21世紀的千里眼–遙測科技
97/02/04
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吳究｜
中央大學太空及遙測研究中心（演講人）
張志玲｜
《科學發展》特約文字編輯（文字整理）
離地表約800公里的高空上，每天有許多遙測（remote sensing）衛星飛過，不斷地把訊息傳回地球。幾年前轟動一時的高爾夫球場越界開墾弊案，就是在遙測資料中發現的；臺灣海域遭受嚴重污染事件，也是經由遙測衛星數據得到證據。遙測科技令地面活動無所遁形，地表上的自然環境、居住情況、交通設施，以及人類活動遺留的痕跡，在衛星影像中看得一清二楚。遙測協助我們改善家園，也可以指揮巡弋飛彈摧毀設施，究竟它是如何辦到的。
眼睛是最基本的遙測儀器
遙測是對目標物進行遠距離測量，因此要有一個遙測儀器做為訊息傳遞的工具，眼睛其實就是一個遙測儀器。遙測可以在陸上、海上、空中進行，因此遙測載台可以是衛星、飛機、船舶或汽車，可是衛星、飛機的速度非常快，在高空攝影時要如何得到清晰影像呢？克服這個問題的方法有兩種，一是縮短曝光時間，一是做「前移補償」。所謂前移補償，就是在拍攝的一瞬間，令攝影鏡頭朝前進中的反方向做逆向移動，在那一瞬間，被拍攝目標看起來是靜止的。
遙測有主動遙測與被動遙測二類。如果遙測儀器能發射電磁波，又能接收目標物的反射，稱為主動遙測，譬如透過雷達系統偵測地表的活動，即是一種主動遙測。如果遙測儀器接收到的能量來自目標物本身放出的電磁波，或是目標物對其他能量來源的反射，稱為被動遙測。在黑夜裡用閃光燈拍照，這時的照相機是主動遙測儀器。如果在白天拍照，因為有日光，不需要閃光燈，所以這時候的照相機是被動遙測儀器。
影像處理是核心活動
傳統的航空攝影測量並未因為衛星遙測的發展而失色，因為兩種測量各具優勢。航空攝影測量利用中央透視原理，能夠拍的「多波段數」只有藍、綠、紅、近紅外光等4種。
衛星遙測具有特別的偵測器，可以拍攝較多的波段數，也能拍高波段的遙測資料。拍攝較多的波段數，表示可以得到較多的資料層數，資料層數多，表示做資料處理時可以分辨更微細的差別，這是衛星遙測的優勢。然而也因為這個特性，使得幾何校正比較不好做，因為拍攝出來的影像空間解析力不如航空攝影測量好，也就是說，航空攝影測量的高空解析力比較好，衛星遙測的高光譜解析力比較好，兩者相輔相成、結合互補，才是雙贏局面。
無論主動或被動，所有經由遙測接收的訊息，一般先處理成影像，然後再從影像中做進一步詮釋、分析，以得到有用的資訊。在做影像處理時，會把光學資料、雷達資料等有用訊息保留下來，並把不重要的訊息剔除。所以說，遙測的核心活動是影像處理，而其主要項目是「輻射校正」與「幾何校正」。
輻射校正與幾何校正
「輻射校正」是剔除資料中的陰霾與陰影。大氣中的懸浮粒子會造成不同程度的陰霾，必須以光波波長、大氣成分等光線傳遞機制，計算出陰霾對照片的影響，然後剔除它，才能得到更清晰的影像。
又因為大部分時間太陽都是斜照的，拍攝到的圖像會有陰影，若要看清全貌，須把影像分成許多灰階（從純白到純黑，分段越多，表示灰階分得越細），再利用「影像增揚」技術把被陰影遮住，使肉眼看不到的部位在電腦上增顯出來。處理順序是把陰影資料做增揚處理後，再把增揚部位與旁邊的影像結合以恢復原來樣貌。這種方法並不完美，但就應用上來說已經足夠了。
「幾何校正」源自航空攝影測量。地表上的物件有高有低，在高空中朝地面拍攝時會產生幾種效應，其中一種與高低有關的效應稱為「高差位移」。譬如高空中拍攝的房子看起來像是倒下的，必須把它扶正，這個扶正手法就是幾何校正。不過在扶正前必須先知道房子有多高，因此要從另一個角度再拍一次，如此一來，同一物件就有兩個「高差位移」影像，然後再以幾何觀察（立體觀察）原理恢復影像高度。這是航空攝影測量的一個成熟技術，透過這種方法獲取的高度誤差只有幾公分。
利用航空攝影，在一個航帶裡以「每次重複拍攝60％區域」的方式拍攝全臺灣地型，再利用幾何觀察原理把地型恢復，就可得到每40公尺一個高度值的地型資料，一般稱這種地型是「40公尺網格數值地型」。
若把陽明山國家公園的40公尺網格資料與從衛星上拍攝到的三維景觀套疊在一起，經過透視演算，就可在電腦上把陽明山國家公園的影像顯現出來，進行上述活動時要做幾何校正。又如要得到環境變遷資料時，須把不同季節、不同時間、不同方位拍攝的資料放在同一個幾何架構裡，才能測知有什麼改變，以及改變後的影響範圍有多大。但在影像資料裡常有些必須恢復的位移現象，因此偵測環境變遷時也要預做幾何校正。
巡弋飛彈命中率極高
當初發展遙測科技的誘因之一是為了軍事用途，現今美國軍事遙測衛星的解析度達10公分，幾乎可以看到地面上的人體動作。增加解析度的方法，是把遙測衛星的軌道換成橢圓形（原本近似正圓形），並讓預定拍攝的目標位在較接近軌道地點的正下方，如此便可拉近拍照距離，提高解析度。
至於巡弋飛彈命中率極高的原因，主要靠兩種系統的同時運作。其一是裝置在飛彈前端的攝影機，當飛彈貼著地面飛行時，攝影機會不斷地拍攝地形地物，並與飛彈內建資料庫裡的「影像導航系統」比對，以確定飛行方向是正確的，這是一種遙測技術。另一個是裝置在飛彈裡的全球衛星定位系統（global positioning system, GPS），可用它來確認飛彈位置的經緯度。因為有這兩種系統檢驗飛行正確度，只要設定目標，命中率就很高。
比較有趣的是，Google Earth把全球的遙測衛星資料放在網站上，遇有機會就把部分地方的影像提升為高解析力的影像。但是這個做法受到許多國家抗議（抗議國如北韓、印度、巴基斯坦等），只要上Google，就能把對方的情況知道得一清二楚。這些抗議目前暫時達成協議，Google Earth同意不把最新資料放上去，一定要隔一段時日以後才做更新，這是遙測科技裡的小插曲。其實不只在軍事上，對於環境變遷、環境監測、農林規劃、搜尋救難、國土利用等，遙測也能提供寶貴的資訊。
蛛絲馬跡全都錄
變遷偵測是遙測的一個主要活動，最典型例子就是透過一系列歷史資料了解整個設施的進展。譬如臺中港的演進，我們有1972年美國拍攝的多光譜衛星資料，以及來自較早期的地球資源遙測衛星的資料。1986年法國SPOT遙測衛星看到的臺中港已有一些建設完成，1995年可以清楚看到整個設施的進展。這是以其他方法無法達到的效果。
臺灣發生921大地震以後，中部地區出現一個非常典型的崩塌，針對921大地震，衛星資料已留下非常完整的記載。之後在天候許可下，衛星又把地震發生區域的景況全部拍攝下來，發現某些崩塌土石把溪水堵住而出現一個大池塘。地震災害外，造成臺北汐止淹水的原因，也可從衛星資料中搜尋到蛛絲馬跡。
1987年中山高速公路興建通往基隆的路段，1994年北二高路線施工也有進展，可能受到交通便利的影響，沿線房地產飛漲，建築物不斷興建，那時候有些什麼進度或衝擊全在衛星資料中保留下來。經過一段時日以後，或許因為設施不足，每遇夏天雨勢很大時汐止就淹水，若想了解發生淹水的原因和當時的工程建設與房舍興建有什麼關聯，衛星中保存的資料是一項很好的、客觀的分析依據。
山崩是環境變遷中的一種，在地面遙測接收站的電腦裡，幾乎可以很自動地偵測到可能山崩的範圍。航照資料涵蓋範圍比較小，但是具有較高的解析度，可先利用人工判釋衛星遙測資料，再與航照資料比對，就能快速掌握山崩資訊，施予及時的防災動作。2004年8月艾利颱風來襲，之前已知有幾個地方已經崩塌，颱風過後從衛星資料中獲悉崩塌數量又增加不少。防災人員應可依據這些資料發布警訊，並協助居民快速遷離。
搜救任務當仁不讓
土石流也是環境變遷中的一種。每遇豪雨，山坡地或山谷中容易發生土石流，那些流速快、泥砂濃度高、沖蝕力強、衝擊力大的土石流，在重力作用下，沿坡面或溝渠，從高處往低處流，造成生命財產的損失。我們可以透過衛星偵測，把可能發生土石流區域的遙測資料放大觀察，或在颱風季節雨勢比較大時，利用衛星偵測把事後狀況記錄下來。又在環境監測方面，可利用雷達影像對台灣附近海域進行油污染監測，或利用雷達影像做淹水監測。最典型的例子是2004年南亞海嘯的入侵範圍可利用福衛二號偵測資料做界定。
在農林規劃方面，遙測可為森林分類做很好的詮釋，譬如以不同顏色把森林的屬性標示出來，這樣的結果可使後續的使用者便利很多。又如栽種果樹時，每棵果樹不能靠得太近否則影響發育，在這方面可結合遙測與「自動影像處理技術」，推算出某一片土地有幾棵果樹，每棵樹冠的涵蓋範圍多大，就可預測水果產量。
不過，以遙測方式量測臺灣地形高低時有一個待解決的「植被」問題。地形高低是國家建設的基本資料，遙測本來可以在這方面發揮功能，可是臺灣四季都有植物，這些植物會把地表形狀遮蓋住，不像歐美國家，四季分明，冬天樹葉落光，能在冬天遙測地形高低。因有這種特殊限制，臺灣在建立「表面形狀資料」時，須先測出各地植物頂端的高度分布。
此外，遙測在救難搜尋方面也有相當大的應用價值。2005年2月瑞太8號砂石船在海域失去聯絡，最後通聯時間在10日晚間19時58分，之後在13日上午10時25分尋獲救生艇。根據最後通聯位置與救生艇尋獲位置，搜救單位預測出砂石船可能位置後，立即通知福衛衛星拍照。衛星在沒有飛到目的地以前會朝前方看，飛到該區時會向下方看，飛過以後再回頭看，如此一來便可產生3個以上的連續航帶影像來協助搜尋，這是救難搜尋上的應用。
同年7月，蘭嶼機場南端漁人碼頭右側發生洩油事件，被天空中的SPOT衛星與福衛二號拍攝到，因此成為很有力的證據。
人類發明的千里眼
若要把過去累積的很多舊資料與遙測資料結合，便會用到「圖像套疊」與「影像鑲嵌」技術。譬如有個五千分之一的道路圖，上面有道路輪廓和水系向量影像資料，把衛星影像資料與向量影像套疊在一起的過程中，會有影像融合的程序。一般說來，全色態資料的解像度（2公尺解析度）比較好，多光譜資料的解像度（8公尺解析度）效果比它差4～5倍，透過融合技術把兩種資料融合在一起，就能把高解析力的特性和多光譜的特性做成一個融合影像，這是目前頗受偏愛的一種資料格式。
影像鑲嵌技術是把來自不同衛星的影像資料鑲嵌在一起。由於每顆衛星的拍照時間不同，因此會有不同的強度反射，表面看來沒什麼特別了不起的差異，其實裡面累積很多在不同天候條件下的衛星影像資料，鑲嵌以後可令影像資料更真實。
「不經過直接接觸，透過電波資訊傳遞取得資料」的操作模式，稱為遙測。在不同年分的遙測照片中可以看到社會的發展情形。透過遙測照片做農林規劃，可提高國土的有效利用。遇到救難搜尋時，遙測可提供協助。油輪污染、土石流傾瀉、洪水危害，乃至大海嘯來襲的淹水範圍，都可經由遙測資料得到許多資訊。有人把遙測定位為科學領域，也有人認為它是一種技術，若說它是21世紀人類發明的千里眼應該是很貼切的比喻。
