「合成孔徑雷達」自上世紀90年代初出現第一顆衛星第一張影像,到現在多顆衛星對地球的高密度觀測,更將人類追求「認識地球」的能力推上了一個新的高度。今天要介紹的主題,便是這劃時代的神兵利器如何應用在救災上。

猶記得我小的時候,問過爸爸一個這樣的問題:「衛星真的那麼厲害,可以看到我在屋子裡面做什麼嗎?」

大概是出於嚇唬小孩子不要亂做壞事的心理(現在我自己當了媽媽也終於懂了),爸爸便順著話說:「對啊,你在房間裡面念什麼書,衛星都可以拍得一清二楚喔!」這話嚇得我好長一段時間都不敢在房間裡偷看漫畫書!

許多年之後,等我自己開始學習遙測—指使用人造衛星或是其他飛行器對地面進行觀測—的各種知識,才終於了解衛星也不是那麼無所不能。比方說因為從太空看地球是接近垂直視角的關係,人臉是幾乎不可能從衛星影像中辨別出來;再來因為現在一般地球觀測衛星影像的「解析度」—也就是影像中每一個像素對應的是地面上多大的範圍—多半都在公尺等級,如果說一個像素就是馬賽克上的一片磚,那麼書本上的字跟圖片就像是這片磚上的一粒沙一樣,要清楚識別的機會幾乎是零,基本上可以排除使用這些衛星資料當作「老大哥」(指英國作家喬治歐威爾小說《一九八四》中的極權政府代表人物) 鷹眼的可能性。

不過,如果單純把衛星想成是比較昂貴的「太空照相機」,也就過度小看衛星的威力了。地球觀測衛星可以將光譜再細分成上百個不同頻段,對地球上各式各樣的物質進行監測,加上幾十年以來幾代衛星所積累的連續觀測資料,造就了人類史上前所未有的大範圍、高精度、全方面的地球環境監測。而「合成孔徑雷達」自上世紀90年代初出現第一顆衛星第一張影像,到現在多顆衛星對地球的高密度觀測,更將人類追求「認識地球」的能力推上了一個新的高度。我今天要介紹的主題,便是這劃時代的神兵利器如何應用在救災上。

 

雷達波的秘密

地球觀測衛星可以粗略分成「被動系統」與「主動系統」。我們知道,地球表面主要的能量來自於太陽輻射,依照光譜中不同頻率,可再細分為可見光、紅外線以及微波等波段。太陽輻射在抵達地球後,不同波段會在地表與大氣中經歷不同的吸收、反射與再輻射效應。被動系統衛星偵測的便是這些能量,因此也往往被稱作「光學衛星」。取決於監測標的,不同衛星擷取的波段也會有所不同。比方說,一般用來偵測地表植物生長狀況的「標準化植生指數」,利用的便是可見光中的紅光與紅外線中的近紅外光彼此的組合比值關係;而對於大氣中的水氣含量監測,主要是依據水氣在紅外線與微波中特定波段的輻射強度。光學衛星的應用非常廣泛,但存在一個關鍵問題:高度仰賴太陽輻射作為其能量源。因此,大多的光學衛星「照相」的時間,都需要在有一定太陽光源的時間,也就是俗話說的白天。另外一個衍生的問題就是:如果我們今天的目的是地表物件的監測,而該地卻被雲層給擋住,光學衛星還真的是無用武之地。

相形之下,主動系統衛星就是自備光源,在一顆衛星上同時存在電磁波的發射器與接收器,換句話說,就是一套自給自足的系統!也因此,主動系統可以在白天採集資料,也可以在晚上採集,完全獨立於太陽輻射之外運作。合成孔徑雷達衛星就是這樣的一種系統:從衛星發射器送出低能量、對人體無害的雷達波(也就是微波),雷達波抵達地表後經過散射,一部分的能量可以返回到太空,再被衛星上的接收器所捕捉,此即所謂雷達回波。

除了24小時不打烊的特性之外,主動式雷達波更因為使用了較不為大氣層吸收的微波波段,因此就算目標所在地的上方覆蓋了雲層,主動式雷達波照樣可以穿透無礙,幾乎是像透視眼一樣地神奇了(雖然說還是沒辦法看到你我躲在房子裡面看漫畫書)!

所以想像一下:如果在一個淒風苦雨的颱風夜裡,天空中又佈滿了厚厚的雲層,這時如果發生了嚴重的淹水或是山崩,有什麼方法可以快速地提供關於地面災情的大範圍資料,讓救難人員知道要到哪些地方去救人呢?

 

沒錯,答案只有一個,你猜對了嗎?就是主動式的雷達衛星影像!

合成孔徑雷達:用人腦來克服物理限制

前面已經講述過主動式雷達衛星作為太空透視眼的天賦所在,那麼,「合成孔徑雷達」指的又是什麼呢?照字面解釋的話,就是要把孔徑合成在一起,為什麼要這樣做呢?
其實這個技術的出現,是為了要解決舊時「真實孔徑」雷達衛星遭遇到的一大難題:如果要提高影像的地面解析度,其天線的長度將會需要等比放大。舉例來說,如果衛星的高度在離地表800公里的高空,使用的雷達波波長是5公分,若想將地面解析度從10公里提高到10公尺,所需的天線長度將會從5公尺放大到5公里!試問這個世界上哪有可能存在5公里長的衛星天線?

這樣難以克服的物理限制,卻難不倒科學家們聰明的頭腦。他們發現,要同時提高解析度卻又維持天線長度在合理範圍,就只能仰賴數個分布在不同位置的「真實孔徑」天線來組成天線陣列,以訊號處理方法來模擬出一個足夠長度的「合成孔徑」。以歐洲太空總署於2014年發射的「哨兵一號」合成孔徑雷達衛星為例,雖然它只有一個長度在10公尺左右的天線,但因為它在太空中就是不斷地在軌道上移動,沿軌道上幾個相鄰的天線位置便可被用來形成自身的天線陣列,以實現「合成孔徑」的技術,而達到約15公尺左右的地面解析度!此解析度對救災來說是相當理想的大小(太高的解析度會增加訊號處理的時間與成本,太低的解析度則無法提供足夠的細節),也因此「哨兵一號」衛星乃是目前全世界用來進行救災應用的主力衛星之一。

 

救災實例一:地震後的房屋損壞

接下來就先來看看合成孔徑雷達如何應用在地震事件中吧!地震發生之後,大家最關心的事應該不外乎是否有房屋倒塌,以及是否有人受困於房屋之內。因此,對救難人員來說,最要緊的便是將人力物力部屬到最需要的地方,以求在黃金72小時內能夠發揮最大的效益。從這點來說,如果能夠有一個全面性的情報,能夠大範圍地概括受災地區的房屋收損情形,對於指揮調度可說是如虎添翼。衛星影像的常規性攝影 (相較於飛機空拍圖需要臨時的人員與機械調度),便相當適合作為救災的基底情報。如果發生的時間剛好又在晚上,那麼雷達衛星就會成為最關鍵的地面資訊來源。

要辨識房屋倒塌或是受損狀態,靠的是雷達波的「同調性」分析。「同調性」是來自雷達波訊號測量的兩種物理量:雷達波從衛星到地面再回到衛星的傳播時間,以及雷達回波的強度。相較於房屋完整挺立的狀態,當同棟房屋發生嚴重損毀乃至倒塌的時候,雷達波的傳播時間會增加。與之同時,倒塌也會造成雷達回波能量的變化,比方說如果先前的回波能量主要是來自建築物的頂樓或是屋簷,倒塌之後可能就是從躺倒的大樓外牆,甚至是破損的建築物材料來進行反射回波,那麼與先前的能量強度就會有明顯差異(圖一)。雷達波的「同調性」便是一種將傳播時間與回波強度結合起來產生的指標數據,同調性高表示建築物與地震前沒有太大的區別,而同調性降得越低,不管是因為傳播時間改變、回波能量改變或是兩者兼具,就表示建築物的狀態都有顯著的改變。透過震後同調性與震前同調性影像的比較,便可以判斷在哪些地區的房屋受災最嚴重。

(圖一)</br>利用合成孔徑雷達同調性分析2016年美濃地震震後建築物受損之實例(改自Lu et al., 2018)。若房屋於地震中受損甚至全倒,其造成之雷達回波不僅傳播時間增加,其回波能量也會因為建築物的反射面改變而有所不同,而所謂的「同調性」改變指的便是傳播時間與反射能量此二者共同造成的變化。因此只要將災前與災後同調性影像相減,其中變化比較明顯的位置便可代表建築物受損之範圍。

(圖一)利用合成孔徑雷達同調性分析2016年美濃地震震後建築物受損之實例(改自Lu et al., 2018)。若房屋於地震中受損甚至全倒,其造成之雷達回波不僅傳播時間增加,其回波能量也會因為建築物的反射面改變而有所不同,而所謂的「同調性」改變指的便是傳播時間與反射能量此二者共同造成的變化。因此只要將災前與災後同調性影像相減,其中變化比較明顯的位置便可代表建築物受損之範圍。

 

救災實例二:水災時的淹水範圍

另外一個合成孔徑雷達影像在救災上的應用,便是在颱風、颶風、豪雨等災害中能夠快速協助辨識淹水範圍。由於一般水災發生的時期,多半都還是伴隨烏雲甚或豪雨,大部分的光學衛星在這種時候只能用來監測氣象的變化,卻無法被直接應用在地面的災情判讀。因此,雷達波24小時不打烊再加上透視眼的特殊能力,在淹水範圍的判釋上可說是沒有其他種遙測技術可以取代。

要從雷達影像上判斷淹水,主要的依據就是回波的能量強度。這又可以細分為兩種情境:開闊水域與非開闊水域(圖二)。開闊水域指的就是一整片像是湖水一般的淹水範圍,而這水域平滑的表面就會如同一面鏡子一般,將雷達波大部分能量向遠離衛星的方向作前向散射,導致接收器只能收到極為微弱的回波。因此如果以黑白兩色作為影像的色階,黑色代表能量低、白色代表能量高,那麼相較於未淹水的狀態下,開闊的淹水區域就會呈現大片的黑色,非常容易可以在影像中判別出來。

 

(圖二)利用合成孔徑雷達回波強度改變分析2016年美國北卡羅萊納州馬修颶風淹水實例(改自Lin et al., 2019)。當發生淹水事件的時候,如果淹水範圍連續且開闊(第一、二圖中的黃色箭頭),平滑的水面容易成為如同鏡子般的完全反射面,造成大部分的雷達波能量前向散射,而真正能夠回到衛星上被接收器記錄到的回波能量會低於同一地點在乾燥狀態下的能量。不過,如果淹水範圍內有許多的垂直構造物,如水中的植物、被淹水環繞的建築物等,容易造成雷達回波的「二次反射」,亦即在平滑水面上反射一次後,在垂直構造物上反射第二次,此種反射路徑會使大多數的能量返回衛星接收器,在影像上則會出現所謂的「亮點」(第一、三圖中的藍色箭頭),此亮點的回波強度甚至會高於乾燥狀態下的回波強度。因此透過判釋回波強度影像中的能量極低區與極高區,便可以偵測出淹水的範圍。

 

不過在非開闊水域的情境下,淹水區判釋就不是件那麼容易的事情。所謂的非開闊水域指的就是淹水區中有其他垂直結構物矗立其中,比方說建築物或是水中的植物。在這種情況下,很容易發生雷達波先在水面進行一次反射,緊接者在垂直結構物上進行二次反射,最後產生的回波甚至可能會高於非淹水時期的回波能量。這是由於當一次反射是發生在如鏡面般的水面時 (淹水時期) ,會使絕大多數的能量集中到二次反射來形成較強的回波;而如果一次反射是發生在乾燥的地面,由於地表往往會有各式各樣的高低起伏導致四面八方的散射,能夠集中到二次反射的能量會相對比較低。因此,淹水造成的二次反射往往會在雷達影像上形成所謂的「亮點」,這些亮點有時候比開闊水域的淹水還要重要,畢竟被水環繞的建築物可能代表受困民眾,在救災上應有更高的優先順序。

 

風雨夜無阻的千里透視眼

地球觀測衛星雖然做不成「老大哥」的鷹眼,卻可以是風雨夜都無阻的千里透視眼。對於一年到頭各種天災輪番上陣的台灣來說,掌握各種遙測技術,尤其是雷達衛星技術,就等於掌握災害時期的地面情資;掌握地面情資,就可能代表更多寶貴的生命得以獲救。在接下來的2-3年內,歐美甚至是亞洲各國會陸續發射更多雷達衛星,相信屆時對於即時災情的掌握將會比現在更快、更精準,並且能夠拯救更多人命!

 

參考文獻:

  • Lin, N. Y., S.-H. Yun, A. Bhardwaj, and M. E. Hill (2019), Urban Flood Detection with Sentinel-1 Multi-Temporal Synthetic Aperture Radar (SAR) Observations in a Bayesian Framework: A Case Study for Hurricane Matthew, Remote Sensing, 11(15), doi:10.3390/rs11151778.
  •  Lu, C.-H., C.-F. Ni, C.-P. Chang, J.-Y. Yen, and Y. R. Chuang (2018), Coherence Difference Analysis of Sentinel-1 SAR Interferogram to Identify Earthquake-Induced Disasters in Urban Areas, Remote Sensing, 10(8), doi:10.3390/rs10081318.