第二章 理論基礎與文獻回顧
第一節 合成孔徑雷達
許多都搭載合成孔徑雷達感測器，諸如 SIR、ERS、ENVISAT、ALOS 等。
SEASAT 於 1978 年 6 月升空，因電路故障，於同年 10 月結束任務。此衛 星搭載的是 L 波段，HH 極化（水平發射水平接收）之合成孔徑雷達感測 器。80 年代太空梭成像雷達（Shuttle Imaging Radar, SIR）發展 SIR-A、SIR-B 合成孔徑雷達感測器。1994 年，美國 JPL、德國太空中心 DLR 以及義大利
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太空中心 ASI 共同發展出第一顆多頻、多極化之衛載雷達。1991 年 ESA
（European Space Agency）發射出 VV 極化（垂直發射垂直接收）、C 波段 之合成孔徑雷達 ERS-1；1995 年發射出 ERS-2，與 ERS-1 完成串聯任務，
可提供僅相差一天的影像對，縮短資料時間間隔。2002 年，ESA 發射 ENVISAT 太陽同步衛星，接續 ERS-1/2 任務，ENVISAT 上裝載有 10 個遙 測感測器，其中包括一合成孔徑雷達系統，名為 ASAR（Advanced SAR），
為多極化雷達。2006 年，日本發射 ALOS 太陽同步衛星，其主要工作為製 圖、環境監測、災害監測及自然資源調查。此衛星搭載三個感測器，分別 為全色態遙感立體測繪儀（Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping, PRISM），主要用於數位高程測繪；先進可見光與近紅外輻 射計（Advanced Visible and Near Infrared Radiometer type 2, AVNIR-2），用 於精確陸地觀測；相位陣列 L 波段（波長約 19 cm）合成孔徑雷達（PALSAR）， 用於全天時全天候陸地觀測。
SAR 之波長遠比可見光長，為 1 公分至 100 公分不等，雷達之波長與 頻率分布如圖 2-1 所示。目前最常見的雷達，依波長不同，可分為 X 波段
（2.4~3.75 cm）、C 波段（3.75~7.5 cm）、S 波段（7.5~15 cm）、L 波段（15~30 cm）與 P 波段（30~100 cm）五個波段。波長不同，其空間解析度亦不相 同，通常波長升高而地面解析度會降低。相較於光學影像感測器，雷達長 波長的特性是雷達波可穿透雲霧，不受天候之影響，且雷達影像涵蓋範圍 廣大，影像包含了振幅與相位資訊，提供地表粗糙度、地表物徵與物徵性 質等多樣資訊（Campbell, 2002）。
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圖 2-1 電磁光譜（Campbell, 2002）
雷達波長越長，訊號越容易穿透樹冠層，提高得到地表面資訊的機率；
雷達波長越短，影像對於地表之解析度越好，但穿透力差，易得到樹冠資 訊。圖 2-2 說明不同雷達波長對於植被之穿透能力，由圖可見，L 波段之雷 達波（約 23.5 cm），對於植被有較佳之穿透力，獲取真實之地面回波資訊；
而 X 波段（約 3 cm）之雷達波，則較能獲取樹冠層之資訊（Jensen, 2007）。
因此，應依欲偵測之地區、目的，挑選適當波長 SAR 影像，才能得到合理 成果，如欲在樹木茂密地區，偵測地表變形，應選用 L 波段之 SAR 影像。
另外，SAR 影像目前有多偏極模式，因此也可選擇適當偏極，提升偵測成 果。
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圖 2-2 雷達波的植被穿透力（Jensen, 2007：320）
二、
InSAR
合成孔徑雷達干涉之原理為將兩張以上 SAR 影像，執行干涉處理得到 包含地表三維資訊之干涉圖。過程中包含許多技術性處理如將原始影像處 理成單觀點複數影像（Single Look Complex image, SLC image），影像對位 等。其後，合成孔徑雷達干涉技術經研究證實其獲取地形資訊之能力，成 功應用於製作 DEM 等其他領域（謝嘉聲、史天元，1999，2001）。以下將 介紹 InSAR 之取像模式與有效執行 InSAR 之條件。
(一) InSAR 取像模式
合成孔徑雷達干涉技術是以兩張雷達影像中的振幅資料對位，相 位資料解算地表的三維資訊，依據感測器天線位置不同、影像接收時 間不同，可分為三種資料獲取方式，分別是橫軌式（Across-track）、沿 軌式（Along-track）以及重複軌道式（Repeat-track / Multi-pass）（Gens and Genderen, 1996），以下分別介紹三種方式。
1. 橫軌式（Across-track）
橫軌式取像模式同時裝載兩個雷達天線於一載台上，且兩天
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線連線與飛行方向垂直，同時蒐集飛行方向一側資料（圖 2-3），
其中 H 為航高，O1、O2為取像位置 1、取像位置 2，r1、r2是位置 1 取像斜距、位置 2 取像斜距，B 為取像位置 1 與取像位置 2 基線，
90°減去雷達天線視角為θ。
圖 2-3 橫軌式幾何示意圖（修自 Gens and Genderen, 1996）
此方式透過全相位回復（Phase unwrap）即可獲得高程資訊，
惟此法無法有效分辨地形斜坡與飛機傾斜所造成的誤差。
2. 沿軌式（Along-track）
沿軌式與橫軌式相似，為在載台上搭載兩部雷達天線。惟雷 達天線的掃描方向與載具的飛行方向相同，因此與橫軌式比較上，
所獲取的資料性質不同，圖 2-4 為其幾何示意圖。
圖 2-4 沿軌式幾何示意圖（修自 Gens and Genderen, 1996）
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橫軌式主要為獲得訊號產生的相位差，而延軌式主要為感測 目標瞬間相對於感測器的變動量，如水流變動，因此沿軌式掃描 方式無法偵測靜止的物體。
3. 重複軌道式（Repeat-track / Multi-pass）
重複軌道模式與前兩者的差異是，載台只需配置一個雷達天 線，利用載台通過相同區域兩次的方式，得到接近相同的天線位 置（圖 2-5）。
圖 2-5 重複軌道式幾何示意圖（修自 Gens and Genderen, 1996）
此種取像模式需要依靠精密的軌道位置參數，以相近的天線 位置蒐集雷達資料，較適用於飛行穩定的衛星雷達載具。相較於 前兩種取像方式，因重複軌道式衛星影像在不同時間取得，大氣 條件不同情況下，會引入大氣誤差。
(二) 產製 InSAR 之條件
InSAR 技術之主要目的為生成干涉條紋，並以干涉條紋解算地表 資訊，然而並非同一地區之所有像對皆會產生干涉現象，在產製干涉 條紋之過程中，必須考慮下述幾項條件，才能提高生成良好干涉之機 會（Massonnet and Feigl, 1998；Ferretti et al., 2007；謝嘉聲，2006）：
1. 影像必須為複數影像（Complex Image）
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SAR 影像之種類繁多，只有同時包含振幅與相位資訊的複數 影像才可作為產製干涉之用，其中振幅資訊為影像對位依據，經 精密對位後，再依相位資訊產生干涉條紋。
2. 地表資訊保存
若在兩幅影像的獲取時間間隔內，地表變動幅度過大，組成 之像對會有不相關（Decorrelation）的情況產生，此類現象多發生 在水面、植被覆蓋區與海岸線潮汐變化大等地區。為了解像對的 相關性，可使用同調性影像（Correlation Image）輔助了解像對產 製干涉條紋的可能。
3. 不確定值（Ambiguity）
雷達影像所記錄的相位資訊為相位之非整數值，而此相位之 整數部份為不確定值。必須透過全相位回復（Phase Unwrapping）
技術回復該整數值，以得到完整的相位值。圖 2-6 為全相位回復 之示意圖，在全相位回復前（下半部），像元記錄之值為-π至π 之間之值，而全相位回復後（上半部），像元之整數部分即被解算 出來，此成果即為地表高程之相位值。
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圖 2-6 全相位回復示意圖（Loffeld et al., 2008）
4. 相位值變化符合要求
干涉條紋的生成過程中，當鄰近像元間之相位變化值超過一 條干涉條紋（2π）時，像元間即會產生不相關之現象。如像對間 之同一像元在兩幅 SAR 影像中，雷達視距方向上變化量超過λ/2 時，該像元就會呈現不相關，以 PALSAR 衛星 SAR 影像為例，該 衛星雷達波長為 23.6 公分，當單一像元變化量超過 11.8 公分，即 被判別為不相關。
5. 雷達波長
不同雷達波長，對地物的反應特徵不同，短波長雷達波長能 偵測出微小的地表變化，但容易受到電離層的影響降低影像品質；
長波長雷達波對植被穿透性較好，有較高機率獲取真實地面資訊，
得到同調性較高的結果。
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孔徑雷達差分干涉（D-InSAR）。D-InSAR 技術最早以三幅 SEASAT 雷達影 像生成兩幅干涉條紋圖，接著使用兩幅干涉條紋圖實施差分干涉技術推求 地表變形量，成果證實以 D-InSAR 可以偵測公分級之地表變化量（Gabriel, 1988）。其後，許多研究針對 InSAR 技術作更進一步的發展與探討，延伸 出 D-InSAR 不同的組成方式。以下主要介紹 D-InSAR 原理，以及 D-InSAR‧ 國
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主要誤差來源。
(一) D-InSAR 原理
D-InSAR 技術係利用不同時期所產生的干涉條紋圖，去除干涉條 紋所包含的相同地理訊息與其他雜訊後，可以得到因地表變形所產生 的相位差，且同樣以干涉條紋呈現，此項技術經證實可達公分等級精 度。
由 於 雷 達 偵 測 是 沿 著 天 線 至 目 標 物 的 雷 達 視 距 方 向 ， 因 此 D-InSAR 所得到之成果為雷達視距方向之地表變動量。圖 2-7 說明 D-InSAR 組成的幾何關係，其中以 O1O2形成第一張干涉條紋圖，代表 無變動情形發生時的地形高程資訊，作為地形對（Topo-pair），再以 O1O3形成第二張干涉條紋圖，包含地形資訊以及地表變動的訊息，作 為變形對（Defo-pair），B 為 O1O2基線，可依 O2雷達視距方向分為垂 直基線
B
與水平基線B
/ /。圖 2-7 D-InSAR 幾何示意圖（謝嘉聲，2006）
經由幾何推導，以地形對與變形對的垂直基線值與兩者的相位差 值，即可計算在雷達視距方向上的變形量。
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也會使得干涉成果無法完全消除此誤差。
5. 時間性誤差
若獲取形成干涉條紋圖的兩張 SAR 影像的時間間隔過長，地 表特徵容易因時間而改變，如植被的生長、建築物拆遷等，降低 像對同調性而無法形成有效干涉。