簡介
耗資46億台幣，歷時五年，由台灣自主控制的第一枚高空間解析度遙測衛星—福爾摩沙衛星二號（福衛二號），終於在2004年5月21日成功發射升空運轉。總計五年來，福衛二號已拍攝地表超過了五億平方公里的面積，換算為全球陸地總面積的三倍有餘，其中台灣地區的取像面積就高達一千三百萬平方公里。除了提供台灣地區前所未有且數量龐大的高品質衛星遙測影像之外，福衛二號的成功運轉，更大幅提昇了國內衛星遙測應用的層面，直接帶動了國內遙測影像處理與應用技術之研發。這五年來，本團隊在每次國際重大災害事件發生的第一時間裡，就能夠提供關鍵之福衛二號影像，研究成果不僅屢獲國內外媒體報導，也在許多重要的國際期刊上發表，更獲聯合國「地球觀測組織(GEO) 之全球系統觀察系統(GEOSS)災害管理工作組邀請合作。這背後成功的關鍵因素，就在於針對福衛二號的特性所研發的一套「福衛二號影像自動處理系統」(F-2 AIPS) [Liu 2006]。
 

全球災害緊急應變

◆南亞地震與海嘯
2004年12月26日上午印尼蘇門答臘外海發生芮氏地震儀九級以上的強烈地震，觸發了嚴重的海嘯，數小時內便侵襲了環印度洋許多國家，其中包括了數處世界著名的觀光勝地，總計造成了55個國家，超過30萬人不幸喪生的慘劇。國家太空中心於地震發生後第二天便開始連續取像，成功大學團隊對福衛二號於災區所拍攝的遙測影像立刻加以分析，進行災害評估，並提供國際人道救援之用。此項研究成果可參見文獻[Liu et al. 2007]。
 

◆加州大火
2007年10月20日至11月9日之間，美國南加州發生大規模的山林大火事件，受到北方沙漠吹來乾燥而強烈的聖答安娜焚風影響，火勢一發不可收拾。總計共有1,500 間房屋被焚燬，延燒面積超過2,000平方公里， 14人因大火直接喪命，70人受輕重傷。國家太空中心從10月23日起連續對災區進行取像。本研究應用所發展之F-2 AIPS協助處理福衛二號所拍攝的加州大火影像，於第一時間判定出Poomacha地區野火延燒的狀況，即使是範圍僅有數公尺大小的火焰及火點位置，在兩公尺解析度、標準假彩色的福衛二號SSIM彩色融合影像上也能準確地標定出來。此項研究成果可參見文獻[Liu et al. 2009d]。

◆四川大地震
舉世震驚的四川大地震在2008年5月12日發生後，重大災情陸續傳出，傷亡人數更是不斷攀升，唯許多重災區因道路毀損而與外界隔絕。除了各救援團隊不斷與時間競賽，緊急趕赴災區，世界各國亦紛紛調動衛星，盼能盡快獲取災區最新影像，提供抗震救災決策之寶貴資訊。經與兩年前影像互相比較後發現，此次大地震所造成的大規模崩塌、堰塞湖、橋樑斷裂、道路扭曲斷裂、房屋倒塌、甚至可能是操場上所支搭的帳棚等特徵都可以清楚地判釋出來。再與當地民眾或記者透過網路所傳送出來的照片互相比較，證實福衛二號遙測影像的確揭露了此次地震所造成嚴重災害的實況。

◆卡玫基風災
卡玫基颱風於2008年7月17日來襲，台南縣、高雄縣山區災情嚴重，成大團隊解析福衛二號遙測影像，經與去年2月同一地點所拍攝之影像比對，清楚看到地表不堪大雨沖刷崩塌、土石流流竄、橋樑沖毀等大自然蹂躪情況，值得有關單位重視。其中，甲仙鄉旗山溪一帶，去年2月時拍到山巒青翠，適逢枯水期河床露出，畫面乾淨、清楚，今年7月21日同一地點，旗山溪河床變寬、河水混濁，兩處地表崩塌，一處崩塌8公頃多，另一處崩塌約4公頃。

◆辛樂克風災
辛樂克颱風於2008年9月14日來襲，讓廬山溫泉區柔腸寸斷，成大團隊解析福衛二號遙測影像，從空中鳥瞰，發現地貌出現重大改變，除了倒塌的綺麗飯店災後橫亙在河床上，不少橋樑更是遭到土石淹沒或是沖毀，就連上游的萬大水庫，都可以看到泥沙淤積得非常嚴重。沿著塔羅灣溪的河道一路往上，原本翠綠的山壁被土石淹沒，連橋都不見了。受到土石沖刷倒塌的綺麗飯店，從空拍圖上也可以看到，今年5月的時候還完整的矗立在溪床邊，颱風過後整座倒塌，橫亙在河道上；再往上游看，原本清澈的萬大水庫，災後大半個水庫都被泥沙淤積，可以想見現場土石流的威力有多驚人。塔羅灣溪帶來非常多的泥沙，現在都已經淤積在萬大水庫的上游。從廬山地區的立體剖面圖，更可以清楚發現土石流的範圍非常廣，山區國小的操場也成了一片泥地，一次颱風，真的讓廬山風景區的地貌產生重大變化。

◆阿里山大火
疑似人為縱火的阿里山林班地大火，自2009年1月12日起延燒，在林管處派出百名人力與空勤隊出動數十架次的積極撲救下，火勢終於在14日獲得控制。成大團隊除了於13日公布首幅火場全覽圖，更將14日所拍攝災後的清晰影像與災前的影像進行變異分析，精確計算出此次山林大火所焚燬的面積。以阿里山公路為界，共有南北兩大區域的草生地被焚燒殆盡。若從影像上直接圈繪並計算面積，北邊區域為32公頃，南邊區域為141公頃。若再考慮邊坡坡度以修正實際面積，北邊區域為41公頃，南邊區域為234公頃。這些資訊已於第一時間提供給林務局作為災損評估與災害調查之用。

◆澳洲維多利亞省大火
澳洲東南Tasman 海域於夏季時所產生的高氣壓帶來強勁西北風，經常造成澳洲東南部高溫且乾燥。成大團隊針對2009年2月於澳洲東南部維多利亞省發生之叢林野火事件，應用福衛二號所搭載之遙測成像儀(RSI)以及美國國家太空總署(NASA) EO-1衛星所搭載之先進陸地成像儀(ALI)進行協同取像，並對所拍攝之高時空分辨率影像與多光譜影像進行判識與分析，以評估此次林火災害。結果顯示，結合福衛二號高時空影像及先進陸地成像儀(ALI)多頻譜影像，對起火點的判識，以及燃燒區和焚毀區詳細範圍之率定，均有相當優勢。本研究之成果亦為NASA所推動在太空中建立一個衛星網(SensorWeb)以實施全球災害監控的目標，提供了一個成功應用的實例。

◆北韓火箭試射
北韓於2009年4月5日發射運載火箭，引起國際注目，國家太空中心自3月28日就密集拍攝朝鮮半島，直到4月5日止，總共拍到4張清晰影像。其中又以4月5日上午火箭發射前一小時所拍攝的影像最具代表性。成大團隊應用所發展的F-2 AIPS產製了兩公尺解析度的彩色融合影像，並與美國商用衛星Quick Bird於2003年4月3日所拍攝的衛星影像相互比較，解析北韓舞水端里基地這6年來所增加的設施。再結合美國麻省理工學院彈道模擬之結果，呈現了一系列北韓舞水端里基地設施，以及火箭彈道模擬之立體影像，深入剖析北韓舞水端里基地火箭發射事件對日本及美國所造成的威脅。


地球環境監測

◆盜濫採砂石監測
河川土地使用與河砂開採管理多以人為主觀之認定進行相關違規行為之告發，但因河川土地與土砂資源常隨水位變易產生極大之變化，或因缺乏客觀事實之比對，導致相關執行人員與違法行為者發生極多之衝突，亦對相關單位公務之執行產生諸多困擾。成大團隊應用所發展之F-2 AIPS處理福衛二號於濁水溪、高屏溪所拍攝多期影像以進行長期監測。並評估以福衛二號影像進行河川區域大面積變異監測與通報的可行性與時效性，期望可由少數人力進行大面積之監測，並針對長期遙測監測資料進行比對，將發現有異之區域分析結果提供有關單位進行實際現地的查核。此項研究成果可參見文獻[Liu et al. 2009c]。
 

◆水庫集水區崩塌地監測
台灣河川上游集水區因為近年來天然災害以及人為的過度開發而造成了顯著的破壞。每逢大雨，山區的泥砂土石便會受到雨水沖刷而流入水庫，造成水庫原水濁度大增，甚而導致民生用水無水可供之嚴重問題。本研究應用所發展之F-2 AIPS處理福衛二號於曾文水庫集水區所拍攝的多期影像，以探討集水區崩塌地之時空變化受到地震事件與大規模降雨事件之影響[Liu et al. 2009b]。

◆水庫水質評估
水庫水質之監測為攸關人類基本生活需求之重要課題。傳統的水庫水質監測工作多仰賴架設監測站或以人力於現場進行採樣分析，其在時間與空間上受到人力物力的限制，無論從監測頻率、監測範圍、或是資料代表性等角度來考量，成效皆不盡理想。本研究應用所發展之F-2 AIPS處理福衛二號於曾文水庫所拍攝的多期影像，並以手持式高頻譜輻射儀在現場量測水面反射頻譜，並採取水樣。隨後於實驗室中依標準作業程序分析所有水樣之固有光學性質與各項水質參數，並藉此監測水庫內葉綠素a與懸浮固體物濃度之時空分佈，此項研究成果可參見文獻[Chang et al. 2009]。


◆南極科學站取像
國際極區年(International Polar Year, IPY) (2007-2008)的重點工作之一是蒐集並整合世界各國在極區所拍攝的衛星遙測影像[Rapley et al. 2004]。10年前加拿大曾以特殊的軌道模式操控Radarsat-1為期一個月之久，成功地拍攝了全南極大陸地區30公尺解析度的雷達影像[Jezek et al. 1998]。但光學衛星受到軌道高度(AL)、刈幅(SW)、以及指向能力(PC)的限制，拍攝極區的範圍始終無法超過一定的緯度[Kargel et al. 2005]。但直到福衛二號(AL:891km/SW:24km/PC:±450跨軌與延軌方向)才終於打破這個極限，可以拍攝到整個極區的範圍（包含南北緯90度）[Liu et al. 2008a]。

◆加拿大阿勒海冰裂解連續監測
阿勒(Alert)為位於世界最北端而有人類居住的城市。每年春分前後，海冰即開始融化並裂解。太空中心曾於2007年3月24日至4月2日連續十天，對此地進行密集取像。透過F-2 AIPS分析這十幅時間序列影像，我們可以清楚追蹤這些冰塊的動態變化，進而計算出速度場。這也向世界研究極區的科學家展現了，福衛二號在極區研究是非常寶貴的資料來源。此項研究成果可參見文獻[Liu et al. 2009a]。

◆南極威爾金冰架崩解
位於南極半島西南邊，距南美洲大陸南端僅1600公里之遙的威爾金冰架(Wilkins Ice Shelf)，自2008年2月28日起突然發生一連串大規模的崩解事件，凸顯了全球氣候劇變，在南極地區所造成空前嚴重的暖化現象。從3月8日良好天候下所拍攝的2公尺解析度彩色影像中，首次揭露了冰架崩解的詳細過程。英國南極調查所(British Antarctic Survey; BAS)的團隊成員亦安排了一次飛越崩解冰架區域的任務，拍攝影片並蒐集各種現場觀測資料加以佐證。彙整此次合作調查的各項資料，成大與美國NSIDC、英國BAS等國際頂尖團隊於2008年3月25日聯名發佈新聞稿，正式向全球公布此次南極威爾金冰架崩解事件之調查結果，此項研究成果可參見文獻[Scambos et al. 2009]。(http://www.nsidc.org/news/press/20080325_Wilkins.html)

◆加拿大沃杭特(Ward Hunt)冰架崩解
加拿大沃杭特冰架是目前北半球所存少數冰架中最大的一座。自2008年5月份媒體報導發現了新裂縫的消息後，太空中心便對該區進行密集取像。總計從6月5日到8月30日之間，共獲取了17幅影像，經成大團隊處理分析後發現，隨著夏季氣溫上升，大量的熔體湖(melt pond)在幾週中快速形成、面積遽增，隨之突然乾凅並產生一連串的裂隙，使冰架異常脆弱；而在冰架附近因地形與急遽加速的海流，產生了渦漩場，提供了將沃杭特冰架逐步剝離的主要外力之一。因此，在8月底的影像中清楚顯示，科學家擔心已久的棚外湖(epishelf lake)已因為一條由裂隙擴展而形成的新渠道而不復存在。此項研究成果可參見文獻[Liu et al. 2008b; Scambos and Liu 2009]。

 

結語
本團隊在過去五年來深耕發展的F-2 AIPS，不僅得到許多豐碩的成果，更因為完全自主開發，掌握所有關鍵技術與經驗。無須昂貴的工作站系統，僅以一般個人電腦即可以操作。若有任何特殊需要，可在任何時間移動至任何地方進行影像處理與分析工作，在經濟與效能各方面的考量上，都非常值得推廣到未來的衛星任務，或是其他遙測平台的影像處理應用上。盼望藉由本文介紹現階段針對福衛二號影像特性所開發的F-2 AIPS，以及實際應用於全球災害緊急應變與地球環境監測相關工作的主要成果，拋磚引玉，未來能結合國內外更多的研究人力與資源，以福衛二號的經驗與成果，讓台灣太空科技與遙測應用的發展更上一層樓。

 參考文獻
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