張影像中各點的相位應該會相同。 如果地表有起伏，例如抬升了 5 公分，來回距離會少 10 公分； 那對波長是 20 公分的 L band，回波就會快半個波長， 就會有半個波長的相位差，以此就能看出地型變動。

但也因為只能觀測到相位差，當變動到一個相位差時，就會回到同一相位。 而以地表變型來說，多數變型都是漸變的； 也就是二張影像中，少部份地區開始抬升時，相位差會漸增， 然後超過一個相位差又歸零，周而複始。 以偽彩色表現的話，解讀上可以看成連續但無標高 以彩度表現的高差等高線圖。 在高程變化上表現為規律的同方向花紋， 高程變化越劇烈花紋也越密集。

相對 GNSS 只能在點上觀測，InSAR 可以一次分析大範圍的面的地型變化， 在分析地震前後之類短時間內大範圍的地型變動十分適合， 可以簡單看出地震前後各地在垂直方向上的移動情況， 從而推出斷層位置。