菲律賓塔爾地區火山爆發事件 / 邱奕龍

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。