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福衛五號光學酬載MIT 為地球拍寫真集

劉珈均
・2015/05/25 ・4293字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

9.光學遙測酬載與福衛五號結合
福衛五號樣貌,上方「金光閃閃」的部分為光學遙測酬載,即台灣自力研發之處。科學酬載「先進電離層探測儀」安裝在遙測酬載旁邊,蒐集電漿不規則體的擾動變化;下方為衛星本體。圖/太空中心提供。

福衛五號預計明年第一季委由Space X的鷹隼9號火箭(Falcon 9)發射至太陽同步軌道,從離地720公里高空拍攝地球。福衛五為台灣首度自主研發光學儀器酬載,也發展出全球第一顆應用於太空遙測的線型CMOS影像感測器,從設計至完成歷時五年,規格與福衛二號相近,預備日後接棒福衛二的任務。

福衛五號耗資36.64億(其中約20億為火箭發射成本),設計與福衛二號相差不遠,主要差別在於彩色影像的解析度由八公尺提高為四公尺,黑白影像解析度維持兩公尺;福衛二每日再訪同一地點(每天早上10點5分與晚上九點半行經台灣上空),福衛五周期為每兩日再訪,每隔一天早上10點20分經過台灣上空;赤道附近是福衛二拍攝死角,福衛五拍攝範圍則能涵蓋全球。

福衛二號原定執行任務五年,自2004年發射上空,拍下許多影像應用於救難與災害評估、科學研究、追蹤地貌變化等。它也曾執行特殊任務,2006年馬爾他籍吉尼號貨輪行經蘇澳港南端,船艙破裂而漏油上百噸,國家太空中心緊急排程取像,順利於當日拍攝台灣東岸影像,取得實際證據,也創下台灣第一次海域污染求償成功案例;日本小行星探測器隼鳥號著陸澳洲時也曾委託福衛二作為備用方案,若隼鳥號訊號失靈就拍攝協尋。

福衛五號設計

福衛五號的光學遙測酬載像是給衛星用的超大型數位相機,主要由負責集光、成像在感測器的「遙測取像儀」、感測不同波段影像的「聚焦面組合件」與負責影像擷取、壓縮、儲存的「電子單元」組成。

酬載說明
福衛五號酬載示意圖。地表反射的太陽光進入望遠鏡頭,依序被主鏡和次鏡反射後穿過修正透鏡,聚焦成像於影像感測器上,再轉換成數位電子訊號。圖/太空中心提供
7.光學遙測酬載完成多層絕熱膜包覆
實際的福衛五號光學遙測酬載外觀,為了讓衛星在太空中正負200℃的極端溫差中運作五年,酬載外部的「金縷衣」是多層絕熱膜,酬載內有51顆溫度感測器與39片加熱片,調控在恆溫18~22℃。圖/太空中心提供

「遙測取像儀」是太空級望遠鏡頭,採用折反射式的卡賽格林式望遠鏡(Cassegrain telescope)。光學設計與校準是相當重要的一環,主鏡直徑45公分、光學系統焦長3.6公尺,是國內製造最大型的非球面鏡片。固定主鏡的方式讓團隊卡關半年,「我們要固定好鏡面,但是加諸在鏡面的力量,不管是黏膠或鎖螺絲都會導致鏡面變形!」太空中心系統工程組正工程師黃柏瑄說。團隊改了六次製程,研發特殊膠合技術才克服,使其能承受火箭發射時最大值為25G的加速度,變形量從2微米、1微米、0.1微米降到小於10奈米,並確認各種應力不會影響鏡面。

地球重力會將次鏡往下拉20至30微米(大約頭髮直徑的三分之一),但太空微重力會讓鏡面「反彈」回去,因此地球上最佳成像的點不會是太空中成像的最佳點。負責光學設計、儀器科技研究中心遙測光電儀器發展組組長黃鼎名說,地球上的天文台會在望遠鏡後方添加設備校正重力造成的相差,衛星若要如法炮製就得加裝感測器和制動器,「這樣太耗電了,衛星的電力主要用來儲存資料和傳資料。」團隊把儀器又正立又倒吊的量測,解讀干涉條紋,一次量測要耗去半天,反覆試了30次才找到太空中最佳成像點。

4.遙測取像儀的主次鏡進行干涉儀量測作業
遙測取像儀的主次鏡進行干涉儀量測作業。圖/太空中心提供

校準之後,主鏡與次鏡相距一公尺,距離與設計值誤差只有0.0007毫米,約一跟頭髮直徑的十分之一,而角度偏差為0.00096度,「相當於從台北看墾丁一間透天厝的視角!」黃柏瑄說。

「聚焦面組合件」的核心是CMOS影像感測器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互補式金屬氧化物半導體),可感測五個不同光波段的影像。傳統太空遙測常用的CCD(Charge-couple Device,電荷耦合元件)感測器技術完全掌握在外國手上,採購單價高,也有輸出許可限制,太空中心表示,採用CMOS是考量台灣半導體優勢的策略,CMOS具有成本低、省電、訊號傳輸快速的優點,缺點則是雜訊較高;「電子單元」負責擷取拍攝的數位影像,將影像壓縮、儲存、加密之後以X波段通訊系統傳至地面接收站。

10.全球第一顆應用於太空對地遙測的線型CMOS影像感測器-長12公分寬2.4公分
全球第一顆應用於遙測的線型CMOS影像感測器,長寬分別為12公分與2.4公分,含有5條12公分長的線型感測器列,搭配多光譜濾光片可同時感測5個不同波段的影像。圖/太空中心提供

太空計畫幕後

許多國家會限制出口衛星科技的關鍵零組件,福衛二就曾歷經波折,原本交由德商製造,但德國政府管制技術,不願意核發輸出許可,後改由法商研製。太空中心主任張桂祥說,加上台灣政治情勢特殊,更難以取得,自製則能掌握技術。

福衛五原定要向加拿大購買太空望遠鏡頭而未成,於是2006台灣計劃自製兩個衛星酬載,第一顆找外商合作當顧問,一起研製,第二顆再全部自己來,招標時卻沒人投標。直至2008,決定兩顆衛星酬載都自己作。太空中心負責結構、熱控與系統整合,儀科中心負責光學設計與鏡片拋光、鍍膜,中山科學研究院則負責電子單元。

黃柏瑄說,最困難的是「國內沒經驗,國外不會跟你說。」國外已經累積了好幾代程序書,但台灣研發人員得重頭開始摸出所有瑣碎細節,「細節細到像一片玻璃要經過幾道清潔、幾次塗抹、表面改質等等。」黃柏瑄說。他們曾遍訪國內研究光學的教授,「結果教授都說,你們就是這方面的專家了。」太空中心過去曾派駐人員到法國學習福衛二光學遙測酬載研發,「但敏感的東西他們不會讓你接觸,就只能盡量跟他們聊天、蒐集文件上的隻字片語,看他們用什麼材料以及如何組裝測試。」

他說,最麻煩的該屬制定規格,規格從2007到2010花了三年才定案,而後才提案、正式成立團隊研製福衛五。規格制定以影像解析度為出發點,進而討論飛行高度、口徑大小、焦距長度等等,團隊也必須事先知道發射火箭的款式,才知道要承受幾G的加速度。

黃鼎名說,不同的軌道和感測器而要求同樣解析度的話,就得改變焦距,「焦距一改變,設計及後續的分析、跑模擬得全部重來。」光學設計就將近20個版本,「這是帶有研發性質的衛星計劃,但衛星又要求高可靠度,實在有點矛盾。」不同於常態的太空任務會知道要使用什麼感測器與材料再據此設計,當年感測器也尚未簽約,「當時什麼都不確定!」

儀器要忍受發射時的震動與太空極端環境,因此必須事先經過光學、震動、電磁干擾、熱真空艙等一系列測試。成像品質量測必須在半夜12點進行,因為測試儀器對震動非常敏感,午夜較少人車干擾。黃柏瑄回憶,有次不知為何測試結果很差,成員騎車出外晃一圈,原來是交大附近正在施工、打地樁,「相距至少兩公里,我們都聽不到聲音,但儀器感覺得到!」

目前福衛五號正在進行熱真空測試,溫度在高低溫之間循環,測試所有元件的運作情形,研究人員必須24小時不停歇的輪班測試,為期約一個月。「這是工程師最爆肝的時候。」黃鼎名說。

過去台灣全無經驗,一開始團隊就以福衛二的酬載為研發目標,「雖然沒有超越,但證明了我們自己掌握的技術可以到這裡。」

6.遙測取像儀完成熱真空測試後工作人員進行開艙後檢查作業
遙測取像儀完成熱真空測試後,工作人員進行開艙後檢查作業。圖/太空中心提供

研發故事外傳:半導體製程突破

常說太空科研是火車頭產業,自主研發福衛五光學鏡頭的過程中,有兩項技術被導入半導體製程而帶來突破與改良:在半導體製程中對覆上液態光阻的晶圓曝光、以便後續蝕刻的機器「曝光機」,以及「自動化光學檢測系統(Automatic Optical Inspection, AOI)」。

半導體高階設備仰賴進口,一台高級的曝光機要價新台幣十億以上。儀科中心曝光機開發小組專案經理曾釋鋒說,因研發福衛五而開發了大口徑鏡頭的製作系統與機台,延伸用於曝光機鏡頭模組的設計開發;生產線上的晶片快速跑過,AOI則快狠準的把瑕疵品抓出來,儀科中心先進光學組組長黃吉宏說,AOI要有良好的光學鏡頭、好的光源、讓待測物精準移動的平台,以及分析軟體。他生動地描述:「想像一下衛星在高空高速運轉的同時還要拍地球,相同的道理,把尺度縮小就是AOI在掃描晶片!」導入太空級光學技術讓AOI的掃描精度與速度精進不少。

福衛二與福衛五小檔案

衛星 福衛二號 福衛五號
軌道 離地面891公里,繞地一周約103分鐘。 離地面720公里,繞地一周約99分鐘。
再訪周期 同地點每日再訪一次,每天通過台灣正上空兩次。 同地點每兩日訪一次。
形狀 六角柱形,高2.4公尺,外徑約1.6公尺。 八角柱形,高2.8公尺,外徑約1.6公尺。
重量 760公斤 555公斤
解析度 黑白影像2公尺,彩色影像8公尺 。 黑白影像2公尺,彩色影像4公尺 。
設計任務壽命 五年 五年

註:解析度4公尺的意思是,在遙測影像中,一個數位影像的畫素對應地表上4公尺x 4公尺大小的面積。

福爾摩沙衛星們

衛星 衛星種類 任務 升空時間
福衛一號 科學衛星 蒐集海洋水色資料、測量電離層電漿電動效應、測試超高頻率通訊。 1999升空,2004結束任務。
福衛二號 遙測衛星 拍攝地面影像、拍攝高空向上閃電。 2004,預定任務壽命五年,但至今仍運轉中。
福衛三號 氣象衛星 6顆微衛星組成涵蓋全球的星系,接收美國24顆GPS衛星的訊號,搜集大氣及電離層資料。 2006年發射,預定任務壽命兩年,至今剩5顆衛星運轉中。
福衛四號 計劃終止
福衛五號 遙測衛星 拍攝地面影像、蒐集電離層電漿擾動資訊。 預計2016第一季發射。
福衛六號 計劃終止
福衛七號 氣象衛星 福衛三的後續計劃,有高低兩個傾角的軌道,各有6顆微衛星構成星系,搜集大氣資料。 預計2016第三季、2018分批發射。

表格整理/劉珈均,資料來源/國家太空中心

 

訪問外的參考資料

  • 胡妙芬、阮光民編繪,《來自第8蟲洞的訪客》,2014,國家實驗研究院國家太空中心。
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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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烘焙東西軍,有添加麵包 vs. 無添加麵包,今天想吃哪一道?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/09/20 ・2178字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 家樂福食物轉型計畫 委託,泛科學企劃執行。

  • 文 / 陳彥諺

《烘焙東西軍》熱映開播啦!這一集真的很「熱」,因為節目邀請到了兩位烘焙達人來到現場熱烘烘的烤!麵!包!

第一位華麗登場的,是有著亮麗小鬍子、動作咻咻咻超有效率的「有添加師傅」,另外一位古意老實、動作慢條斯理的,則是近年來越來越被看重的「無添加師傅」——這是一場「有添加」與「無添加」的世紀大對決!

《烘焙東西軍》這次邀請了「有添加師傅」和「無添加師傅」來烤麵包。圖/家樂福提供

「有添加」與「無添加」的世紀大對決

外表亮麗的有添加師傅,其實早已憑著「三好」稱霸市場多年。所謂的三好,是好快、好吃、好美!為何會這麼說呢?

食品添加物存在於食品中許久,早期因為食物加工技術不夠精良,為了食品安全無虞,便添加可以讓食物安定的添加物,延長保存期限。又因為食品添加物可以改變食品的外觀、口感、縮短製作時程等,因此,長期以來受到業者及消費者的偏愛。

有添加師傅憑著「好快、好吃、好美」稱霸市場多年。圖/家樂福提供

不過,近來由於食安事件頻繁,食品添加物早已偏離了原先讓食物安全的初衷,在追求好吃、好快、好美的背後,卻可能造成身體上的負擔與健康風險!製造過程是否安全合理?乾淨衛生?也是打了許多問號。

再加上現在因健康養生的意識抬頭,消費者們越來越注重吃下肚子的食物成份,開始努力追求簡單無添加。也因為隨著食品加工技術越來越棒,能夠透過改善製程,有效減少添加物的必要性。終於,在消費者意識抬頭、技術成熟等各方條件皆備下,古意老實、耗費工時的無添加師傅,多年以後,開始受到矚目啦!

在這場世紀對決中,有添加師傅在民眾都還來不及反應時,就已經做好了熱騰騰的麵包,每一個麵包都飽滿好看、香氣濃郁,簡直是施了魔法一樣!但見到這麼多食品化工添加物做出來的麵包,難道就不能有更健康的材料選擇或做法嗎?

反觀無添加師傅,他按部就班的從麵粉開始精心挑選,接著再逐一加入可以溯源的材料,接下來,順應麵包的特性自然發酵。即使有添加師傅已經端出熱騰騰的麵包了,無添加師傅仍然不為所動,他循序漸進,寧可耗時製作,堅持做自己的無添加麵包。

無添加師傅之所以堅持,那是因為他秉持著麵包不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統法國工法,做出來的麵包也可以照樣香氣四溢、美味好吃,更重要的是每一口都吃的健康又安心!

無添加師傅堅持不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統工法。圖/家樂福提供

當兩位師傅的麵包端上評審桌⋯⋯

有添加師傅的麵包外表金黃澎潤漂亮,無添加師傅的則是外表非常質樸。

不過,當評審們吃下麵包後,外表質樸的無添加師傅,竟然擄獲了評審們的心!

怎麼辦到的呢?這是因為花了較多時間製作的無添加麵包,保濕度較佳,口感也較有層次。當評審一口接著一口品嚐,會發現吃的都是食物的鮮甜原味—無添加麵包是名為「裸麵包」的寶藏男孩啊!他不同於外表上看起來質樸敦厚,只要用心切開,裏頭包裹著滿滿新鮮在地的果乾和堅果,是誠心誠意的美味。

烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是怎麼來的?

堪稱烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是來自於家樂福自製的烘焙產品。長期關注食物真實性與為顧客把關健康的家樂福,2014 年就開始著手了「無添加驗證計畫」,也在 2019 年取得了「A.A. 無添加驗證標章」,更透過第三方專業機構親赴產線檢驗、不定期抽查等層層審核程序,取得了嚴謹認可。

要打造寶藏男孩般的「裸麵包」,並不是容易的事。許多標榜安心安全的麵包,都只能做到製程及配料上的無添加;而追求極致的家樂福,自製白吐司則從特製 100% 的無添加麵粉開始,掌握源頭,做最純淨、最真實且赤裸的麵包。

這是一款依循歐盟規範,取得 A.A. 無添加標章,第三方驗證後可信賴的麵包。

這是關注在地的暖心麵包,嚴選在地好食材、講求動物福利,選用當季水果、非籠飼雞蛋、透明鮮奶、以安佳奶油取代人造奶油⋯⋯。

這是減塑又減廢,以醜蔬果製作配料,減少食材浪費,更導入環保包材,友善環境的麵包。

烘焙東西軍「有添加師傅」與「無添加師傅」的對決,我們看到了,天公疼憨人,穩扎穩打、工法較繁複的無添加製程,受到消費者的青睞——這一場對決,由純粹、誠實、充滿善意的裸麵包,「無添加師傅」獲勝。

【家樂福食物轉型計畫】烘焙東西軍「有添加麵包」v.s.「無添加麵包」的世紀對決,今天你選哪一邊?影/YouTube
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精準預測氣象的「掩星技術」,讓你知道颱風放不放假!
科技大觀園_96
・2021/11/16 ・2380字 ・閱讀時間約 4 分鐘

新颱風生成後,大家最關心的就是颱風的路徑、帶來的風雨大不大,以及——到底放不放颱風假?要能預測和評估颱風的走向影響,可靠的氣象觀測資料是不可或缺的。這就不得不提,在我們頭頂上認真執行觀測任務的人造衛星,以及它們身懷測知氣象變化的絕技!

每次颱風來襲,大家都關心會不會放颱風假。圖/pixabay

貢獻全球氣象資料,福爾摩沙衛星功不可沒

過去福爾摩沙衛星三號(福三)執勤十年,為全世界多個氣象中心與研究單位提供無以計數的資料,可謂台灣在國際氣象上的外交大使,於減少天氣預報誤差的貢獻度上,更曾被評為全球前五。福三榮退後,接棒的福爾摩沙衛星七號(福七)也在今年二月完成任務軌道的全部部署。福三和福七都不只有一枚衛星,而是由各 6 枚衛星組成的衛星星系(constellation)。每一枚衛星就像在不同位置巡守、收集氣象情報並互相通報的將士,使得觀測範圍可以覆蓋地球各個區域,提供即時而完整的三維觀測數據。

福衛七號結構示意圖。圖/國家太空中心

但福七與行經南北極的「繞極衛星」福三不同的是,它在南北緯 50 度間軌道繞行,主攻台灣、赤道與中低緯度颱風盛行區的觀測。因此福七可以提供密集度更高、更多的溫度、壓力、水氣等氣象資料。國家太空中心推估,它可提升氣象預報準度 10% ——以颱風為例,可以讓 72 小時的路徑誤差改善 10%,協助我們更精準地評估氣象變化與預防災害。

每日可提供 4000 點大氣垂直剖線資料、大幅提升全球氣象預報準確度的福七,究竟是怎麽辦到的?答案就是掩星技術 (Radio Occultation) 。

掩星技術,讓衛星成為太空中最精準的溫度計!

在天文學上,「掩星」指的是一個天體,在另一個天體與觀測者之間通過,產生的遮蔽現象。但英文中的「Occultation」,也可以指前景中的物體,阻擋遮蔽背景中任何物體的情形。而所謂的「掩星技術」,就是利用電磁波訊號在經過大氣層時,會因穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層,被「遮蔽」而產生轉向、變慢、減弱等的特性,來反演出地球上空之溫度、氣壓和濕度。

衛星與衛星之間,本來因為地球的阻隔看不到彼此,但可以接受來自彼此的電磁波訊號。福七的主要酬載儀器——全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」(TGRS),可以接受美國全球定位系統(GPS) 和俄羅斯全球導航衛星系統(GLONASS)全球定位衛星通過大氣與電離層的折射訊號。接著,通過計算電波訊號的偏折程度,就可以反演出大氣與電離層中的溫度、水氣、壓力、電子密度等數據。

掩星技術在 1995 年才開始投入應用,而從 2006 年的福三,到如今福七計劃中積累的研究經驗,使台灣成為這項新穎技術領域的佼佼者。掩星技術所得到的資料具備高準確度和解析度,也擁有不需要大量接收訊號的衛星,就可以得到大範圍數據、降低成本的優勢,不僅可以用作氣象預報,更能幫助我們監控和增進對氣候變遷的瞭解。

衛星加上同位素的助攻,可以使天氣預報更精準

另一方面,除了改善觀測一般氣象資料如溫度、濕度、大氣壓力等參數的準確度,在氣象觀測中新增測定不一樣的參數——如大氣水分子的同位素,也可以讓我們的天氣預報更精準!

過去礙於資料的取得有限,同位素分析在氣象觀測與預報中常被忽略。但近年來人造衛星技術的發展,為氣象科學推開新的一扇窗。來自歐洲太空總署、搭載光譜分析儀的衛星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer ),讓東京大學的研究團隊,可以利用其所搜集到的大氣水氣資訊,在氣象預報的模型中,第一次嘗試納入同位素資訊的考量來做分析。

我們都知道,擁有相同質子數、不同中子數的氫與氧元素之同位素,會讓個別水分子的重量變得更重或輕一些。水分子同位素對氣相和液相轉換相當敏感,與一般的水分子 H2O 相比,較重的水分子如 H2HO 或H218O 會更傾向於凝結成水珠,或更難蒸發。因此蒸發與降雨過程等大氣運動,便會影響不同同位素水氣分子的分佈。追蹤它們的行跡,能增進我們對氣象系統的瞭解。

研究團隊以 2013 年在日本發生的低壓事件作為參照,發現納入同位素的數據之後,氣象模型能更好地模擬這次事件的整體氣壓情形。而在全球的尺度,尤其是中緯度及北半球地區,融合同位素資訊後,氣象預報如氣溫及濕度預測的準確度,也都有所提高。雖然這只是初步的探究,但科學家期許,未來進一步完善氣象觀測衛星對同位素資料的收集,能使人類更往精準氣象預測的目標邁進。

人造衛星就像是科學家的千里眼,能觀測千里之外的風雲變化。發展衛星技術,不僅能讓我們更精準預測氣象,在全球化的現代,也能在國際上發揮「Taiwan Can Help」及互助的精神;各國對航太技術的投入與數據資源共享,更是科研工作與人類社會的一大福音。

福爾摩沙衛星拍攝的美麗福爾摩沙島。圖/國家太空中心

參考文獻

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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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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

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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。

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。

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。

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。」

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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