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要穿越只需打開一個APP:《歷史地圖散步》帶你走進百年老照片現場

研之有物│中央研究院_96
・2019/08/28 ・4641字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 481 ・五年級

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

採訪編輯|王怡蓁、美術編輯|張語辰

《歷史地圖散步》團隊專訪

「很多讀者拿到書和 APP 的第一步,會先找自己家在哪裡,然後發現自己的家一百年前可能是墓仔埔、或在河道裡面。」中研院的「歷史地圖散步」系列製作團隊,結合耐人尋味的老照片、臺灣百年歷史地圖、與現今的 Google 地圖街景,將整個城市變成故事展覽館。

做這個專案的職業病是,古今地名混用。有時候會在電話中跟別人說:「我下禮拜要去榮町…」

《臺北歷史地圖散步》專案企劃黃冠華,打趣地說。榮町在哪?其實是日治時期臺北最繁榮的區域,古時又稱「臺北銀座」,範圍在現今臺北車站附近的衡陽路、博愛路、寶慶路一帶。

臺北館前路、衡陽路的老照片、與現今 Google 地圖街景對照。
圖片來源│臺北歷史地圖 APP

而場景來到臺中,可看見《臺中歷史地圖散步》主編賴萱珮奔波的身影。「我請家人開車載我到各個老照片地點,搶在不會逆光的時間,拍下一張張當今地景對照、收入書中。」

有了古今照片之後,就換編輯賴國峰等成員大顯身手,將老照片美美地套入 Google 地圖定位。「但有時候 Google 街景就是會跑掉…」這個 bug 成為團隊的頭痛來源。

要怎麼知道這張老照片的地點是在現今 Google 地圖哪個位址呢?有賴中研院人社中心地理資訊科學研究專題中心執行「地圖與遙測影像數位典藏計畫」,累積了各城市大量不同時期的地圖,研究副技師廖泫銘說明。

這群團隊為什麼要那麼大工程,製作「歷史地圖散步」系列圖書與 APP 呢?

地圖尬故事,迸出新滋味

地圖只是媒介,APP 也只是載體,為的是讓這些故事從檔案館走到你身邊。

廖泫銘笑著說:「許多人看不懂地圖,但是搭配手機的 GPS ,手機會告訴使用者你在哪裡、該怎麼走,眼前這個地景曾經發生什麼事。」

「歷史地圖散步」系列的元素分為兩部份:第一部份為中研院數位典藏的臺灣百年歷史地圖,第二部份才是延伸地圖史料、加上故事,做成「歷史地圖散步」系列 APP 與圖書。中研院人社中心的地理資訊科學研究專題中心,在臺灣百年歷史地圖的數位化過程,就花費了十多年功夫。

廖泫銘透露,地理資訊科學研究專題中心典藏了 40 萬餘張歷史地圖。「歷史地圖散步」系列收錄的地圖數量,只是冰山一角,但就已經有說不完的故事。
攝影│張語辰

中研院收藏的歷史地圖,可在地圖數位典藏整合查詢系統供大眾瀏覽,繪製時間從 19 世紀末到現在,地理版圖橫跨東亞,其中以中國大陸及臺灣數量最為豐富。

更難得的是,這 40 萬餘張地圖都是現代化的測繪地圖,用於軍事、工程、地籍等紀錄,有經緯度、講究精準,因此可與現今的 Google 地圖進行古今套疊,了解該區域不同時期的樣貌,不同於傳統類似山水畫、非科學性的古代輿圖。

臺灣百年歷史地圖,包含臺北、臺中、臺南、高雄、基隆、淡水、新北、彰化、嘉義、花蓮、桃園等地的現代化測繪古地圖。
圖片來源│臺灣百年歷史地圖網站

黃冠華表示,他們觀察到許多古地圖與老照片,這兩者的共通點是「地理位置」,因此想把它們結合起來,開發成生活中會使用到的手機 APP,進入大家的生活中,例如國外有 Historypin 網站,透過老照片連結社群和當地歷史 。

這一張張的老照片、地圖就像食材一樣,把它們炒在一起,成為一道道香噴噴的料理。

但團隊在「炒菜」過程發現,若老照片和地圖缺乏解說,使用者會無法理解背後的故事,因此有了出版《臺北歷史地圖散步》、《臺中歷史地圖散步》系列書籍的構想,像是「導覽手冊」,為讀者導覽 APP 裡古今地圖的故事脈絡。

《臺中歷史地圖散步》封面暗藏玄機,翻開書衣會看見女學生穿越回到日治時期的臺中,凸顯古今地圖對照的特色。
圖片來源│中研院數位文化中心

從臺北到臺中的變化

從 2016 年 9 月初《臺北歷史地圖散步》出版,到 2018 年 1 月初發行的《臺中歷史地圖散步》,時間相隔了一年多。

黃冠華表示,兩本書的明顯差異在於文字量變少。他手指掐著《臺北歷史地圖散步》的書背笑說:「我們原本只想做這本三分之一 的厚度,殊不知每位作者提供的文字量都超出預期地豐富!」

至於書籍內容是如何規劃,賴萱珮說明,團隊是先企劃主題,設定方向後再與作者談合作,明確告知撰稿角度為歷史普及,並希望在 2,500 字內完成。「有些長期學術寫作的老師甚至會擔心:從來沒有寫過這麼短的稿子!會不會被覺得不專業……」

《臺北歷史地圖散步》的主題從食衣住行著手,並加入重大事件;而《臺中歷史地圖散步》除了排除與臺北相似的主題,團隊也投入更多臺中在地的歷史研究。

相對於發展歷史悠久的臺北、臺南,臺中較缺乏老照片、古地圖等素材,因為臺中是日治時期依都市計畫建立的現代化城市,發展並不是很久。因而《臺中歷史地圖散步》多將焦點放在戰後時期,戰後的故事比例與《臺北歷史地圖散步》相較起來高出許多,例如美軍基地、特種行業等等。

上方為 1970 年代臺中市街觀光圖,可看到當時美軍常去的酒吧。下方為今日地圖對照。
圖片來源│《臺中歷史地圖散步》

賴國峰補充,臺中歷史地圖 APP 中,約有一半的老照片為戰後時期,但臺南歷史地圖 APP 就有較多戰前的照片,且年代可追溯更早以前。廖泫銘也說明,如果城市發展沒有太大變化,當時的出版社或政府就不需要重新繪製地圖,因此古地圖的張數也反映了城市變化的速度。

在製作《臺中歷史地圖散步》書籍的酒家主題時,團隊意外取得許多「酒家」的照片,其中余立先生提供了他父親余如季當時所攝的許多老照片,意外尋出一條當年父親拜訪拍攝過的酒家路線……

1963 年開業、當年叱吒臺中的白雪大舞廳,至今仍在營業中。
圖片來源│《臺中歷史地圖散步》 原始出處│昔:余如季攝影、余立提供;今:李品寬攝影

團隊蒐集史料的過程也會發現「群聚經濟」的現象,例如某一條街都是百貨、某一區域都是公家單位。「像臺中的中區就很可惜,在 1990 年代商圈移轉後便沒落了,製作書籍的過程也會覺得有點感慨~」賴萱珮回憶起這些地方往日的輝煌。

雖然臺南歷史地圖 APP 已發行,但目前書籍尚未誕生。聽到「臺南」這個地名,團隊直呼:「戒慎恐懼!研究臺南歷史的神人太多了,光是糕餅、蜜餞,可能就有人寫過一本書。」團隊尚在苦惱蒐集選題,準備齊全後,再前進臺南歷史界這個高手齊聚的武林。

缺素材、授權不易、Google 街景難掌控

問及製作過程遇到的考驗,團隊的心路歷程,宛若淘淘江水。
攝影│張語辰

賴國峰說,《臺北歷史地圖散步》原本想將南機場的老照片與故事放進書中,但因素材不足而放棄。賴萱珮也分享她的遺珠之憾:身為臺中人的她,認為豐原區的糕餅業值得書寫,但蒐集資料過程發現,能找到的老照片很少。另外,臺中舊市區(今自由路一帶)的百貨業也十分值得一提,在盛況時期多達十幾間百貨,然而百貨業是私人產業,資料難以尋得,如今也已沒落,在缺乏老照片、研究文獻的困難下只好放棄這個題材。

除了缺乏素材,臺灣公部門資料的授權狀況更是大難題。

「歷史地圖散步」團隊在談素材授權時,會經由兩種途徑:一為私人,另一個是公部門。私人授權會有既定的價錢與流程,處理起來較快速;但公部門的文獻、圖片等資料,散落在不同的博物館與研究機構,除了公文跑流程十分緩慢,廖泫銘也提到,甚至有一個尷尬的狀況是,有些圖或照片根本找不到最原始的版權擁有者。

賴國峰以「歷史地圖散步」團隊與日本合作取材的經驗建議,日本機構會定期檢視所有物的版權,而超過百年的書籍便有機會開放版權給大眾使用,這才讓檔案重新有了靈魂,而不只是冷冰冰地躺在資料櫃。例如,團隊向日本國會圖書館申請許多臺灣日治時期的照片素材,無需到日本,只要透過線上申請即可。

製作「歷史地圖散步」 系列 APP 也有一些困境待解決,由於 APP 使用 Google 街景作為背景,讓古地圖與老照片在上面套疊,以便讀者理解古今的對照。然而,賴國峰冒汗說,Google 街景定位不是每公尺都拍攝,導致有些老照片無法精準地放於現今的建物上。另外,Google 街景版本的改變、更新的速度、還有手機版型的差異,都會導致 APP 的體驗品質有所落差。

現在的臺中歷史地圖 APP 是先放入 150 張老照片地點,賴國峰提到,未來還可以持續加入新的素材,就像 Pokémon GO 遊戲更新,一直把新的怪獸放進地圖中,讓「歷史地圖散步」系列 APP 持續充滿生命力。

但通常使用者打開「歷史地圖散步」系列 APP ,第一件做的事情是什麼?

尋找一百年前自己的家

很多讀者拿到書和 APP 的第一步,會先找自己家在哪裡,然後發現自己的家一百年前可能是墓仔埔、或在河道裡面。

黃冠華提到,由於下載「歷史地圖散步」系列 APP 不需要付費,有些社區大學導覽課程的老師會請學生下載 APP 來進行教學。賴國峰也補充,過往在書展展示的經驗,有些長輩下載了 APP 後很開心,因為裡面的老照片、歷史地圖,都是他們的回憶。

談到書的銷量,團隊謙虛地表示,《臺北歷史地圖散步》進入第四刷,應該算是賣得不錯。由於「歷史地圖散步」系列的前置工程浩大,目的不可能是獲利,獲利僅是達到「推廣歷史故事」這個目標的方式。

我們的目標是推動文史工作,讓產業界看見圖文書發展的可能性。

由於東販出版的書籍多為漫畫、輕小說,在刻板印象中,東販這類書籍不太出現在中研院的學術館藏中,而《歷史地圖散步》系列書籍是中研院與東販出版的開創性合作。借助東販的出版專業,經營中研院不擅長的鋪貨銷售,讓中研院的地圖典藏、文史檔案,得以透過圖文書的形式,現身在全臺書店及線上販售,這是公部門在推廣與營銷上的改變。

「算是走出象牙塔,做出更接地氣的嘗試,」團隊說明,「我們將歷史洪流中典藏在檔案館、博物館、圖書館的圖像資料,放回現代人的生活中,並且標上時間、空間(GPS 位置)與故事,讓整個城市都是歷史文化的展覽館!」

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為一百年前你家的模樣?臺北、臺中歷史地圖散步,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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讓你一看就懂的無人機原理!——《世界第一簡單無人機》
世茂出版_96
・2022/03/23 ・2311字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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為什麼無人機飛得起來?

不管是載人的直升機,還是無人機,飛起來的原因都相同。轉子可帶動螺旋槳旋轉,使螺旋槳上下的氣壓產生差異。當螺旋槳上方的氣壓比下方的氣壓低,就會有一股拉力將螺旋槳往上拉(升力,將物體垂直向上拉升的力量),如此一來便能讓機體上升。

再來,同時使用多個螺旋槳,並分別調整各螺旋槳的轉速,就可以讓無人機自由上升 / 下降、前進 / 後退、左 / 右移動。事實上,仔細觀察飛行中的無人機螺旋槳,會發現相鄰的螺旋槳旋轉方向剛好相反。

想讓無人機前進時,會讓機體前方下傾。左右移動時也一樣,會讓前進方向的機體部份下傾。只要讓其中一側的螺旋槳轉速下降,就可以讓那一側的機體下傾,往那個方向移動。如果要讓四軸無人機旋轉,則需讓其中一條對角線上的螺旋槳轉速降低。

無人機的運動機制

無人機需靠轉子(馬達)轉動螺旋槳才能移動。大疆 Phantom 系列的多軸無人機所搭載的馬達,是所謂的無刷馬達(brushless motor)。

大疆「精靈4」民用無人機。圖/維基百科

無刷馬達顧名思義,就是沒有電刷的馬達。相對的,學校自然科課程中提到的電刷馬達則是需要讓電刷與整流子持續摩擦旋轉,使用時會逐漸磨損。無刷馬達則是透過特殊電路驅動其旋轉,可以減輕維護的負擔。而且,無刷馬達可以透過名為 Hall IC 的磁場感應器持續監測馬達狀態,故可穩定控制其速度,當發生馬達負荷過重、線路接觸不良、斷線等異常狀況,可以馬上停止馬達運作,並發出警告訊號,以提高無人機的安全性。其他還有速度可控範圍廣、均勻扭矩(flat torque)、高功率等優點。

另外,將訊號送至轉子的零件叫做 ESC(Electric Speed Controller)。也可以說,ESC 就是控制轉子旋轉速度的零件。原則上,無人機搭載的 ESC 數量會與轉子數量相同。

ESC 的輸出端有三條電線,電流可控制轉子的旋轉。隨著轉子位置的不同,ESC 會輸出不同方向、不同大小的電流,使轉子能夠持續旋轉。也就是說,無刷馬達中的 ESC,扮演著一般馬達中整流子及電刷的角色。

相對的,ESC 的輸入端也有三條電線,分別是連接到電源正負極的電源線,以及從 FC(Flight Controller)接收訊號的訊號線。其中,FC 會蒐集來自陀螺儀感應器、加速度感應器、氣壓感應器、超音波感應器、磁場方位感應器、GPS 等裝置的資訊,以控制機體的行動。

A generic ESC module rated at 35 amperes with an integrated eliminator circuit。圖/維基百科

無人機的感應器

  • 陀螺儀感應器與加速度感應器

陀螺儀感應器可以計算機體傾斜的角度,是穩定機體時不可或缺的感應器。相對的,與陀螺儀感應器十分相似的加速度感應器,則用於檢測速度。陀螺儀感應器與加速度感應器的組合,可以同時計算「傾斜狀況」與「速度」兩者的變化量,並控制機體往傾斜方向的反方向拉回,保持機體平衡,懸停於空中。簡單來說,陀螺儀感應器與加速度感應器就是能夠保持無人機姿態平衡的重點感應器。

  • 氣壓感應器與超音波感應器

高度越高時,氣壓感應器會測到越低的氣壓,故無人機可參考氣壓數字,以維持在特定高度。不過畢竟這只能用來偵測氣壓,要是遇到陣風或其他原因造成的氣壓變化,就有可能會失去功能。

超音波感應器可以利用超音波的回聲來感應自身高度。在無人機起飛或降落時,如果位於地表附近的無人機沒辦法透過氣壓感應器蒐集到足夠的高度資訊,就會用到超音波感應器。在高空使用氣壓感應器,在地表附近使用超音波感應器,兩種感應器的組合搭配,便可讓無人機在每個高度區間都能維持一定高度。

  • 磁場方位感應器與 IMU

磁場方位感應器有時也直接稱做羅盤,可感應地球的磁場(地磁),藉此瞭解無人機目前朝向東西南北哪個方向。不過,地磁的北邊(磁北)與地圖的北邊有一定差異,即磁偏角。而且隨著時間與地點的不同,磁偏角也不大一樣。舉例來說,札幌的磁北比地圖北邊往西偏了 9°,那霸卻只偏了 5°(參考自日本國土地理院網站)。因此,若換一個地方飛無人機,就需進行「羅盤校正」,重新確認磁場感應器所指示的北方,與實際北方間的差異。

  • IMU

GPS 是全球衛星導航系統(GNSS:Global Navigation Satellite System)的一種,是美國的衛星系統。就像汽車的導航系統與智慧型手機的位置資訊服務一樣,無人機可接收 GPS 的電波,藉此判斷自身所在位置,並設定好飛行路線的經緯度自動飛行,或是可以懸停在某個固定位置。這就是所謂的「衛星定位系統」,用於戶外飛行的無人機多會裝設相關的電波收訊器。不過,就像汽車在進入隧道後,導航系統會失效一樣,無人機使用 GPS 時也有可能會突然收不到訊號。因此,為了維持無人機的安全飛航,操控者需隨時注意 GPS 電波的接收狀況。

另外,包括 Phantom 在內的某些多軸無人機,不僅會接收 GPS 訊號,也會同時接收俄羅斯衛星系統 GLONASS 的訊號,偵測機體本身的位置。

這些控制機體姿態的感應器通稱為 IMU(慣性測量單元:Inertial Measurement Unit)。

當出現「IMU 錯誤訊息」「機體不穩定」「羅盤方向不對」「穩定器傾斜」等狀況,就需進行「IMU 校正」。請養成攝影前以及在他處飛行前,一定要進行 IMU 校正的習慣。

——本文摘自《世界第一簡單無人機》,2021 年 9 月,世茂出版
世茂出版_96
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旗下有三家出版公司,分別是世茂出版有限公司、世潮出版有限公司及智富出版有限公司。出版品以養生保健、銷售管理、親子幼教、簡易圖解科學、芳香精油、寵物教養、心理勵志、NLP等類為主。

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大資訊時代也是大駭客時代!——你該認識的駭客新興手法
科技大觀園_96
・2022/01/21 ・2496字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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正在瀏覽這篇文章的你,很可能正被看不見的腥風血雨所籠罩——這不是危言聳聽,因為第三次世界大戰的戰場,極有可能就發生在網路上。網路與數位化的浪潮勢不可擋,面對資安環境高速變遷帶來的新興風險,我們又該如何自保防身?來聽聽資安專家——中山大學資訊管理系陳嘉玫教授怎麽說!

方便與安全,兩者不可兼得也

註冊或登入會員、設定和輸入密碼、提供各種個資如網頁瀏覽記錄,來換取和生活大小事離不了關係的線上服務,已經是數位原住民的日常。而在高度依賴網路、講求高效率的今日,我們都希望電腦軟體和手機 APP 的使用能越方便越好,但一味追求便捷,卻可能讓自己露出資安破綻,叫不法分子有機可乘。

陳嘉玫
陳嘉玫教授。圖/中山大學管理學系

「越安全的東西,越不方便使用。」陳嘉玫教授指出,安全與方便自古兩難全,如何找到兩者之間的平衡就是關鍵。

資工系出身、喜歡寫程式的陳教授,曾在美國花旗銀行全球資訊網路研究總部擔任要職。該企業内部一切開發需求重視安全遠勝於方便的嚴謹文化,成為她日後投身資安領域的契機。

客制化誘餌與駭客聯盟,讓威脅更升級

科技的進步,也見證駭客攻擊手法的進化錄。研究網路安全多年的陳教授指出,每個時期的使用者都有不同的使用習慣,從早期的電子郵件,到現在的臉書和 Line 群組,都是心懷不軌者潛伏之處。他們長期觀察和收集目標攻擊對象相關資訊、和刺探目標網路,利用人性的弱點,客製化各種引人上鈎的「誘餌」,來獲得他們想要的機密資訊。這就是網路犯罪最常見的社交工程(Social engineering)攻擊和釣魚式攻擊。

社交軟體
駭客會利用社交軟體散播許多客製化的釣魚攻擊。圖/pixabay

過去駭客都單打獨鬥,但現在也出現分工明確、系統化的「駭客聯盟」。目前的攻擊趨勢,也演變成更危險的進階持續性威脅攻擊(Advanced Persistent Threats,簡稱 APT)。APT 是針對一個特定組織,長期滲透、客製化且多階段的網路攻擊。為了全方面瞭解目標攻擊對象、擬定有效戰略,駭客除了進行技術面的研究,會對目標組織做身家調查,包括員工名單、財務狀況、社交活動、社群網路留言。APT 棘手之處在於,如果一個戰術行不通,駭客會持之以恆,不斷嘗試直到找出破口。

「韓國黑暗日」(Dark Korea),就是著名的 APT 攻擊事件之一。這場韓國史上最大駭客攻擊,推論是由北韓主導,至少歷經八個月的精心策劃。駭客偷渡惡意程式到多家電視媒體與金融服務的電腦與伺服器,進行破壞性攻擊,造成各項服務停擺多日,韓國將這次攻擊視為國家級的戰爭行為。

如今「資訊即權力」當道,國家勢力著手培養駭客已不是新聞,不少國家也紛紛成立不需要一槍一彈的「第四軍種」——資通電軍 (俗稱網軍)。比起傳統軍武,發起資訊戰,無需花費一槍一彈,卻對社會經濟產業造成極大的衝擊。

資通電軍
許多國家成立資通電軍來發起或是抵禦資訊戰。圖/pixabay

零時差漏洞,得之可得天下?

提到駭客攻擊,就不得不談談號稱可一秒癱瘓世界的零時差漏洞(zero-day vulnerability)。零時差漏洞是可謂資安界最害怕的威脅,是指當漏洞被發現,而軟體開發商尚未發布修補程式 (patch) 之前,在這段時間,任何使用該軟體的主機,都有此安全漏洞,都有可能遭受駭客攻擊。

不過,要取得零時差漏洞也非易事。陳教授以武俠小説作比喻,零時差漏洞就像壓箱底的最後法寶,除非遇到最難纏的對手,否則駭客也不會輕易使出這一殺手鐧。這些高利用價值的漏洞,在黑市可是千金難換。一個小小的零時差漏可能掌握著一國民生基礎架構的命脈,是要挾國安的重要籌碼,可得也可毀滅天下。

為了避免讓自身弱點落入他人手中,很多公司重金懸賞發現該公司產品的安全漏洞的駭客。而就像江湖上同時存在邪道與正派,除了進行不法勾當、謀取利益的黑帽(Black Hat)駭客,也有著用意良善的白帽(White Hat)駭客。這個典故源自美國西部電影中,正派戴著白帽,而反派往往著黑帽的形象。

白帽駭客維護精益求精的駭客文化,以「提升安全性」為目的,挖掘程式漏洞,提供開發商漏洞資訊,以改善該系統的安全性,稱得上是駭客武林中的俠義心腸的一群。

駭客
駭客也可以區分為以不法途徑牟取利益的黑帽駭客,與幫助開發商提升安全性的白帽駭客。

守護資安,人人有責

雖然武俠故事的鎂光燈往往都聚焦在少數幾個武林高手身上,但江湖其實更大部分是由你我這樣平凡老百姓組成。陳教授坦言,很多人誤以為資安都是 IT(Information Technology)或 MI((Manager Information System)部門的責任,但守護資安,應是所有使用者的責任。

「資安其實就是攻與防。知己知彼,才能百戰百勝。」

陳教授一再強調,要打造良好的資安環境,從小教育年輕一代正確使用手機、電腦等電子設備的資安知識,才是最有效的方式。根據調查,管理層級的主管越重視資安,透過資安教育訓練和宣導提高員工資安意識,才能在組織中形塑健全的資安文化。

除了管理好個人資訊和帳號密碼外,在上網時多存一份疑問,才能在第一時間發現不對勁、主動通報,越資訊化的時代,我們也越沒有隱私,駭客攻擊防不勝防。因此在江湖上行走時,常常更新資安資訊,隨時保持警惕,是避免遭受攻擊的不二法門。

參考資料

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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?
科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

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科技大觀園_96
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