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無處不在的空間資訊:遙測衛星–國土監測好幫手

以人造衛星觀察地球,可使我們更加認識自己的家園、土地。當看到它美麗的一面時,會讓我們更加珍惜,而看到環境被破壞的一面時,我們必須深刻反省與及時改進。
 
 
 
由於人造衛星科技的成熟,我們可利用衛星高度上的特殊性,採俯視方式進行宏觀的地面觀察。其綜觀攬要的特性,以及不受地形阻隔的長處,使得拍攝的影像能提供豐富的資訊,有助於政府決策上的參考、學術界的研究、產業界的應用及社會大眾對家園的了解。

衛星的種類

自一九五七年蘇聯的「史潑尼克一號」(Sputnik 1)升空以來,有數以千計的衛星被送上太空。衛星以其特有的空間位置,可以達成許多在地面上無法進行的任務,因為它飛得很高,所以遮蔽少,不論在通訊、氣象以及地球觀察上均極為有利。衛星依其不同的應用,大致可分成通訊衛星、氣象衛星、定位及導航衛星、科學衛星和遙測衛星等五類。

通訊衛星是一個高空的轉接站,它可以提供電話、電視、數據資料傳輸的轉接。傳統上它採用地球同步軌道,即在赤道面上且高度約三萬六千公里,其運行與地球自轉同步,因此它相對於地表上的任一點是「靜止的」。由於它停留在離地甚遠的高空,所以在電波傳遞及轉接時,受到地形阻隔的影響可以降至最低,可充分發揮其通訊的功能。

氣象衛星可以探測大氣層中重要的氣象參數,例如溫度、水氣含量、氣體成分,使我們對於氣象變化能掌握先機。我們每天在氣象報告中看到的衛星雲圖,就是由氣象衛星觀測得來的,要分析進而預測天氣的變化,須考慮到範圍大及變化快這兩個氣象特性,所以氣象衛星須能提供大範圍且密集的資料,一般可採地球同步軌道或繞極軌道,探測範圍在二千公里至萬餘公里。

定位及導航衛星的目的,在於提供地面點或航行器的瞬間位置,目前以美國的全球定位系統(GPS)為主。該系統共有二十餘顆衛星,以約二萬公里的航行高度均勻分布在地球上空,各衛星每十二小時繞地球一圈,在地面或其他航行器上使用接收器,就可接收到它持續提供的定位訊號,據而計算出接收器的正確位置。除過去的軍事、航空、船舶等特殊導航用途外,如今在一般生活中,它已被用於新一代的車輛上提供導航之用,而且走入人們日常生活的腳步愈來愈快。

科學衛星主要功能在於地球觀察、太空環境監測、行星研究探測及天文探測。已發射的人造衛星中,屬科學衛星的數量最多,各國發展太空科技計畫大多由此著手,我國的「中華衛星一號(ROCSAT-1)」即屬這一類。

遙測衛星的功能在於地形與地物的探測。除民用外,軍事偵察衛星亦屬此類,通常軍事偵察需較高的解析力,故其觀察的範圍較民用者小,本文將以民用的遙測衛星為主要介紹對象。

遙測衛星

遙測衛星以甚高的航行軌道俯視觀測地表,可以避開地形地物的阻隔及遮蔽,是地表探測的利器。我國即將於民國九十二年底發射的「中華衛星二號(ROCSAT-2)」(簡稱華衛二號)就是屬於遙測衛星。它探測的對象包括地形地物、天災情況、污染狀態、森林植被、生態環境、聚落變化,以及各種礦產、海洋資源的情況,故亦稱作資源衛星。資源衛星所提供的資料具迅速有效的特性,故有「大地監護人」的美譽。

資源衛星的軌道高度一般約在450公里至900公里之間,屬「太陽同步軌道」。此軌道的特性是衛星軌道平面與太陽維持固定的角度,地球則在此一軌道圈內自轉,此種關係導致衛星每次通過同一地理緯度上空的「地方時」(local time)保持不變,就臺灣附近而言,其航行方向約與「臺北市-鵝鑾鼻」平行。為降低雲層對觀測所造成的影響,一般採用光學探測器的衛星會選擇上午通過觀測區,這種衛星的設計壽命約為五年。

遙測衛星的探測器有兩類,即主動式與被動式。主動式系統運作時,須發射探測波並接收由目標物反射的反射波,典型的主動式探測器為影像雷達。一般的衛星影像雷達擁有三公分至三十公分的探測波長,具有穿透雲雨的能力,且可夜間觀測,是一種全天候的探測器,然而在影像識別方面,需要較多的專業訓練及相關資料的配合,普及性不足。目前運轉中的雷達衛星,有加拿大的雷達衛星(RADARSAT)及歐洲太空總署的地球資源衛星(ERS)。

被動式的衛星遙測系統以光學式為主,運作時不發射探測波,而是感測來自於物體反射的太陽能或是地表物所輻射的熱能。就觀測地表的遙測衛星的光學系統而言,其可以感測的波長涵蓋可見光與反射紅外線(波長0.4~2.5微米)及熱紅外線(波長8~14微米),前者所探測的是陽光的反射能,而熱紅外探測器所偵測的是物體的溫度。光學探測器的波長較短,無法穿透雲層,在探測地表時,受天氣影響甚巨。

華衛二號衛星預計於二○○三年底發射,是國內首顆遙測衛星。因它具有二公尺的解析度,故可「看」得很仔細。華衛二號每天都會通過臺灣上空,所以可以提供有效的地表影像。它的探測器屬光學式,故亦受天候的影響。

衛星影像的應用

民國八十三年行政院國家科學委員會補助國立中央大學太空及遙測研究中心,設置了資源衛星接收站,在此之前由於資料來源不穩,且電腦及影像處理系統昂貴,衛星影像僅限於學術研究及特殊案例的應用。但自資源衛星接收站設立後,國內衛星遙測邁入新的紀元,因資料庫的建立日趨完整,且個人電腦級的影像處理系統及地理資訊系統益形普及,影像資料的使用已自學術研究擴增為實務上的應用。以下將以土地變遷偵測、環境監測、災害調查及教育等四個方面,舉例說明衛星影像在國內的應用。

土地利用的改變足以影響人類生活的品質,它可能是建設的一部分,也可能是一種破壞,由於土地利用的變遷與吾人生活息息相關,隨時監測它的改變就顯得格外重要。遙測衛星的宏觀特性加上重複取樣的能力,使得我們能夠使用其影像資料進行土地變遷的偵測。以臺中港為例,於一九七二年時的美國大地衛星影像上看不出人工的建設,但是在一九八六及一九九五年的法國史波特衛星影像上,就明確地顯示了建設的過程。在國家重大的建設過程中,這種例子不勝枚舉,時光無法倒流,歷史性的資料更顯珍貴。

違規的土地開發造成環境的破壞是臺灣地區普遍的現象,因此,以有效的工具進行監測是刻不容緩的事情,衛星的綜觀攬要特性可有效達成任務。以高爾夫球場的開發為例,核定開發的範圍與實際開發區域是否吻合,是否有過度開挖之嫌,從衛星照片上判讀,即可一目了然。目前農委會水土保持局已應用此種技術於山坡地違規查報的工作上。

對於小範圍的災區進行詳細調查,可採現場勘災的方式進行,但就大範圍的災區而言,現場勘災受到地形地物阻隔以致觀察面無法完整,此外,受交通路線的限制,亦使現場勘災無法深入。由於衛星影像具備俯視、廣域及快速的能力,且屬非探觸性探測,因此,衛星遙測技術提供了極佳的勘災能力。以九二一地震為例,中部災區數以千計的山坡地崩塌,若採現場調查,根本無法完成,使用衛星影像即可快速進行崩塌地的調查與統計。

臺灣地區具備了多變化的地理景觀,不但自然景觀豐富,也成為多樣性的生物棲息地。在衛星影像中,不論是山區或海岸,地形的輪廓均清晰可辨,因此在地理或地球科學的教學中,除了文字資料外,若能適當地使用衛星影像圖,可明顯提升學習的效果。以東沙島為例,其衛星影像真是令人一見難忘,圖片中一個大的圓圈是典型的環礁,四周是淺水的珊瑚礁,最西側露出海面的是東沙島,紅色表示茂盛的植物,同時可看到飛機場的跑道,大圓內部顏色較深,表示該處海水較深。再以陽明山國家公園為例,使用衛星影像結合地形模型所模擬而得的陽明山景觀,錐狀火山口及熔岩流的痕跡,清楚顯示出火山的特徵。

未來展望

自從資源衛星接收站設置後,不到10年時間,國內的衛星遙測科技,已經由學術研究邁向了實際的應用,國科會長期的支持是主要原因。未來,高解析的遙測衛星會更為普及,衛星影像的應用勢將更為廣泛、多元,特別是在年底華衛二號的發射,值得國人期待。

衛星遙測科技絕非萬能,不至於會產生如電影〈全民公敵〉過於戲劇化的情節。要充分發揮遙測科技,必須整合衛星與飛機的探測系統,方能達到遙測必須具備的高空間解析度、光譜解析度及時間解析度(即機動性)三個基本需求。未來的電子地圖將朝向三度空間發展,為了增進資料庫建構時的效率,資源衛星資料與全球定位系統(GPS)衛星的結合是一種必然的趨勢。此外,配合空間資料與電腦模擬技術,將可創造出如虛擬實境中的場景,更可發揮決策支援的潛力。
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