電磁波知多少:現代千里眼

 
2014/11/05 吳美枝 | 特約文字編輯     4,240
 
談到電磁波的應用,最先受到關注的就是通訊產業。然而,除了這種普遍存在於日常生活中的電子產品,遠在我們頭頂上、看不見的距離外,人造衛星所搭載的遙測儀器,也大量運用電磁波的特性,關注著地球。
 
特殊的視角,遙遠地觀測
 
中央大學太空及遙測研究中心林唐煌副教授表示,「遙測」(remote sensing)一詞首見於1960年代的美國,但在概念上,其實早已融入人們日常生活中。遙測基本上是不經直接接觸,就能探知目標物某些物理特徵的科學。就此定義而言,人的視覺與聽覺,其實都可以算是與生俱來的遙測技術。亦即我們的雙眼與雙耳,都是一種感測器,能不斷地接收某些距離之外的訊號,藉以做出判斷。

人造衛星的出現始於1957年10月,是前蘇聯所發射的「史潑尼克1號」(俄文為旅伴之意)。其實早在1947年,因氣象觀測需求,人們已藉由掛載於V2高空火箭上的照相機,從160公里的高空拍攝到地表的雲系照片,進而領略在遠離地表的高空,以全然不同的視角,回頭觀看地球的獨特性與重要性。
 
1958年,美國發射「探索者1號」後,美蘇兩大強權開始拓展太空的衛星競賽。其後人造衛星發射技術的不斷進步,搭載於上的遙測儀器也隨之不斷地研發精進。而藉由衛星遙測所獲得的獨特資料,也逐漸應用在各種科學研究領域之中,成為這場軍備競賽之外的另一個亮點。
 
可見光與紅外線 
 
遙測技術是電磁波輻射的一種應用,經由接收目標物發射或反射某些特定頻段電磁波的強弱特性,透過分析,演算出目標物的物理特性。電磁波的波譜十分寬廣,不同波長即代表著不同頻段/能量的電磁波。現今遙測儀器最常利用的即是可見光、紅外線與微波這3種波段的電磁波。透過這3種電磁波與大氣、海洋、地表間能量交互作用的特性,即可推算出地表以上目標物體的一些資訊。
       
可見光是最常被資源遙測利用的波段,這是利用大部分物體表面對於可見光波段(波長400~700nm)都具有獨特的反射特性,亦即大部分的物體,對於可見光波段都有不同的反射率。例如,蘋果是紅色,乃因為蘋果表面接受可見光照射後,紅光的反射率遠高於其他光線,最後進入到我們眼中的紅光最多,我們便看到紅顏色的蘋果。同理,樹葉是綠色的,就是因為綠色的葉子對於綠光有最強的反射率。利用此點,我們即可透過地表上各種物體對於可見光的反射特性,進行地物辨識。此外,因可見光波段具較強的輻射強度(波長短),可提供細緻的地面影像,非常適合土地利用和地表覆蓋物等資源的偵測。但由於可見光的來源是太陽,故此波段的缺點即是在夜間無法提供訊息。
       
對於可見光波段在晚間無法使用的缺點,科學家發現可利用具發射特性的紅外線波段來輔助。在普朗克(Max Planck)黑體輻射實驗後,我們了解到,只要物體表面溫度是在絕對0度(-273.5℃)以上,就會自然輻射出能量。如此,我們就可以依物體表面散發出電磁波最強波長的頻帶(地球系統通常位於紅外線波段),來反推出其表面溫度。這種利用物體表面因溫度而自然發射特定波長電磁波的特性,即是紅外線遙測的基本原理。因此,即使在夜間無法利用可見光進行辨識,但仍可利用紅外波段所測量各種物體表面的輻射溫差來進行判別。
       
值得一提的是,可見光與紅外線的遙測資訊常相互輔佐使用。利用紅外線波段偵測的是表面溫度,如果搭配可見光的資訊來判斷,更可以精準地辨別出物體。例如,由高空中俯瞰地表的雲團,高層的某些雲與地表的雲,有很多時候是呈現相同的色調(明暗),只靠可見光所觀測反射強弱資料是無法區分的,如果輔以紅外線遙測資料,就可以因雲高所造成的溫度差,立刻顯示出二者差異,如此相互輔佐,我們就可以做出更精確的判斷。
 
更具主動性的微波 
 
使用電磁波中可見光與紅外線波段的遙測原理,都是靠著接收目標物表面反射與發射某些電磁波訊號,再進行計算、反演與解讀。這樣被動的接收形式,並無時間序列的參數,主要是提供總量的訊息,也許無法滿足部分觀測之需求,例如目標物距離之偵測,是有所限制的。
 
科學家為了突破這個限制,特別又挑選了微波頻段來運用。在電磁波頻譜上,微波頻段的波長比紅外線還長一些,所負載的能量也就少一點。這樣的條件可以讓遙測儀器有供應足夠電力的能力,針對目標地區主動發射電磁波,再接收迴反的訊號,我們所熟知的雷達就是屬於這類工作形態。這種帶有主動性的遙測方式,由於可以掌握電磁波訊號發出與接收回波的時間與強度,故可以利用數學與物理的某些公式,反推出目標物的距離、高度、地區的高程及其隨時間的變化情形,例如海平面高度、地層抬升或下陷的變動……等。
 
微波頻段如此方便,但在使用上也有伴隨而來的缺點。由於一般物體表面也可以發射出些微的微波訊號,所以實際上會面臨同時接收到參雜著發射與反射兩種訊號的複雜情況。再者,微波相對於可見光與紅外線,能量較弱。這些因素累加起來,要辨別出雜訊與有用的訊號,是需要相當的學理、技術。
 
從氣象一路延伸開來 
 
一開始,衛星搭載的遙測儀器,空間解析度並不很高,種類也不多,但對當時觀測重點是氣象資料來說,已足夠。由於遠距觀測的特性,衛星遙測可以一次取得地表上極大範圍的真實資料,這對於地面氣象資料的補充,提供十分重要的助益,尤其是高山與海洋這類資料極度缺乏的地區。
 
隨著技術的進步,遙測儀器的解析度和種類與日劇增,在應用上也出現多樣化。除了具有極高解析度的軍事用途之外,最重要的就是在地表資源監測與環境災害監測這兩方面。
 
1972年,美國發射第1顆地球資源衛星(Landsat-1),人類開始可以對地表進行大範圍、即時的資源監測與調查。舉例來說,對於森林的保育與監控,過去只能倚靠人力調查與巡邏,但是有了資源衛星上的遙測儀器輔助,我們不但可以藉由參考、比對多種遙測資料,包含可見光、紅外線……等,來做樹種的判定與生長情況的監控,並且在生長的面積、位置與樹木總量方面也可以精確掌握。同樣地,對於湖泊面積、河川水量變化與改道,甚至海岸線變化,我們也都能透過各種遙測資料的運用,做最精細的周期性監控。
 
另一方面,當有重大天災發生時,衛星遙測也能提供最立即、精確的地表資訊。舉例來說,當地震、豪雨、土石流發生時,地表的樣貌已發生巨大的改變,從現場通常很難再做出精準的判斷。這時,利用災害發生前、後的衛星遙測影像,即可做出客觀、精準的差異比較,迅速掌握災害影響的範圍。同時,由於能較精確掌握災害影響的範圍與程度,對於搜救範圍、損害評估、重建依據……等,都能提供更多可靠的資料。
 
利用電磁波中的某些頻段來作為遙測技術應用的科學,至今已發展了半個世紀,在衛星上搭載這種遙測儀器進行觀測,確實為我們提供了很多寶貴的資料。但是遙測的運用,尚不僅於此,機場、車站常見的體溫感測儀即是另一個例子。可以預見的,未來遙測技術的應用將更直接、全面地碰觸我們的生活,尤其是在整個地球環境變遷上的偵測。