21世紀的千里眼–遙測科技
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,幾乎無所遁形。
 
 
 
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。
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