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(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)勘探過程中最重要的就是勘探數(shù)據(jù)的積累，整個地質(zhì)勘探過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。在我國的絕大部分地區(qū)，地質(zhì)情況較為簡單，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?，F(xiàn)如今，工作的重點(diǎn)是要向勘探難度大的地區(qū)移動，在較為復(fù)雜的地形條件下建立相對完善的數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作。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)勘探時雷達(dá)能夠發(fā)出并且接收地質(zhì)體的電磁波，并且通過相關(guān)的軟件所搭載的算法對所反饋的電磁波進(jìn)行精細(xì)化的計算，在這個過程中能夠在雷達(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)遙感探測技術(shù)主要的理論基礎(chǔ)。在這個過程中，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、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進(jìn)行計算的；通過地質(zhì)體的化學(xué)性質(zhì)的不同經(jīng)過散射系數(shù)的不同對其進(jìn)行種類的評定，在這個過程中用到的數(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，在這個過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，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(jù)入射波波長的相關(guān)數(shù)據(jù)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(fā)射過程中如果遇到了較為平整的地面就會發(fā)生微波反射，這就導(dǎo)致雷達(dá)在進(jìn)行波長收集時波的散射情況不明顯；與之不同的是雷達(dá)在進(jìn)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(shí)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(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分，在實(shí)際雷達(dá)成像過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)對于地表的成像將會越來越顯眼。

微波在發(fā)射過程中與地質(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)的探測接觸到較為平滑的地面時會發(fā)生奇次散射，并且奇次散射的效果較為明顯，雷達(dá)在探測過程中因?yàn)槭艿焦饣孛娴挠绊懢蜔o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，則會對雷達(dá)的探測形成偶次散射，雷達(dá)所射出的微波將會基本上呈現(xiàn)以原路返回的探測狀態(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)際探測的過程中主要是由地質(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)我們在實(shí)際勘探的過程中地質(zhì)體的含水量好于平均值時，那么地質(zhì)體的含水量將會對復(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。一般來講地質(zhì)體的含水量越高，復(fù)介電常數(shù)將會呈現(xiàn)更高的狀態(tài)，后向散射的狀態(tài)也會呈現(xiàn)更高的狀態(tài)，地質(zhì)體在雷達(dá)上將會呈現(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)境對于雷達(dá)探測的影響非常大[4]。針對這種狀況，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)勘探時就需要對勘探地的環(huán)境狀況進(jìn)行翔實(shí)的探究，除此之外還需要對勘測地的風(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，在這其中對復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行勘探時能夠?qū)走_(dá)所反饋的不同微波進(jìn)行分析與計算，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)探測過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對雷達(dá)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(dá)收集微波的長度。SAR技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)铣煽讖嚼走_(dá)探測時有非常好的增益效果，SAR在應(yīng)用的過程中能夠?qū)Φ刭|(zhì)體覆蓋層所反饋的微波進(jìn)行計算，從而消除雷達(dá)成像過程中的差異，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，入射角的減小將會減少微波的入射面積，從而實(shí)現(xiàn)對地質(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)用的過程中因?yàn)槔走_(dá)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(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)識到合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)在地質(zhì)勘探過程中的重要性，并且應(yīng)用至危地馬拉地區(qū)、伯利茲地區(qū)的地質(zhì)勘探過程中，通過數(shù)據(jù)的計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)測計算，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；除此之外對雷達(dá)成像的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的計算發(fā)現(xiàn)，撒哈拉沙漠地區(qū)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(huán)形火山口一個以及類似的火山結(jié)構(gòu)1300余個，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優(yōu)勢[6]。合成孔及雷達(dá)能夠非常有效地探測出地質(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，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)行篩選與計算，能夠計算出地質(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、特征級、決策級這三個層次。在不同層次之間能夠進(jìn)行不同的融合與應(yīng)用，相較于像素級和特征級的融合，像素級與決策級的融合應(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，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)用的過程中使用融合成像的技術(shù)對向脆性結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)進(jìn)行了研究，專家通過融合成像的技術(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(jìn)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(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行非常好的成像，還對地表植物覆蓋的狀況進(jìn)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(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)在計算機(jī)上，這種三維成像技術(shù)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?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，不過在這個過程中存在著地質(zhì)結(jié)構(gòu)受到長期的干燥環(huán)境影響而導(dǎo)致物質(zhì)搬移較小甚至可以忽略不計，所以合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)能夠非常容易地對地質(zhì)體進(jìn)行識別。曾經(jīng)有中國學(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)過對各項(xiàng)探測數(shù)據(jù)的矯正分析過后能夠?qū)⒌刭|(zhì)探測的誤差控制在6m左右[8]。除此之外通過合成孔徑雷達(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，合成孔徑雷達(dá)技術(shù)主要存在以下兩個特點(diǎn)：雷達(dá)能夠主動發(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、全時段的監(jiān)測，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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