陳立學(現為台灣大學地理系大四學生)

合成孔徑雷達的干涉技術(Interferometric synthetic aperture radar, InSAR)

最近十年來,新一代的雷達衛星獲得了空前的解析度,合成孔徑雷達的干涉技術(Interferometric synthetic aperture radar, InSAR),大幅增進了,我們用以監測全球地表變形的能力。

在去年(2020)的夏天,英國COMET(註一)社群中的兩位學者Juliet Biggs與Tim J. Wright發表了一篇文章,回顧過去十年來InSAR技術應用與進展。該文章簡單扼要地介紹了InSAR在三大領域上的應用:板塊與地震、岩漿與火山、人為活動造成的地表變形,作為初學者瞭解InSAR這個領域的入門文章是再適合不過。在正式介紹文章之前,先從InSAR的基本知識開始說起。

透過在人造衛星上面搭載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR),儀器會主動向地表發射訊號,並蒐集反射回來的影像。將同個區域在不同時間點所拍攝到的SAR影像進行干涉比對後,可以得到影像中各個像素在這兩個時間點之間的位移量,這樣的技術就稱為「InSAR」。

SAR衛星主動觀測的波段屬於微波,波長介於數公分到數十公分之間,這個波長除了不易被大氣吸收之外,還能夠穿過雲層,因此觀測時比較不會受天氣影響。如日本的發射的ALOS使用L-band的雷達系統,波長23.5公分,對於植被茂密的區域有較強的觀測能力。歐洲太空總署Envisat衛星所採用的C- band則有5.6公分的波長,可以在大部分植被不茂密的地表與冰層表面提供高空間解析度的地表資訊。

1999年加州Hector Mine地震的例子。左側圖表示的是地震前後拍攝的兩張SAR影像之各個像素的訊號相似度(coherence)。右側圖則是該兩張SAR影像的干涉結果,彩色環帶上的一個色彩循環代表2.8公分的地表位移,可以看到越靠近斷層的地方,條帶的分布越緊密,代表該區域的變形量較大。(Simons et al., 2002)。

在地表變形的監測上,過去常使用地面架設的觀測儀器(ground based Observatory)來取得數據,比如說用GNSS (註二)來定位地面上的控制點,監測地面上各點的位移量。該文章中提到,最近十年以來,除了使用地面儀器測量地表的變形以外,越來越多研究也會使用InSAR作為工具,用來繪製更細緻的地表變形模型。利用InSAR技術觀測地表的變形趨勢,不只可以補足過去GNSS測站點狀資料的缺點,還可以在缺乏地面測站或是難以到達的雨林、火山、與高山峻嶺蒐集到高品質的地表位移資料。

根據文章所述,雖然人們早在幾十年前就知道能透過比較兩幅SAR影像來得到地表位移量的資料,這樣的InSAR技術卻是在許久之後才發展成熟。第一架搭載SAR雷達儀器的衛星Seasat在1978年就已經發射升空,但是若要比較一個區域在兩次拍攝時的細微變化,需要精確掌握衛星的位置、軌道參數、還有大氣中電離層造成的擾動等等,這些技術上的要求使得InSAR的實際應用一直推遲到1992年,美國加州的Landers地區發生地震時,當時剛由歐洲太空總署發射升空不久的ERS-1衛星才使用InSAR技術測量到了地表的位移場。那次的成功,使得InSAR這項充滿潛力的技術一躍成為眾人矚目的焦點,也才陸續有更多衛星為了測量地表變形而升空,為InSAR提供更多高品質的影像。

在加州Landers地震發生的那個年代,只有少數幾場地震有被建立出完整的同震變形模型,但是多虧了ERS和Envisat為主的幾個衛星,在1990s ~ 2000s 之間,超過130個地震的變形圖被繪製。這篇文章樂觀地指出,隨著技術持續進展,我們已經能取得同一個區域每天的SAR觀測資料,建立出在時間與空間上都具有高解析度的變形模型。這些資料長期累積下來,將能夠顛覆我們監測大地變形的能力,進而減低自然災害造成的衝擊。

註一:COMET,全名是Centre for Observation and Modelling of Earthquakes, Volcanoes and Tectonics,這個學術社群連結了以英國國內的大學為主的學者們,一同利用衛星或是地面儀器的資料來分析火山、地震與構造活動。

註二:GNSS,是全球衛星導航系統(GNSS)的簡稱,泛指範圍負蓋全球、且能夠提供地表的使用者取得精確位置資料的人造衛星系統,如美國的GPS或是俄羅斯的GLONASS。

 

參考資料:

Biggs, J., & Wright, T. J. (2020). How satellite InSAR has grown from opportunistic science to routine monitoring over the last decade. Nature communications, 11(1), 3863.doi: https://doi.org/10.1038/s41467-020-17587-6. 

Simons, M., Fialko, Y., Rivera, L. (2002). Coseismic Deformation from the 1999 Mw 7.1 Hector Mine, California, Earthquake as Inferred from InSAR and GPS Observations. Bulletin of the Seismological Society of America 2002;; 92 (4): 1390–1402. doi: https://doi.org/10.1785/0120000933