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太空科技合作新視角!臺灣與歐洲各國攜手提升太空新戰力

111/04/29 瀏覽次數 1245
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(圖一影像來源:shutterstock)

長期以來談到太空相關科技與應用的國際合作,多數人首先想到的可能是美國的航空太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA),但事實上,歐盟以及會員國的相關太空機構在太空科技發展與應用上也有許多進展。

歐洲太空總署與臺灣雙方合作,成就衛星拍攝多方應用

歐洲太空總署(European Space Agency, ESA; Agence spatiale européenne, ASE; Europäische Weltraumorganisation)是歐盟的跨政府組織,其任務與活動涵蓋各面向的太空探索、科學研究、科技發展與應用,以及國際合作。ESA 在中美洲法屬蓋亞納(French Guiana)的庫魯(Kourou)運營一個太空發射場,以雅利安(Ariane)、聯盟(Soyuz)、和 Vega 等不同運載火箭,提供衛星等太空籌載的發射服務。

除了太空探索和科學研究外,ESA 有多項在國際間廣受歡迎的應用及服務,包括伽利略(Galileo),以及哥白尼(Copernicus)兩大系統:前者如大眾所知的 GPS,提供衛星定位及導航(Satellite Positioning and Navigation)服務;後者則是一個開放資料的 Open Access Hub,提供歐盟哨兵(Sentinel)系列地球觀測衛星的開放資料(Open Data)服務,包括光學及雷達衛星影像以及其他產品。

而哨兵系列的 Sentinel-1 及 Sentinel-2 衛星,分別以合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)和光學感測器,定期拍攝地球表面。這些長期觀測的衛星影像資料除了有助於環境、資源及災害調查評估等分析外,還可適用於不同主題的研究與應用,尤其是中、大尺度的環境相關議題。

例如先前科技部 GASE Taiwan 報導「多元遙測災害調查評估與分析」中所述,利用多年期 Sentinel-1 雷達衛星影像的永久散射體干涉分析(Persistent Scatterer Interferometric SAR, PSInSAR)進行全臺地表變形監測,以及 2018 年 2 月花蓮地震後,透過雙方合作,協調 ESA 緊急調度 Sentinel 衛星拍攝,以利評估地震所造成的地表變位情形;或者是如圖一 所示,整合分析多年期的 Sentinel-2 光學衛星影像以及其他衛星資料,以瞭解臺灣地區過去數十年來潮位線的變化情形。
 

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圖二: 整合多年期 Sentinel-2 衛星影像及其他資料分析臺灣地區潮位線變化成果(影像來源:國立中央大學太空及遙測研究中心曾國欣教授)

國際太空部門協同發展太空科技願景

除了 ESA 外,歐盟會員國相關的航空與太空部門與機構也是先進太空科技發展與應用的要角,尤其是法國的國家太空中心(Centre national d'études spatiales, CNES)以及德國航太中心(Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt, DLR)。法國的 CNES 也是多面向進行太空科技發展,包括載具(火箭)及衛星的研發。

CNES 最為人所熟知的就是 SPOT 及 Pléiades 系列遙感探測衛星。SPOT 衛星是第一顆可傾斜觀測的民用遙測衛星。固定垂直向下觀測的衛星僅能在衛星通過目標區正上方時才能拍攝影像,因此需要較長的天數才能重複觀測同一個地方。具傾斜觀測能力的衛星則可以調整衛星姿態或鏡頭,不需要在正上方即可拍攝目標區的影像,因此可以提高時間的解析力(再訪率);此外,還可以使用不同的角度拍攝同一目標,進行立體測繪,建置目標區的 3D 數值地表模型(Digital Surface Model)。

CNES 規劃中的下一代 CO3D 衛星,更是直接以星系的方式進行三維立體測繪為主要任務設計。而 Pléiades 則是解析力 50cm 的超高解析衛星(最新的 Pléiade NEO 衛星解析利更達30cm) ,可以觀測到非常細緻的地表資訊以協助複雜的研究與應用,例如圖二 所示即是利用 Pléiades 衛星由幾百公里高空監測家禽飼養狀況,以提供禽流感防治相關分析與決策的支援。
 

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圖三: 比對航空照片(左)及超高解析 Pléiades 衛星影像(右)監測家禽飼養情況協助禽流感防治支援應用

臺灣遙測衛星發展助國內將災害調查與監測分析最大化應用

國立中央大學太空及遙測研究中心自 1993 年起即接收 SPOT 系列衛星影像,2018 年並與負責衛星運營的空中巴士國防及太空集團(AIRBUS Defence and Space, AIRBUS DS)諦約,成為 SPOT 和 Pléiades 的直接接收站(Direct Receiving Station, DRS),以及同為 AIRBUS DS 運營的 TerraSAR-X/TanDEM-X 雷達衛星的虛擬接收站。

透過與這些歐洲太空科技機構與組織的合作,提供國內學研官產各界多元的遙測衛星資料與加值產品,支援相關的學術研究與應用。例如,在科技部的支持下,將所有臺灣地區 SPOT 衛星影像開放給科技部研究計畫無償使用,並且提供自 1996 年起每年一幅 SPOT 衛星的無雲鑲嵌影像(Mosaic)的網路圖磚(Web Map Tile  Service, WMTS)介接服務(圖三) ,供臺灣地區非營利使用者免費使用。
 

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圖四: 臺灣地區多年期 SPOT 無雲鑲嵌影像網路圖磚介接服務

而德國 DLR 的 TerraSAR-X/TanDEM-X 合成孔徑雷達衛星則可提供最高達 25cm 解析力的  X-band 雷達影像,搭配前述 ESA Sentinel-1 的 C-band 雷達影像以及其他雷達衛星,可以進行多元的監測與分析。例如,圖四 所示是利用超高解析的 TerraSAR-X 雷達影像針對鐵公路橋樑等基礎設施變形以及重要工業區地表沉陷的監測案例。而雷達衛星是主動式遙測(白天夜晚皆能拍攝),且較不受天候影響(可穿透雲層)的特性,也有助於災害調查與監測等分析與應用。

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圖五: 超高解析 TerraSAR-X 雷達差分干涉監測橋樑變形(左)及工業區地表下陷(右)

國際學術技術多元交流成為衛星遙測發展關鍵

太空科技與產業的發展日新月異,透過與國際間相關機構與組織的合作,除了學術與技術交流外,也可以確保更多元的資料來源管道,提供各界更全面的影像及服務。與 ESA、CNES、DLR 以及 AIRBUS DS 等單位的合作,不論是在多元衛星遙測資料的供應、太空及遙測技術發展交流、以及相關應用的合作與推廣等都有良好的成果。以此為基礎,未來可拓展及深化彼此太空科技合作,例如對於新世代衛星的發展與應用,並進一步參與相關的國際合作。

資料來源
  • Lai, J-S, S-H Chiang and F. Tsai*, 2019. "Exploring Influence of Sampling Strategies on Event-based Landslide Susceptibility Modeling", ISPRS International Journal of Geo-Information, 8:9, 397, 23 pp. doi:10.3390/ijgi8090397 (SCI)
  • Lai, J-S and F. Tsai*, 2019. "Improving GIS-Based Landslide Susceptibility Assessments with Multi-temporal Remote Sensing and Machine Learning", Sensors, 19:17, 3717, 25 pp. doi:10.3390/s19173717. (SCI)
     
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