編著:邱奕龍(國立臺灣大學地理環境資源學系學生)

除了常見的光學遙測外,雷達遙測技術亦是種有效偵測地表變動的方法。本文以菲律賓塔爾火山火山爆發事件為例,說明雷達遙測的相位(phase)資訊與強度(Intensity)資訊,如何分別運用在偵測火山活動的地表變形、以及火山灰的地表覆蓋情形。

合成孔徑雷達(synthetic aperture radar, SAR)遙測技術是一種有效測量地表變動的方法。由雷達衛星主動發射微波訊號,打到地面物體後再接收返回訊號,並分析返回訊號的時間差,來取得地面物體遠近、大小、性質等資訊。

訊號受限於雷達衛星的高度、以及微波的波長等物理限制,因此尚需要透過合成孔徑技術進行後處理,才能獲得高解析度的影像。合成孔徑技術利用衛星飛行的軌跡,模擬出較大的天線孔徑,能夠大幅提高影像的解析度,目前雷達衛星影像的空間解析度可達數公尺級。

雖然雷達衛星影像的空間解析度不如光學衛星影像來得高,不過其對地表的變動非常敏感,尤其是雷達干涉(Interferometry SAR, InSAR)技術,對地形起伏的測量精度可達毫米等級,且雷達影像的成像不受日夜的限制、也能穿透雲雨,克服了許多傳統監測方法的弱點。

雷達差分干涉(Differential InSAR, DInSAR)技術,可以利用相同地區、不同時間的兩幅SAR影像進行相位(phase)干涉,再將得出的結果進行大氣、地形、衛星軌道等誤差修正,即可得到純粹由地表變形產生的相位差干涉圖。

圖1為菲律賓塔爾火山的DInSAR結果,該地區於2020年1月12日至15日陸續發生火山噴發事件,產生明顯的熔岩噴泉與大量的火山灰燼,且在事件發生三天之內,引發了500餘次地震。圖1為利用事件前(2020年1月9日)與事件後(2020年1月15日)的Sentinel-1衛星影像進行差分干涉,發現地表產生了顯著的變形:每一條由紅變換到紫的彩色干涉環(fringe)代表兩幅影像間的地表沿著衛星視線方向(line of sight, LOS)相差了一個相位,也就是相差了Sentinel-1衛星C-band的波長5.5公分。干涉環越密集的地方,則說明了地表變形的幅度越大。

圖1、菲律賓塔爾火山雷達差分干涉圖

而將圖1的干涉結果進行相位解算(phase unwrapping)後,即可轉換為地表沿衛星視線方向的位移量(如圖2所示),讓我們能以更直觀的方式觀察地表變形的程度。紅色的部份,位移量為負值,表示地表與衛星的距離在事件後增加;藍色的部份,位移量為正值,則表示地表與衛星的距離在事件後減少。不過在火山周圍地區,由於干涉環過於密集,可能會導致相位解算失敗,而產生如圖2中,火山島應該是地表變化最劇烈的地區,卻幾乎沒有位移量的結果。故在處理地表位移量較大的事件時,也可採用位移追蹤方法來計算位移量。

圖2、菲律賓塔爾火山沿LOS方向地表位移量

雷達遙測影像除了能利用相位(phase)更細緻地觀察地表的變形外,返回訊號的強度(Intensity)也能很好地辨識地表性質的變動情形。

根據不同地物,雷達返回訊號的性質也會有所不同,透過計算事件發生前後,兩幅影像間的同調性(coherence),即可得知地面物體的變動情形。在同調性為兩幅影像中,同一點位、不同時間的相關程度,值介於0到1之間,越大代表雷達返回的訊號越一致。如圖3為事件發生前的兩幅影像(2019年12月30日與2020年1月11日)間的同調性;圖4則為事件發生後的兩幅影像(2020年1月17日與2020年1月29日)間的同調性。

圖3、事件前影像對同調性

圖4、事件後影像對同調性

參照JPL所發展之Damage Proxy Map的概念,將圖3與圖4相減後,即可得出主要變動的區域(圖5),也就是事件發生前與事件發生後,兩對影像對間同調性的差。

圖5、Damage Proxy Map

圖6、Focal Statistics後的結果

從圖5處理後的結果,可看出訊號混亂且雜訊多的情形,故對其進行Focal Statistics技術,將原本網格資料內各像素的值重新設定為周圍直徑9個像素範圍內值的平均值(圖6),更容易看出區域性的趨勢,找出地貌明顯變化的地區。

而從圖7由左至右依序為可同調性明顯變動的地區、DEM、兩圖互相套合結果。

圖7、同調性明顯變動地區,並與DEM套合之結果

從圖7左下方紅色圓圈區域可發現事件發生後的同調性相較於事件發生前,明顯變小;火山島北方藍色圓圈區域,則可看出事件發生後的同調性相較於事件發生前,明顯變大。

紅色圓圈區域主要為塔爾地區,地形多為平原主要以種植咖啡、可可、鳳梨、大米、椰子等,,亦是塔爾湖與八打雁海灣的水路通道。塔爾火山噴發後,當地覆蓋了大量的火山灰燼,導致農作物枯萎死亡(圖8),自火山事件發生後,農田廢墟的同調性較事件發生前健康生長的作物來的小,此結果可以在圖五中觀察到。

圖8、塔爾地區受火山灰燼影響的作物

(圖片來源:Taal damage to agriculture hits P3.2 billion, Philippine Star

從Landsat-8衛星影像上可看出左圖藍色區域為火山島北方、植被濃密的森林地區。而在塔爾火山噴發後,摧毀了當地大部分的森林,取而代之的是由厚重的火山灰燼組成的泥地,改變了整座島的景觀(圖9)。

圖9、火山島在火山噴發前後,在Landsat-8衛星影像上的差異。左為2019年12月6日、右為2020年3月11日。

(圖片來源:An Ash-Damaged Island in the Philippines, NASA Earth Observatory

 

—-

參考資料:

TIMELINE: Taal Volcano’s January 2020 eruption, (2020)