遙測大地：大地彩虹–合成孔徑雷達
94/06/08
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張中白｜
中央大學地球科學系暨太空及遙測研究中心教授
變動的大地
地球是一顆活力充沛的星球，我們可以從它內部旺盛的對流作用，以及表面活躍的板塊運動略窺端倪。板塊聚合時地殼岩石受到擠壓，產生了高山及陸地，提供人類文明發展的舞臺，但是板塊運動卻也帶來不受歡迎的副產物–地質災害。
從臺灣高聳的山脈，可以知道它是一個地質年代很輕的島，這裡的板塊聚合作用仍然很劇烈。事實上最新的測量資料顯示，在臺灣地區，菲律賓海板塊正以每年大約8公分的速度向歐亞板塊，即中國大陸邊緣推移。板塊交界地帶的岩石被擠壓變形、抬升或沈陷的同時，許多地質災害也就伴隨著在地表發生，例如斷層、地震、山崩、土石流、地層下陷等。因此，為了生命與財產的安全，一定得好好了解臺灣大地的變形動態。
掌握大地的脈動
要了解地表的變形，首先要能做到精密的土地丈量。傳統的做法是採用望遠鏡等光學儀器，不但耗費人力，長距離的測量誤差也大；這種方法還有個嚴重的限制，就是必須看得到才測得到，因此測量人員要跋山涉水到達實地才能施測。一旦應用在大範圍的土地測量時，常要傾國家之力，花費數年的時間才能完成。
雖然有的地表變形十分緩慢，例如地層下陷及造山帶的持續隆升，使我們有時間慢慢測量，但有的地表變形十分快速，像山崩及斷層所引發的瞬間地表破裂，如果測量所需的時間太長，將很難掌握地表變形的特性。
地形的阻隔更是傳統測量法的一大限制。往往因一座高山或一片海洋的阻隔，就會使傳統大地測量成為一項不可能的任務，更何況要觀測地表變形狀況。
幸而近年來航太技術快速發展，人們大量利用飛機及人造衛星等各式航空器所運載的儀器，達成了許多從前不容易辦到的事情。地表變形監測也順理成章地進入了太空時代，其中最為人熟知的就是利用全球衛星定位系統（Global Positioning System, GPS）。
全球衛星定位的基本原理，是在地面的待測點放置接收器，接收人造衛星所發出的訊號。藉由計算各衛星與待測點的距離，得知該點的三度空間座標，定位精度可優於1公分。全球衛星定位系統打破傳統大地測量必須看得到參考點才能施測的限制，大大提升了可測量的距離，節省測量所需的時間，同時也提高了長距離測量的準確度。
過去十多年來，應用全球衛星定位系統監測臺灣地區地表變形的研究，已獲得豐碩的成果。然而，利用全球衛星定位系統進行測量仍然有一些限制，例如施測前需要派員到野外去布站，施測時需要投入相當多的人力及時間做資料收集。另外，觀測點的位置及觀測網的密度也決定了資料的品質；觀測點必須有良好的透空度以接收衛星訊號，觀測網的密度越高，所得到的資料越完整，然而付出的經費及人力也會越多。
由於這些限制，科學家希望能發展其他更快速、更全面、更經濟的大地測量方法，來輔助現行的全球衛星定位系統測量技術。新的發展方向傾向於利用人造衛星影像的對比技術來監測地表變形，其中最引人注目的就是「雷達影像技術」的發展。
什麼是合成孔徑雷達
雷達，英文名稱是radar，是radio detecting and ranging的縮寫，原本的意思是「無線電波偵測及測距」。最初發展雷達偵測技術時，地表的反射回波往往是不受歡迎的雜訊，必須想辦法消除，才能看清楚受測目標。後來雷達被安裝在飛機及人造衛星上，雷達的成像技術有了重大的突破，地表的反射回波才變成有用的資訊，人們可藉以了解地表的形貌。
選擇衛星雷達做為大地測量工具有幾個重要的原因。首先，雷達波擁有優越的穿透性，比起可見光，雷達波能更輕易穿透雲霧煙塵的遮蔽到達地表，反射後再被衛星接收；另外，雷達測量在夜間也能順利施測，而且雷達電波掃描能迅速提供整個面狀的地表資訊，這是其他測量方法難以達到的。
最後還有很重要的一點，人造衛星一旦進入軌道運行，就能持續不斷地提供地表雷達影像，因此可以比對不同時間擷取的影像，計算出地表變形速率。針對突發的變形狀況，也可以調閱事件發生前後的影像進行比對，計算出該事件所造成的地表變形量。
平面解析力的提升，一直是雷達成像技術的研發重點。在正常狀況下，1,000公里軌道高度上運行的人造衛星，若天線寬度以10公尺估算，其雷達影像平面解析力大約是10公里。這樣的解析力很難滿足地表監測的需求，於是科學家採用所謂的合成孔徑雷達（synthetic aperture radar, SAR）技術來提升影像的平面解析力。
合成孔徑雷達的基本原理，是在衛星運行時，藉由快速地重複發射雷達波，再把這些連續且重疊的回波資料加以解算，而達到提升影像解析力的效果，這個方法有點像在太空中，沿著人造衛星運行的方向，建造一座龐大的虛擬天線一樣。有了這座龐大的虛擬「合成孔徑天線」，雷達的解析力可大大提高千倍以上！如此則提升了衛星雷達監測地表變形的可行性。具有合成孔徑雷達酬載且目前正在運轉的遙測衛星，主要有歐洲太空總署研發的ERS-2和ENVISAT，以及加拿大的RADARSAT衛星。
在五十多年前就有科學家提出應用衛星合成孔徑雷達監測地表形貌的構想，而且第一顆載有合成孔徑雷達的人造衛星SEASAT，也早在1978年便已發射升空，但是一直到最近幾年，由於另一項重要技術–差分干涉法的成熟，這個想法才逐漸落實。
反應地表變形的彩虹
當我們拿到兩張或更多張衛星雷達影像時，並無法用肉眼直接度量出地表變形。衛星雷達影像必須經過特殊的處理與計算，才能正確反映地表的變形，這種處理方法稱為「差分干涉法」。
簡單地說，雷達差分干涉法就是把兩組或多組不同時期的衛星雷達資料，進行精準的幾何校正，再經由資料干涉分析，所發展出的大地測量技術。雷達資料差分干涉結果可得到該時段內，地表與衛星之間距離變化所引起的雷達波相位差，解算相位差後，就可得到兩者之間對應距離的變化量。雷達差分干涉的精密度視其所使用的雷達波波長而定，目前遙測衛星所使用的雷達波主要有Ｘ波段（波長約3公分）、Ｃ波段（波長約6公分）及Ｌ波段（波長約24公分），波長越短，精密度越高。我們通常會把干涉得到的雷達波相位變化，賦予不同的顏色，例如把相位從－π到＋π，設定為從紅色到紫色，以方便閱讀。而這樣的一幅由彩虹干涉環，即雷達波相位變化所組成的圖形，我們稱它為干涉圖，圖中干涉環的數目及其分布形狀，能夠呈現雷達波入射方向的地表變形。事實上，諸如雷達波入射角度、地貌效應以及衛星軌道偏差等其他因素，也都會造成雷達回波的相位差而形成干涉環，若要反映真實的地表變形，必須設法消除這些「雜訊」干涉環。
把合成孔徑雷達所擷取的影像資料，經過上述的差分干涉法處理，以獲取高品質的地表資訊，這種方法稱為「合成孔徑雷達差分干涉技術」。把這項技術應用於地表變形研究，目前全世界已累積許多重要成果，其中最具代表性的例子，如1992年美國加州Landers大地震，以及1999年土耳其大地震，這兩次大地震帶來的地表變形，都已被科學家利用合成孔徑雷達差分干涉技術精密地測量出來。
大勢所趨
在持續發展的經濟與科技潮流中，我們的建設不能回頭，然而一次次的地質事件明白地告訴我們：臺灣若不更積極地投入地球科學的研究，以減少地質災害，付出的代價會愈來愈巨大而慘痛，因此地表變形監測將是地質防災工作中非常重要的一環。
近年來在政府的支持下，國內許多研究單位分別用不同的測量工具及方法，積極投入相關的研究，合成孔徑雷達當然不會在這項重要的工作中缺席。中央大學太空及遙測研究中心及其資源衛星接收站，自1993年10月起開始接收衛星雷達影像，目前已累積了相當豐碩的成果，例如集集大地震前後的地表變形監測，以及許多濱海地區及都會地區的地層下陷監測等。
今天，我們的地質知識已經比以前增進了許多，但仍有很多無法掌握的，拿地表變形為例，雖然我們已能掌握臺灣大部分地區的位移情形，但是一些微小的、局部的、非連續性的變形仍然很難即時偵測出來；這些變形雖然不起眼，卻往往是許多重大地質災害，如地震及山崩的前兆。如何快速、全面及精準地測量地表變形，是科學家所追求的目標，而合成孔徑雷達及其他新方法的應用，便可掌握地球更細微的脈動。
