第24屆臺灣地理國際x2020中國地理學會聯合學術研討會
圓桌論壇（三）雷達衛星在未來國土監測的角色與發展（2020年11月15日於台師大誠101教室）

陳盈璇、歐德昱（台大地理系學生）、莊昀叡（台大地理系助理教授）


雷達（Radar）是無線電偵查及測距（Radio Detection And Ranging） 技術的簡稱，其原理是在遠距主動發射微波訊號，藉由接收反射的訊號了解偵查目標的遠近、大小等等特性。透過雷達衛星的運行，我們得以獲得定期觀測地球表面的影像，並以這些影像進行分析與應用。其應用領域除了在地形作用、災害觀測外，於土地利用、大氣監測、工程監測、植生變化等研究與應用議題，也有很大的潛力。今日雷達衛星種類越來越多，幾乎每年都可以聽到新的雷達衛星發射，隨著影像取得越來越便利、拍攝頻率越來越高，雷達影像應用成為趨勢且潛力無窮。雷達衛星具有主動的監測能力，還具有能夠穿透雲雨的優點，也不受日夜光線限制，這些特性克服了許多傳統監測的限制，也讓快速監測緊急災害事件成為可能。

合成孔徑雷達（synthetic aperture radar, SAR）是一種微波成像雷達技術，具有可產生高解析度圖像的特性，分為航空機載雷達與太空衛星雷達，被廣泛應用於遙測上；而干涉合成孔徑雷達（Interferometry Synthetic Aperture Radar, InSAR）則是近一步用SAR影像進行干涉，達成類似人眼感受到的立體感，取得的高程資料稱為數值高程模型（Digital Elevation Model, DEM），是研究與分析最基礎且重要的資料之一。若要得到地形改變或地表移動的觀測，則可利用合成孔徑雷達差分干涉（differential InSAR, DInSAR）與相關時間序列分析方法。

地球科學領域運用雷達影響已有十五年以上，而空間資訊的應用在地理學中也佔有重要的地位，是連結地表變化與人類空間應用非常重要的領域。在台灣過往遙測的發展歷史中，地理學界多年來廣泛運用了光學遙測（航空照片、衛星、乃至於近年的無人機航照）來關注地形與環境的議題，然而對於雷達遙測的使用，則非常的稀少。如何將雷達遙測技術引進於地理學界與地理學關注之環境問題，則是本論壇的出發點。本次論壇由主持人臺灣大學地理環境資源學系博士後研究員盧志恒博士與莊昀叡助理教授、兩位地理界擁有雷達於地球科學應用背景的學者所發起，邀請多位雷達影像應用的專家與學者，以及地理學界多位關注環境監測的老師們，期望在討論中藉由交流經驗與想法，也讓地理學界的遙測國土監測，不止侷限於光學遙測，能一同初探快速發展的雷達遙測新世代。

光學遙測是被動的遙測方式，雷達遙測則是主動發射雷達微波，可用以偵測、測距，更有可穿透雲層成像的特性，是一般通訊影像難以達成的。雷達遙測讓連續觀測成為可能，因不同物體的反射訊號不同，也讓觀察分析更加容易，光學遙測的特性與雷達遙測的優點若能互相補足，具有非常大的潛力。本場講座除了遙測概念與雷達衛星相關研究的介紹外，講者們也分享許多過去使用SAR與InSAR影像的經驗及心得，期望不僅可以引起大家對雷達衛星的好奇，也能透過案例分享，讓有興趣學習者在鑽研的路上更加順利。

遙測影像在地理學門的發展與應用討論現場（作者提供）

 

雷達衛星應用於地球科學領域

為了讓地理界的師生們了解目前雷達遙測技術的進展，主持人盧志恒博士首先介紹，過去雷達影像處理被廣泛應用於地球科學相關領域，隨著技術的演進，也有將其用於觀察岩石圈、生物圈，甚至冰川相關研究等等的例子，因此將雷達影像應用於國土監測的也漸漸成為發展趨勢之一。

東華大學自然資源與環境學系的顏君毅教授長期鑽研地球科學領域，也看見雷達衛星的應用潛力。過去GPS、水準測量無法長期頻繁的監測，雷達的優勢恰好補足了這些研究限制，實際的應用如觀察濁水溪沖積扇、屏東平原的發展變化、臺北盆地的地層下陷、大屯山火山活動和花蓮的斷層活動等等，這些珍貴的觀測資料都為更有效地治理提供可能。

哨兵1號衛星（Sentinel-1）是歐洲太空總署（European Space Agency，ESA）歐洲航天局哥白尼計劃中的地球觀測衛星，由兩顆衛星組成，能提供連續影像，對持續的觀測及不可預期的災害觀測非常重要。顏老師分享，原先兩顆衛星中的Sentinel-1a衛星拍攝頻率原先為每12天拍1次，Sentinel-1b也在2018年2月花蓮發生地震後啟用，兩顆衛星提供了完整、頻繁的影像資料，目前台灣每6天就有一張影像，讓資料取得與應用更容易，開啟了許多研究的大門。

過去，雷達衛星主要用於監測地震造成的地表變形，現在的對話則轉向關注造成地表變形的機制。成功大學測量及空間資訊學系景國恩副教授分享，除了研究者熟知的InSAR常會被用於地震的觀測與地表變形的描述之外，因為目前對斷層活動已有基礎的認識，地球科學界也常結合模型模擬如地層下陷、山崩等等，以地震資料比對地震前後的衛星影像，讓研究與分析更精確，也突破諸多以往的研究限制。

盧志恒博士提到，有時雷達測得的變形量與地震所得的資料可能有差異，除了理解可能的干擾因子外，學習更正、去除誤差的技巧也是很重要的。中央大學太空及遙測研究中心曾國欣副教授分享臺灣的觀測的主要阻礙包含電離層和大氣層誤差，另外山脈的阻擋也讓資料容易出現異常，理解這些現象有助於比對、分析模型與觀測資料間的差異，對於地球科學領域的應用也十分重要。

 

國立東華大學自然資源與環境學系顏君毅教授分享（台師大地理系提供）

 

遙測技術於地理研究的應用與需求

由於利用遙測技術應用於國土監測的議題，一直都是地理研究的重點方向之一。多位地理系的老師們也針對不同的國土監測目標，分享關心的議題，以及研究的需求與對雷達遙測的期望。臺灣師範大學地理學系林宗儀教授過去曾以福衛二號的影像觀測全台海岸侵蝕熱點監測，以此連結政策與法規。老師提醒在讀影像時，動態的變化也是不可忽視的，例如許多報告在分析海水上升時，會直接沿著等高線畫出海水上升後被淹沒的地區，忽略了板塊運動對不同尺度及地區的影響，這是運用衛星影像進行分析時需要特別注意的，也期望雷達遙測能幫助海岸變遷的監測。

彰化師範大學地理學系陳毅青副教授過去主要的研究著重在崩塌侵蝕與河道侵蝕間的關係，例如在莫拉克颱風後，「山上發生什麼事」成為大家關注的議題，當時老師利用福衛二號的影像分析，但得到的數化資料僅能提供崩塌面積資訊，無法以此分析崩塌深度。在過去，補足崩塌深度分析的研究方法多為野外測量與推測，隨著光學影像的發展，研究者可以更容易得到高程資料；近來，航照影像、無人機的使用也很盛行，但無人機僅能做小範圍、高頻率的觀測，航照雖然能較快獲得大範圍的資料，但礙於觀測頻率較低，常使研究受限。台灣地表變化快速，受到時間頻率的限制影響大，十分期待雷達影像未來的發展能解決這些問題，提供高解析度、真實的地表變化資料。

彰化師範大學地理學系王素芬教授認為雷達最大的優勢是可以穿透雲雨，雖然過去比較常以光學指標觀察植物狀態，較少用SAR的資料進行分析，但過去的影像資料雖然可以判別植物與非植物，卻無法分析植物生長狀態好不好，期望未來的發展能補足此不足。

 

地理界使用雷達遙測的機會與挑戰

台灣第一次大規模雷達製圖是工研院在民國60年代；921地震後，光達（LIDAR，是光學雷達 LIght Detection And Ranging的簡稱）與InSAR的研究應用更加蓬勃。莊昀叡助理教授提到雷達技術能夠測量地形與其變化，也可以偵測地表覆蓋物與其變遷，除了地球科學研究外，應可應用於更多地理議題。但雷達遙測也有許多限制，例如雖然多雲雨不影響雷達成像，但雲雨會影響量測結果，在學習取得及應用影像時必須要思考各項誤差，仔細檢驗結果。

中國文化大學的朱健銘老師提到，過去的影像對地理學家想研究的主題I來說過於粗糙，台灣研究者少用SAR進行影像分析，但現在的影像與處理技巧越來越進步，應用於環境風險評估、災害預測等方面的潛力無窮，知道地表變遷便能應用於治理上。然而由於目前地理界的老師們絕大部分沒有雷達遙測相關的經驗，以目前地理界的教學方向來說，師生能夠有系統性地學習與傳遞雷達遙測的知識並不容易。需要仰賴更有系統的外部課程，或是與地科界具有雷達遙測技術的老師們來合作。

 

中國文化大學地理學系朱健銘助理教授經驗分享（台師大地理系提供）

因此，有鑒於過去學習遙測時難以碰觸到真正的影像處理，有雷達相關經驗的老師們於2020年開始，規劃了每年一度的「雷達遙測實作課程」，以密集課程與上機實作的方式帶領同學們學習，且每年輪流在各學校主辦。最近則是將2021年一月底在中央大學舉辦，將會帶領參與者實際使用ESA官方的SNAP、美國加州大學聖地牙哥分校（UCSD）開發的GMTSAR、及美國太空總署（NASA）加州噴射推進實驗室（JPL）開發的ISCE等現在最熱門的三套影像處理系統，雖然報名已額滿了，但後續有機會公開課程資源，有興趣的同學也可多關注每年十一月左右的課程公告與報名資訊。

今日影像取得比以往更容易，學習資源也更豐富多元，很高興這次有機會邀請到不同領域的老師和我們分享過去的研究與雷達衛星影像應用的心得，相信這些觀點的分享與激盪能帶給同學全新的啟發，無論是在國土監測或其他研究上，都能靈活、應用影像。