讓我們「丈量世界」的科技

2013/02/06 |

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丈量世界，道盡許多科學家的心聲。什麼是科學？坐在桌子前面鑽研萬物的道理，運用嚴謹的邏輯推理，這是高斯對洪堡說的，洪堡也以自己對萬物的「好奇心」予以回應，認為唯有踏遍世界上的每一個角落，親眼見到真相，才能明白萬物的道理。兩者都對，也可以說都不對，後來他們相視而笑，原來他們都是在走自己的科學道路，只是用的方法不同罷了。

抱著地球科學在學校打滾了六年，慶幸自己因而能體會兩種不同的科學探索，也曾上山下海的探索地形與地質的樣貌，當然，沒能像洪堡一般能探索未知的文明，但在太魯閣見到的各種變質岩，的確有別於在課堂桌面上冰冷的石頭，親身在船上見過鑽取岩心的過程，才會了解岩心裡頭微小的有孔蟲是多麼千辛萬苦的到顯微鏡底下。而曾經在地震相關單位的工作，眼中看到的地震，只有儀器裡的波形，去計算震央的位置與規模，甚至會憑藉著地表晃動的時間差(有感覺到P波與S波時)，憑空估算地震的方位與深度規模。

進入正題，讓我們真正丈量世界的科技究竟是什麼？不得不讓我提到測量學中的「3S」，包括RS(Remote Sensing，遙感探測)、GPS(Global Positioning System，全球定位系統)、GIS(Geographic Information System，地理資訊系統)。或許大家對GPS一詞可能朗朗上口，現在許多智慧型手機也內建了GPS接收器，可以進行即時定位，也或許很多人也知道，GPS乃是接收天上衛星的訊號。從維基百科也可以查到整個系統分三部分：空間星座(24顆衛星)、地面監控(1個主控站、4個天線站、6個監測站)、再來就是你我手中的接收機或手機等。但是…怎麼靠這些設備做到的呢？讓我們用最「簡單」的方式來談談：

第一，要有「夠準確」的時鐘，每一個GPS衛星上都有一個時鐘，早期用石英，後來曾改為銣原子鐘、氫原子鐘，這也就是為什麼GPS除了定位還能校時。第二，就是要有統一的「坐標系」，每顆衛星在太空裡頭要拿什麼做參考呢？也就是所謂的WGS84，定出了地球的中心、楕球的扁率、長短半徑等資訊。第三，就是衛星不斷的發送訊號，我們的接收器才會收到。最後，就是前面提到的「地面監控」，讓衛星能乖乖的不偏移軌道。

GPS的工作原理簡單來說就是利用4顆以上的衛星即可完成定位(左圖)，太空中的24顆衛星分布幾乎能隨時在世界各地進行定位。自2000年柯林頓時期的政府開放民用的精確度後，一般導航與定位的精度都能在10米以內。雖然今年大學學測的自然科中，就有利用GPS研究311的同震變形觀測到數公尺的地表變形，但我們平常監測地表變形的科學研究，都是在研究公分級的變化，如何利用GPS能做到呢？

其實GPS誤差來源十分「多元」，首先就是衛星其實不會這麼精確的走在既定的理論軌道，因而在衛星軌跡的星曆就依精確度分為預估精密星曆、快速精密星曆與最終精密星曆。另外還有電離層和大氣層的變動也會對精度造成影響，但有趣的是這些造成影響的因素卻可另作科學研究，其它還有週波脫落、多路徑效應等各種不同的參數，好在分別利用長時間的觀測、軌道的修正、多站的差分等特果可以把精度縮的很小，全靠的都是電影裡那般的高等「數學」，但這樣仔細的運算都要花上一段時間處理，適於科學就究，尚無法運用在我們平常的導航上。

遙感探測，最貼近你我生活的就是google 的衛星影像，但這也只是小小的冰山一角，凡是以衛星或空中載具的影像來觀察我們的地球，就是遙感探測。而另外像大家熟知的氣象衛星、搖控的空拍影像、軍用間諜衛星也都是遙感探測，除了能測量陸地，也能測量海洋，譬如水色、溫度變化等等，利用特定的電磁波段(舉凡可見光、紅外光、紫外光、微波等各種波段的影像)，來進行不同目的的測量，這樣說起來全世界最大宗的遙感探測單位莫過於NASA和NOAA(大氣暨海洋總署)了！上面是我最喜歡的一張：earth at night，從太空中看晚上的地球是怎麼樣呢？用這張來看人類活動，是不是比白天更加顯著呢？

最後來談談GIS地理資訊系統，這也是非常貼近你我身旁的科學，雖然有ESRI等大公司出品了許多專業的GIS軟體，但一般人都用的上的，還是google earth，google earth裡頭左下的各種選單，分別代表不同的「資訊」，拜科技所賜，所有的地圖和地理上的任何參考資訊，都可以存在一個資料庫，我們要分析某些資訊時再從資料庫挖出來，是一個把統計與分析結合了地理、地圖學的系統。像是今天你想要搜尋特定種類的店家，軟體能幫你依名稱篩選；甚至連政治也能用GIS！比如選區的畫分與選民的分析，如果把各種不同的政治意向的選民、年齡分布等建立了資料庫，便可以進行分析，以進行有效果的「操作」。如果你要的是今天各地的天氣，還可以透過網路連線載入資料庫，說到這裡，由於網路與雲端技術的發展，未來地理資訊系統一定會變得更豐富而實用。

最後的最後，還是再提一下，直接和電影有關的「科學」。眼尖的觀眾在看影片時，會看到上圖這台機器，其實就是所謂的「經緯儀」，其實它才應該是整部片的重心，在那個年代，要丈量世界沒有這台是不行的！它的基本原理就是利用中間的望眼鏡看目標物，用兩組水平、垂直角度，配上其中的一個已知邊長，就能進行三角測量(下圖)，這個原理與技術一直到現今仍在使用，只是儀器的設計上比較先進且電子化，加上了像是雷射測距、自動計算等功能，無論是在工程規畫、長期監測或是國土測繪，還是會運用這樣的測量技術。或許我們現在看這些事物是理所當然，但是如果欠缺了好奇心，也不會有這些科學存在我們生活周遭。雖然當初念書時，微積分和工數也搞得我快要爆炸，但這些數學，確確實實有它重要之處啊！