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地圖與地景:地景動態變遷與衛星監測

98/07/06 瀏覽次數 31591
自然與人文交織的場景

地景(landscape)這個詞,直覺上令人想到的就是眼睛所見的景致,尤其認為應該會有青山、綠水的美景,也就是一般所說的風景。

臺灣素以「福爾摩沙」的美名傳揚國際,處處可見珍貴稀奇的自然地景,如位於北海岸野柳的女王頭、東海岸的清水斷崖、峽谷高聳的太魯閣、遍布珊瑚礁海岸的墾丁。此外,文化歷史也芬芳悠然,有臺南府城、淡水紅毛城等人文地景,又有追溯上萬年的史前文化,如長濱文化、十三行遺址等,發展橫跨舊石器時代、新石器時代與鐵器時代,使台灣成為一個交織著自然與人文景觀的美麗島嶼。

但從「地景生態學」的觀點又該如何解釋「地景」呢?地景生態學早期發展於歐洲,與土地利用規畫、人文地理、人類生態等研究有密切的關係。在歐洲,主要以土地的分類來區分生態系統,並習慣於把地表區分成一個個的生態系統。由於長久以來居住在歐洲大陸的人持續利用與開墾土地,原始地貌已經很少見了。

在 1980 年代以後,美國的學者逐漸引入新的議題,並以空間格局、生態過程與空間尺度的相互關係做為地景生態學新的發展主軸。從系統論的觀點來看,「地景」可視為一複雜系統,其組成包括「生態系統」。「生態系統」在空間上的分布構成了地景結構,連接著生態系統之間的關係就是地景功能。因此,地景可說是由地景結構與地景功能所構成的一個概念。

欲從抽象的概念去連結真實世界的地景,可能十分困難。但若從我們生活的臺灣經驗來看呢?臺灣的地表覆蓋著 6 種主要類型的生態系統,分別是闊葉林、混合林、針葉林、稻作、旱作與都市生態系統。因此,若把地景想像成是臺灣,地景結構正是由這 6 種生態系統類型交織成的臺灣地表。至於地景功能,則可想像成是穿梭在美麗福爾摩沙地表的河流、川流不息的車輛、撫吻著大地的清風等。

地景結構

地景結構要如何描述呢?地景生態學發展出一套特別的語彙:「斑塊」(patch)、「廊道」(corridor)、「邊緣」(edge)、「邊界」(boundary)、「基質」(matrix)等。本文不一一介紹這些名詞,單舉「邊界」為例,說明在地景生態學裡是如何定義的。

在地景的尺度上,邊界通常是個多變的地帶,描述著不同系統之間物質、能量、物種或資訊流動的變化,例如集水區的邊緣是從田野到森林的交界地區。一般而言,生態系統的邊界是不固定的,不明確的,或是模糊的。但不同的生物與生態系統的邊界卻不可一概而論。以人類來說,個體有固定的外表,即使稍微會改變大小、長短,但變化也不大,因此外表的邊界是清晰的。

探討地景功能的一般特性時,包含了在生態系統和生態系統之間能量、物質或資訊的流動與交互作用為何,也包括能量、物質、物種或資訊在任何時間裡的變遷過程,因為功能與自然過程會隨著時間的變化進行調整與動態變動。舉例來說,景觀功能在生態面向上包含如水平衡、生態系統能量平衡、物質流動與平衡、群落變動等概念。

衛星遙測

遙感探測是很有用的工具,不用接觸物體就可取得物體的相關資訊以提供分析。這可實現從區域整體進行某物件特性的描述、觀察、量化與分析,並取得具有時序性變化的空間資料。近年來,衛星遙測已成為遙感探測的主要手段,是許多國家進行國土監測資訊蒐集與管理的最佳方式。

目前在臺灣與土地覆蓋、利用相關的研究領域,如地理、地質、動物、植物、生態、環境等,常缺乏最新的地表資訊。若要取得新資料,得從農林航空測量所拍攝的航空照片,或華衛二號等拍攝的衛星影像進行判釋。

航空照片的優點在於空間解析度高,可清楚辨認地物,但若缺少有經驗的判釋者時,判釋工作便不易完成。而且航空照片只能用來進行土地覆蓋∕利用判釋,無法像衛星影像能以輻射光譜推算地物的特性,例如分析建地與植被的差異。

航空照片也不若衛星影像可以在短時間內更新影像,因為航空攝影需安排照片拍攝專用飛機的航次,且需考量天候狀況。衛星則以固定軌道繞行地球,無論天候狀況好壞,都能取得影像。即使天候狀況不佳,地表被大量雲朵遮蔽,不利影像分析,仍能定期取得影像。一旦天候好轉,就可快速更新高品質的地表資訊。因此,衛星遙測可說是監測地景動態變遷的最佳工具。

目前,國際上有許多重要的衛星在進行全球性的影像收集。例如 TERRA 與 AQUA 衛星上搭載的中解析度成像光譜儀(moderate resolution imaging spectro-radiometer, MODIS),就是目前功能最齊備的感測器,可蒐集大氣、海洋、陸地等的光譜資訊,有助於長期觀測和研究地球系統的環境變遷。

TERRA 與 AQUA 衛星是由美國航太總署(NASA)發射,提供地球表面變化的整體觀測資料,主要目的在於從太空觀測取得海洋、陸地、冰雪圈的相關資訊,以利分析土地利用和土地覆蓋,並研究氣候在季節與年間的變化、自然災害監測、長期氣候變化、大氣臭氧層變化等。

TERRA 與 AQUA 衛星又與地球觀測系統計畫有關。在 1989 年,美國與一些國家共同發起「行星地球計畫」,展開一系列以遙測方式觀測地球系統變動的研究,其中包括建立地球觀測系統(earth observation system, EOS)。EOS 的目標在於:「建立針對地球的整合性空間觀測系統,研究地球系統的各次系統,如陸地、海洋與大氣,及相關自然運作過程。期待能建立整套的資訊系統,並持續蒐集至少 10 年以上各種完整的環境資料。」

最佳敲門磚

MODIS 具有 36 個光譜通道,分布在電磁波譜範圍 0.4 ~ 14 微米內,多波段資料可以同時提供陸地、雲邊界、雲特性、海洋水色、浮游植物、生物地理、化學,大氣中水汽、地表溫度、雲頂溫度、大氣溫度、臭氧、雲頂高度等資訊,適用於對地表、生物圈、固態地球、大氣和海洋進行長期的全球觀測。

MODIS 空間解析度很高,且每日或每兩日可獲取一次全球觀測資料。此外,MODIS 日夜都可提供影像資料,在軌道的白天時段,所有波段都能取得影像資料;在軌道的夜間時段,則只有熱紅外波段的影像資料。

為了建立資料處理模式和演算法,並指導 MODIS 資料的科學討論和應用,EOS 計畫籌組了 MODIS 資料處理和應用的國際研究團隊。這個團隊會把重要的新訊息與各種常態性說明放置在網頁上,也供下載各個科學團隊的相關技術文件,有助於快速了解 MODIS 各項研究的進展與成果。這入口網站請見 http://modis.gsfc.nasa.gov/。

MODIS 取得的影像資料可在下述幾個研究領域發揮重要的作用:地表覆蓋變化和全球生產力–包括區域性地表覆蓋變化的趨勢和模式、作物種類,以及全球初級生產力;自然災害監測–包括洪澇、乾旱、森林草原火災、雪災等;短期氣候預測–季、年的氣候預測,方便改進對短期氣候異常發生時間、地點的預報;長期氣候變化研究–幫助科學家識別長期氣候變化及其趨勢的機制和因素,包括人類影響;大氣臭氧監測–幫助科學家監測大氣臭氧的變化,分析變化產生的原因及對地球系統的影響。

從資源的角度來思考,MODIS 也可以應用於:土地資源(土地利用現狀和土地覆蓋類型,精確到畝);水資源(山區積雪、地表和淺層地下水、土壤含水量、大氣水汽、雲中液態水、降水等);生物資源(植被、森林、草場、農作物和分類狀況、植物分類狀況、裸露地和沙漠化狀況)及其旬/月/季/年變化的監測;氣候狀況(日照、地表溫度/濕度、大氣溫度/濕度等)。

地景動態變遷

各種不同的自然與人文因子共同作用在地表時,最終會以地景的整體特性呈現,因此確實掌握地景的變化有其重要性。衛星遙測影像的優勢在於可即時取得地表現況,提供人類進行相關研究或政府做重大環境決策時的考量依據。

在國外,利用遙測影像進行整體性動態監測已經非常普遍。在臺灣,目前可用華衛二號進行遙測,但因先前受限於缺乏屬於臺灣的資源監測衛星,因此過往的研究大多採用 SPOT 衛星或 Landsat 系列衛星拍攝的影像,地面永久樣區定期監測的配合也非常缺乏。

臺灣的土地覆蓋主要由「森林」、「旱作」、「稻田」、「都市」等生態系統構成,其中以「森林」生態系統為最主要的類型。因此,針對森林生態系統的探討應該更加注重與深入。其次,以面積來看,「旱作」與「稻田」也占了非常重要的比率。

國內以往的相關研究,對於地景在時間序列上的觀察較少,原因在於缺乏能快速取得且覆蓋全區的衛星影像資料。MODIS 影像可使政府或研究者從整體上來觀察臺灣在時間序列上的變動特性,是個很重要的突破與改變。

目前,使用 MODIS 影像因缺乏地面樣區調查的配合,因此在生態研究的應用面向上,仍有許多的限制。未來若能配合地面樣區的調查資料,將能更進一步使衛星影像與環境生態研究緊密結合。例如地面樣區調查與從衛星光譜資訊演算而得的植被指數結合,植被指數可用來估計跟植被相關的變數,例如綠覆蓋面積、葉面積指數、被吸收做為光合作用的輻射量、蒸發散等。

由於地景具有動態變化的特性,若能透過整體性的觀察,且以時間序列進行同一地點不同時間點的監測,將能提供重要的環境生態資訊。因此以衛星遙測影像監測,是未來環境研究上不可缺少的重要方式。
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