合成孔徑雷達影像

第二章  理論基礎與文獻回顧 

本研究欲運用雷達干涉技術進行影像處理，獲取地表形變之成果，而 在應用雷達干涉技術前，先回顧合成孔徑雷達影像之基本特性，以選擇適 合之影像進行處理。而雷達干涉技術僅能獲得兩張影像取像時間之間的地 表變形量，欲獲得長時間之地表形變資訊，必須使用長時間序列之雷達干 涉技術，引入時間序列之概念，進行一連續時間序列之影像處理。據此本 章針對雷達影像、雷達干涉原理、長時間序列之雷達干涉處理進行文獻回 顧整理與探究。

第一節  合成孔徑雷達影像 

SAR 為一種主動式微波遙感探測系統，可由儀器自行發射雷達波並接 收雷達回波，其取像系統採側視方式，故雷達亦被稱為側視雷達（Side Look Radar），衛載 SAR 感測器皆為右側視系統，故在地表起伏較大的區域，僅 能從一方向取像，無法獲取在另一面向之地表資訊，為解決此限制，衛載 SAR 感測器可以升軌（Ascending）與降軌（Descending）兩種軌道來獲取 影像。圖 2-1 即為升軌與降軌之影像取像示意圖，圖中之箭頭為衛星之行 進方向，綠色線條代表升軌軌道可取得資訊之範圍，紅色線條代表降軌軌 道可取得資訊之範圍。故在偵測地物時，可依目標區域選擇適當之取像方 式進行偵測。

圖2-1 升軌與降軌雷達示意圖（Yu and Ge, 2010）

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SAR 之波長為 1 公分至 100 公分不等，雷達之波長與頻率分布如圖 2-2 所示。雷達隨波長的不同也可區分為不同之波段，目前衛載之雷達波長多 為X（2.4~3.75 cm）、C（3.75~7.5 cm）、S 波段（7.5~15 cm）、L 波段（15~30 cm）與 P 波段（15~100 cm），其地面解析度由 1 m 至 200 m 不等，一般而 言，雷達之地面解析度隨著波長升高而降低。由於SAR 之波長遠大於可見 光與紅外光，使雷達波相較於被動式的感測系統更能穿透雲霧，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）。

圖2-2 電磁光譜（Campbell, 2002）

雷達之波長越長，其對於樹冠及地表面之穿透力越強；反之，雷達之 波長越短，雖然影像對於地表之解析度越好，但對樹冠及地表面之穿透能

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力越差，因此，在使用SAR 偵測一地區時，應針對不同之地表覆蓋選擇適 當之雷達波長，圖2-3 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，則較能獲取樹冠層及地表下 之資訊（Jensen, 2007）。因此，在使用 SAR 偵測時，應先考慮實驗區之地 表覆蓋情形，若植被覆蓋較多，應使用波長較長之雷達。

圖2-3 雷達波的植被穿透力（Jensen, 2007：320）

又由於雷達為一種電磁波，當其發射時，會產生偏極化現象。如圖2-4 所示，水平方向內之波稱為水平偏極化（Ｈ）；在垂直方向上之波稱為垂直 偏極化（Ｖ）。當返回之雷達波與發射之雷達波具有相同之偏極化時，稱為 同極化或平行極化（Parallel Polarization），HH、VV 即表示這種情況，HH 即表示以水平偏極化發射雷達波，同樣以水平偏極化接受回波；VV 即表示 以垂直偏極化發射雷達波，同樣以垂直偏極化接受回波。當返回之雷達波 與發射之雷達波具有不同之偏極化時，稱為交叉極化（Cross Polarization），

HV、VH 即表示這種情況，HV 即表示以水平偏極化發射雷達波，並以垂 直偏極化接受回波；VH 即表示以垂直偏極化發射雷達波，而以水平偏極化 接受回波（潘國樑，2009）。

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圖2-4 雷達之偏極化現象

HH 之取像方式，對於大多數地物之回波為最強；對於平滑之地表面，

以 VV 之取像方式所得到之資訊則較為豐富。而某些地物在交叉極化影像 中之差異極大，適合用以分類地物。故在使用雷達影像偵測時，應就目標 區域之地物特徵選用適合之偏極化影像。SAR 影像之偏極化，因為地物在 不同偏極化影像之不同，常應用於地物分類，Herderson et al.（1998）在使 用SAR 影像偵測不同岩石種類之界線時，發現 HV 之影像較 HH 之影像之 區分岩石界線能力為佳。

衛載PALSAR 影像依據使用者之需求，設計不同之取像模式，可分為 FBD（Fine-Beam Dual）與 FBS（Fine-Beam Single），其不同處在於 FBD 影像在取像時一次包含了兩種偏極化（HH 與 HV 或 VV 與 VH）且其取像 之頻寬為14 MHz；而 FBS 僅有一種偏極化（HH 或 HV），頻寬為28 MHz。

FBD 影像和 FBS 影像各可取得不同之物徵，使用者可依目的選用適合之影 像，且目前FBD 與 FBS 影像已可互相轉換，在應用上可將兩種影像一起處 理，此轉換增進了PALSAR 影像實施雷達干涉技術之能力（Werner et al., 2007）。

自1981 年至今，衛載之 SAR 感測器有 SIR 系列、Almaz-1、Radarsat、

ERS 系列、ENVISAT、JERS、ALOS 與 TerraSAR-X 等，根據前述之 SAR 影像特性，本研究將各種衛載SAR 感測器規格匯整於表 2-1：

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SIR-C/X-SAR 1994~1994 X（3 cm）、

C（6 cm）、

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由於衛載SAR 影像有上述各項特長，現已被許多研究者應用於各種偵 測上，李昀叡等人（2012）應用 SAR 影像設計演算法快速偵測出淹水區域，

提供救難組織實施救援工作做為輔助之工具。Deane and Domville（1973）

利用不同波長之雷達影像偵測乾沙、乾燥土壤、潮濕土壤、極潮濕土壤與 海水進行偵測，繪出雷達波長對於各類土壤與海水之穿透深度關係圖，證 實了以SAR 影像也可利用其穿透地表能力偵測土讓含水量。在地表形變偵 測方面，學者提出可以雷達之振幅及相位資訊產製干涉條紋圖之方式偵測 地表面之變化（謝嘉聲，2006）。

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