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沈積物的海底溜滑梯──淺談濁流與海底峽谷

xmallwolf
・2015/01/01 ・2982字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 491 ・五年級

文/吳依璇、熊衎昕

引言

海有多深?海底下是什麼樣子?在看不到的海底,會是一片平坦嗎?

十九世紀中葉人們為了瞭解海有多深,拿個綁著石頭的繩子往海裡丟,數著繩結來估算海有多深。約在1930年代,由於聲納系統的發展,除了知道海有多深以外,還可以了解海平面以下的地形變化。現在多虧了google earth,隨時隨地都可以在電腦上看到海床樣貌。

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圖一,挑戰者深淵在太平洋的位置,(圖片來源:google earth)。

但是海底長得如何,和我們的生活有什麼關係呢?

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1929年,紐芬蘭大淺灘(Grand Banks)發生規模7.2的大地震,大地震後的十幾個小時內,海底的電纜一根接著一根斷了,斷裂點從地震震央附近一路往深海延伸。人們想著,「難道是地震引出了某頭怪獸,一路衝撞到了深不可測的海底了?」。

1952
圖二,紐芬蘭大淺灘(Grand Banks)發生地震後,海底電纜斷裂的位置。黑線為海底電纜,藍線為受損的電纜,黑點為電纜斷裂處,紅圈為震央。(Heezen and Ewing, 1952)。

海底峽谷的「起源」

你累了嗎?聽個故事好嗎?1863年某一天,Dana沿著哈德遜灣(Hudson bay)掃著海底地形,掃出一條條像是河谷的凹地,大家發現這些特別地形後開始紛紛討論。

「這些凹地是怎麼來的?」

「難道是…以前曾經有過好幾條河流,後來這些河谷沉沒,於是靜靜的躺在海底下直到今天才發現呢?」Dana這樣想著(Dana, 1890)。

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「我想應該是地殼變動的關係吧。」Lawson表示著(Lawson, 1893),

「不,你們想太遠了,這些凹地是因為海底的水流不斷反覆沖刷侵蝕造成的!」Smith提出了反駁(Smith, 1902),

「我認為,應該是冰河期地表抬升,地表受到侵蝕,刻出一條條谷地。後來海平面上升,淹沒了谷地,所以我們現在才在海裡看到它們。」Spencer緩緩道來(Spencer, 1903)。

當時陸續有人在歐洲和美國東岸的大陸坡上發現到這些谷地,但是都沒有辦法提出強力的證據證明這些谷地的成因。於是,開始有人認為這些谷地只是一些錯誤資料,認為Dana這些人只是為了拼點數發期刊文章惹人注意而已。漸漸的,這些躺在海底下的谷地又默默的被淡忘了…..

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直到1928年,美國海岸及大地測量計劃(U.S. Coast and Geodetic Survey)開始在美國東岸進行一系列的海底測繪,

「什麼!Dana他們當初發現的那些峽谷…..怎麼都還在!」

這件事再度震驚了海洋地質界,沒想到多年前未解決的問題,又再浮現於眼前。

「滾滾長江東逝水,浪花淘盡英雄。冰河時期海平面下降,浪花一朵朵的打上大陸棚,使得大陸棚上的泥巴、石頭的變得鬆軟,這些泥巴石頭混著水就滑下了大陸坡去了,這就是那些峽谷的生成原因唄。」Daly如此說道,「這些谷地真像是大峽谷,又在海底下,就叫它──海底峽谷(submarine canyon)唄。」(Daly, 1936)

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此話一出,於是眾多的海洋地質學家們開始討論,揪竟…是什麼樣的沈積物與水的混合體才能在海底刻劃出海底峽谷如此偉大的藝術品呢?

直到了1952年,Heezen和Ewing想起當初1929年紐芬蘭大淺灘的地震,「也許當初引出的不是一頭兇猛的怪獸,而是沈積物與水的混合體以驚人速率(約100 km/h)前進,它們沿著海底峽谷一路衝撞,撞斷了許多海底電纜後,消失於深海中。我們需要個名字來稱呼這頭猛獸,它們叫做──濁流(turbidity current)。」(Heezen and Ewing, 1952)。

這頭濁流猛獸不只是1929年闖了禍,1887年到1937年間,還造成鋪設在剛果海底峽谷(Congo Canyon)頭部的海底電纜一斷再斷,總共斷了30次。這下有趣了,哪裡來的地震可以引出濁流,還沖斷了好幾次電纜?這時,Heezen他們才發現,不只是地震會引發濁流,原來剛果海底峽谷接在剛果河的河口上,剛果河帶來的沈積物與水混合後,形成了濁流,就這樣順勢進入了剛果海底峽谷。

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圖三,剛果海底峽谷,剛果海底峽谷頭部與剛果河相接。(圖片來源:wiki)

雖然1863年來科學家對於海底峽谷生成的原因仍不斷筆戰中,但是,這時期出現了一位熱愛海底峽谷近乎如痴如狂的海洋地質學家──Francis P. Shepard。他不像其它海洋地質學家們猛在期刊文章上打嘴砲瞎猜峽谷生成的原因,反而多次潛入海底峽谷頭部拍照打卡(Shepard and Emery, 1946),量測峽谷底部的水流(Shepard et al., 1939),精確的測量峽谷頭部的變化(Shepard, 1937)。在多年的研究以後,Shepard有感而發,「唉呀,這些峽谷們真是複雜啊,我覺得它們是冰河期遺留的河谷挺合理的,它們是濁流切割大陸斜坡出來的谷地也挺合理的,有些峽谷看起來挺像是沿著斷層發育的。海底峽谷切得這麼深,它們的谷壁偶爾也會有土石流崩落,這些崩落也是會造成濁流啊。不然這樣好了,摻在一起做成撒尿牛丸啊!」。於是,1981年,Shepard提出海底峽谷形成是受到多種原因控制,並且峽谷的發育可能持續很長一段時間的想法(Shepard, 1981),暫時停止了科學家們間的戰火。

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海底峽谷在哪裡?就在你身邊!

全世界的大陸棚坡區都存在著一些海底峽谷,目前已知的峽谷約5849條(Harris and Whiteway, 2011)。

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圖四,海底峽谷分布圖,紅線為頭部與陸上河流相接的峽谷,黃線為頭部嵌入陸棚的峽谷,藍線為頭部限制在陸坡的峽谷(Harris and Whiteway, 2011)。

臺灣周圍的大陸棚坡地區也有發育峽谷,臺灣西南海域就有三條大型峽谷和許多小型峽谷,來自臺灣和中國陸上的沈積物藉由這些「沈積物的海底溜滑梯」,衝往深海海溝裡堆積。誇張的講,當我們在高屏溪河口扔下的垃圾,會順著高屏海底峽谷一路往下,接到澎湖海底峽谷和澎湖深海水道,最後,沒多久就會在馬尼拉海溝裡看到它的蹤跡。(Hsiung and Yu, 2011)

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圖四,臺灣西南海域海底地形圖。

隨著時間匆匆過去,海水潮起潮落,紐芬蘭大淺灘(Grand Banks)的故事又再一次上演,2006年12月26日恆春外海發生了規模7的地震。除了造成輕微的人命傷亡和建築物損毀,令網路鄉民們感到同樣痛心的是,多條海底電纜中斷,導致網際網路…斷!線!了!

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圖五,臺灣西南海域電纜斷裂分布圖,紅點為電纜斷裂地點,黑線為海底電纜,黃線為高屏海底峽谷谷軸。(Hsu et al., 2008)

來看看這次電纜斷裂的地點吧,看來是因為濁流沿著高屏海底峽谷一路衝到深海去,順手牽了幾段電纜。先別怪罪濁流,要避免下次地震後沒辦法發地震文,是否要好好考慮一下海底電纜鋪設的地點呢?

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除了海底電纜的鋪設以外,和海底峽谷有關的議題也相當多,像是研究海底峽谷內海流的變化,以及水流受到峽谷地形的影響,將表層營養鹽帶入峽谷內,蓬勃了峽谷內的生態等。我們居住在四面環海的臺灣島(或離島)上,也許可以花多一點點的心思來觀察海底世界。

參考文獻:

  • Heezen, B. C., and Ewing, Maurice. (1952). Turbidity currents and submarine slumps, and the 1929 Grand Banks earthquake. American Journal of Science, 250(12), 849-873.
  • Lawson, Andrew. (1893). The Geology of Carmelo Bay. Univ. Calif., Dept. Geol., Bull. 1, 1-59.
  • Smith, W. S. R. (1902). The submarine valleys of the California coast. Science, XV(382), 670-672.
  • Spencer, J. W. (1903). Submarine valleys off the American coast and in the North Atlantic. Bull. Geol. Soc. Amer., 14, 207-226.
  • Daly, R. A. (1936). Origin of submarine canyons. American Journal of Science, 31(186), 401-420.
  • Shepard, F. P., Emery, K. O., (1946). Submarine photography off the Californa Coast. Jour. Geol., 44(5), 306-321.
  • Shepard, F. P., Revelle, R. R., Dietz, R.S., (1939). Ocean-bottom currents off the California Coast. Science. 89(2317), 488-489.
  • Shepard, F. P., (1937). Inverstigation of submarine topography during the past year. Trans. Amer. Geophys. Union. 226-228.
  • Shepard, F. P., (1981). Submarine canyons; multiple causes and long-time persistence. AAPG Bulletin, v. 65, 10621077.
  • Harris, P. T., and Whiteway, T. (2011). Global distribution of large submarine canyons: Geomorphic differences between active and passive continental margins. Marine Geology, 285(1-4), 69-86.
  • Hsiung, K.H., and Yu, H.S. (2011). Morpho-sedimentary evidence for a canyon–channel–trench interconnection along the Taiwan–Luzon plate margin, South China Sea. Geo-Marine Letters, 31(4), 215-226.
  • Hsu, S.K., Kuo, J., Lo, C. L., Tsai, C. H., Doo, W. B., Ku, C. Y., Sibuet, J. C. (2008) Turbidity Currents, Submarine Landslides and the 2006 Pingtung Earthquake off SW Taiwan.  TAO. 19(6).
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滔滔OceanSays編輯,也是PanSci特約作者,曾在茫茫的物理之海中載浮載沉,後來隨著洋流漂到遠洋慢慢沈積下來。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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鯨魚為什麼歌唱?它們的歌聲可以用來探測海底地形?——《五感之外的世界》
臉譜出版_96
・2023/09/20 ・2132字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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一九九○年代,冷戰終於結束,蘇維埃政府在海中布下的潛水艇威脅也隨之消散,於是海軍提供克拉克與其他專家機會,讓他們透過 SOSUS 的水下麥克風觀測、記錄大海裡的各種聲音。透過聲音頻譜——也就是 SOSUS 系統將接收到的聲音轉換為視覺圖像——克拉克無庸置疑地看到了藍鯨正在歌唱的跡象。

光是第一天克拉克就發現,單一個 SOSUS 感測器所記錄下的藍鯨叫聲比過去所有科學文獻所記載的加起來還要多。大海中充斥著鯨魚的歌聲,而這些聲音則來自無比遙遠的彼方。克拉克估算,記錄下他聽見的那股歌聲的感測器,距離聲音的主人有兩千四百公里之遠。藉由位於百慕達的水下麥克風,他竟能夠聽見遠在愛爾蘭的鯨魚歌聲。

鯨魚的歌聲可以傳得很遠,整個大海中都充斥著鯨魚的歌聲。圖/Giphy

於是他說:「當時我心想:『羅傑的想法沒錯。』我們實際上真的可以探測到橫跨整個海洋盆地的鯨魚歌聲。」對於海軍的分析專家來說,這些聲音就是他們每天工作都會遇到的正常現象,而這些聲音與工作內容無關,所以根本不會被標記在聲音頻譜上,也因此就被忽略了。然而對克拉克來說,這卻是令他茅塞頓開的驚人發現。

穩定規律的「歌聲」其實是一種探測手段?

雖然藍鯨與長須鯨的歌聲能夠跨洋越海,卻沒人知道鯨魚是否真的會在如此遙遠的距離下互相溝通;畢竟牠們很有可能只是在用極大的音量對附近的同類示意,只是音波剛好傳到了很遠的地方去而已。不過克拉克又指出,鯨魚會一次又一次地不斷重複同樣的音頻,甚至也會精準維持音與音之間的間隔長度。鯨魚會在浮出水面呼吸時停止歌唱,回到水中繼續歌唱卻也會落在剛剛好的拍子上。他說:「所以牠們唱歌並不是隨興而至的舉動。」這種現象令他想起了火星探測車為了傳送資料回地球所發出的那種重複的連續訊號。假如人類想設計出能夠跨越海洋進行溝通的訊號,大概也會想出類似藍鯨歌聲的形式吧。

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鯨魚歌聲或許也有其他用途。牠們發出的每個音都能持續好幾秒,而其波長更是好比足球場的寬度。克拉克曾問過他在海軍的朋友,假如他有發出這種聲音的能力,可以拿來幹嘛?

「那我就能摸透整個海洋。」他的朋友如此回答道。這話的意思是,他能夠藉此刻畫出深海的地景,透過傳至遠方的次音波回音,他就能辨識出海底山稜與海床的位置。地球物理學家也肯定能運用長須鯨的歌聲來了解各處的地殼密度。那麼,鯨魚到底用這種聲音來做什麼呢?

鯨魚似乎可以透過歌聲的回音辨識出海底山稜與海床的位置。圖/pixabay

克拉克從鯨魚的動作中看出了答案;透過 SOSUS,他發現藍鯨出現在冰島與格陵蘭之間的極地水域中,一路蜂擁直奔——還是該說是鯨擁?——熱帶地區的百慕達,旅途中一路歌唱。他也看過鯨魚在深海的群山間左彎右拐,在幾百英里間的深海地景之中蜿蜒前進。「看到這些動物的移動方式,就會感覺牠們大腦裡似乎有著以音波構成的海洋地圖。」他如此說道。

他也猜測,鯨魚在長長的一輩子裡,會不斷累積大腦中的聲音記憶,隨之擴增儲存在大腦裡的海洋地圖。克拉克也還記得,曾有位資深海軍聲納專家告訴他,大海裡每個地方都有它專屬的聲音。克拉克告訴我:「他們說:『讓我戴上耳機,我不用看就能直接告訴你現在位於拉布拉多還是比斯開灣的海域。』而我就想,假如人類累積了三十年的經驗就能做到這個地步,何況是演化了一千萬年的動物呢?」

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漫長的迴響~不同時間尺度下的認知

不過關於鯨魚聽力的尺度,還是有令人費解之處。鯨魚的叫聲確實可以傳遞到很遠的地方,但卻也很花時間;在海裡,音波一分鐘只能傳五十英里(約八十公里)遠,因此假設一隻鯨魚聽見另一隻鯨魚在一千五百英里(約二四一四公里)之外發出的叫聲,這隻鯨魚得在半小時以後才能聽見對方的歌聲,就像天文學家觀測到的星光其實是恆星在很久很久以前散發出的光芒一樣。假如某隻鯨魚想探測五百英里(約八百零四公里)之外那座山的位置,牠得等上十分鐘才能接收到自己叫聲的回音,這感覺起來似乎有點荒謬。

然而各位想想,藍鯨在水面上的心跳一分鐘約為三十下,潛入水下後卻會下降至一分鐘只跳三次。這麼一想,鯨魚生命中的時間尺度想來一定與人類相當不同吧。倘若斑胸草雀能夠在單一個音裡就聽見以毫秒為單位的美麗音頻,也許藍鯨分辨同樣潛藏在聲音中的祕密訊號的時間尺度則是分或秒。若要想像鯨魚的生活樣貌,「你得發揮想像力,以完全不同的次元思考。」克拉克對我說道。

他認為這兩種體驗的差異應該就像先用玩具望遠鏡注視夜空,再改用美國太空總署架設在太空的哈伯太空望遠鏡一覽星羅棋布的壯麗星辰。一想到鯨魚,他的世界彷彿就變大了,不管是空間還是時間的尺度,都更加遼闊。

——本文摘自《五感之外的世界》,2023 年 8 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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不只能「透視海底」還可判釋水稻田!淺談福衛五號的影像多元應用
科技大觀園_96
・2021/08/23 ・2533字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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福衛五號幫助研究人員算出海底地形、找出稻田分布。圖/fatcat11 繪

「透視」海底,用福五影像逆推東沙環礁水底地形

中央大學太空及遙測中心的副教授黃智遠、副教授任玄及副教授曾國欣選定東沙環礁,測試福衛五號影像反演水底地形的能力。成果顯示,在訓練資料品質佳的情況下,以福五影像建置水底地形的精度與超高解析度衛星影像的成果相當,可協助內政部產製電子航行圖、環境監測、生物棲地研究等。 

傳統常以船隻搭載聲納,或飛機搭載光達的方式量測水深,這兩種方式皆須現地量測,精度高,但成本也高,且淺海與爭議水區的量測會受限。多光譜光學衛星影像能穿透約 20 公尺深的潔淨水體,成為廣泛調查淺水域的潛力方式。

要以衛星光譜影像反演水深,仍需收集訓練資料(例如地形的現地量測資訊)當作「教材」,讓電腦建立正確的模式參數。「沒有太多人為擾動影響、卻又要有高品質的訓練資料 ,同時符合這兩個條件的就選東沙環礁了!」東沙環礁有精密的光達測深資料,還有海水潔淨、淺水域面積廣大等優點。

此項技術的訓練方式是,輸入衛星影像各波段數值(主要為透水較佳的綠光波段)及其對應的實際水深訓練網路,網路模式訓練完成之後,輸入目標區域的衛星影像數值,就能推算出每個像素對應的水深資訊。

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福衛五號衛星於 2018 年 3 月 2 日所攝得東沙環礁影像。圖/國家太空中心提供

為了衡量福五影像的表現,團隊也拿超高解析度商用衛星 WorldView2 的影像反演水深,比較兩者成果。福五反演的水深成果精度達 1.62 公尺,雖略遜於 WorldView2 的 1.26 公尺,但相差不遠。

黃智遠解釋,相較於房屋、橋梁等地物地貌,水下自然地形的局部變化通常較小,所以對於衛星影像空間解析度的要求也較低。在反演水深的應用上,使用福五或超高解析度衛星的差異不大,福五反演僅局部區域比實際地形略深。

光譜反演的挑戰在於訓練資料蒐集困難,不過,透過衛星影像產製水深還有另一種稱為「立體對測量」的方法。福衛五號可以對地「立體取像」——人的視覺因左右眼視角差異而能感知立體,資料也能整合不同角度的衛星影像產生視差,萃取出目標物的數值地形模型,再以此當作訓練資料,進行模式訓練、反演水底地形。

過去團隊與內政部合作,在東海南海的許多島礁進行水深反演,已累積起一套決策樹,考量目標區域具備的資料庫、資料品質、成本等,可為不同地區挑選、整合不同的水深產製方式。

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東沙環礁水底地形。圖/研究團隊提供

雙衛星搭檔,提高水稻田判釋精度!

水稻田分佈判釋是行政院農委會農糧署年度重要工作項目,農糧署與臺灣大學理學院空間資訊研究中心教授朱子豪、遙測及資料加值組組長張家豪合作,以福衛五號影像結合合成孔徑雷達衛星影像判釋水稻田,正確性達 92%,大幅提高偵測精度。 

由於雲林有充足的基礎資料可供驗證與訓練模型,研究團隊選定雲林做為研究區域,試驗福五的影像用在水稻田判釋可達多少能力。 

團隊使用福衛五號影像,搭配 22 組歐洲太空總署合成孔徑雷達衛星「Sentinel-1」的開放資料,並試驗了三種方法:僅使用福五(光學)影像、僅用雷達影像、兩者相互搭配。結果顯示,整合兩者的效果最好,判釋正確性最高可達到 92%,高於單用光學或雷達影像的 90%、80%。

「光學衛星最大的限制就是雲!」雲會遮擋目標、影響判釋,而農作物判釋的取像時機又相當關鍵,取像時有雲就沒輒了;合成孔徑雷達衛星會主動發射微波到地面再接收反射波,可穿透雲層,不受雲覆與日照影響,可補強不同時期影像,取得水稻田從插秧、成長、結穗的時序變化資訊。

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本研究的突破在於,只用了單一分類器全自動判別的條件下,偵測精度大幅提升,更是首度只用一個時間點、單張光學影像就達到了。團隊對此也相當興奮,「可能因為福五當時在 11 月取像,剛好是水稻結穗時,影像特徵與其他作物差異較大。」張家豪解釋。 

推測了面積,可以進一步推估產量嗎?「一公頃稻作能收成 1,000 公斤或 4,000 公斤,有太多因素影響了。」朱子豪說。溫度、溼度、施肥、天災、病蟲害等都會影響收成,此類研究在平遂的情況下可大致估產,尚難達成精確估產。

福衛五號的自然彩色影像,綠色標記為水稻;黃色標記為非水稻。圖/研究團隊提供

掌握物候特徵是判釋關鍵

未來若要擴大範圍,判釋全國水稻田面積,由於各地農民栽種時序、田間管理多變,如何選擇適合的取像時間會是一大挑戰;若要擴展到判釋其他作物,則得視其生長特徵進行更多的分析比對。

張家豪舉例,判別柑橘類的常年果樹、葉菜類極困難,果樹在光學影像上看起永遠是綠色一片,也無足夠的栽種方式差異、生長週期特徵和其他特性可區辨;檳榔、椰子、香蕉從空中看都是放射狀葉片,雖可參考栽種密度與高度,但影像的空間解析度也得提高至 60 公分才能精確判別;蔥、蒜皆屬旱作,需要空間解析度優於 60 公分的影像,搭配如地區性栽種時序、田埂排列鮮明的地表特徵,有機會判釋成功,「但要是田裡混作個青江菜,就分不出來了。」

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梅樹是另個成功案例,它在 12 月下旬會落葉,隔年 2 月開花長葉結果。團隊曾執行判釋南投水里梅樹的研究,標定幾個時間取像,「若有某個區域在十月是綠葉、入冬出現裸露地特徵、然後變得白白的(開花)、四月又出現綠葉,那就很可能是梅樹!」但李子與梅樹的影像呈現類似,生長期也相近,要是沒在生長期重疊前順利取像,就會混淆兩者。

以衛星影像判釋作物不光是直白的「看照片」或分析光譜,掌握作物的「物候特徵」才是關鍵。

科技大觀園_96
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