電子報
近年來，低軌道通訊與衛星產業蓬勃發展，推動另一波太空探索旅程，多數人對太空的印象都是星系、宇宙及太空船，其實衛星遙測技術在地球環境監測上的應用對人類日常生活影響甚廣。
遙測技術透過分析空間與時間上的地球影像，獲知各個面向的資訊，但並不是所有的環境與生物多樣性資訊皆能透過光學影像來量化，仍需結合地表觀察的知識與訊息才能將資訊進行跨領域的應用，本期電子報將介紹生物保育的多樣性及大氣環境動態監測結合衛星遙測技術的應用與成果。
自 1970 年代美國國家航空暨太空總署 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 與美國地質調查局 (United States Geological Survey, USGS) 合作的陸地衛星計畫 (Landsat satellite program) 陸續發射衛星後，遙測影像的應用便開始成長，得益於 2008 年 Landsat 衛星影像免費、公開的政策，科學和其他領域的衛星影像利用大幅增加 (圖 1 A)(Wulder et al., 2022)，至2022 年的 Web of Science 上的統計，有遙測影像土地利用 (land cover or land use) 類文獻 11,465 篇、農學/農業 (agronomy or agriculture) 類 6,108 篇研究與 Landsat 相關，其中，遙測與生物多樣性結合的文獻也逐漸增加 (圖 1 B)(Wang & Gamon, 2019)。另外，地球觀測 (earth observation, EO) 資料的加值服務也蓬勃發展，像是 Google 建置的線上地理資訊系統 (geographic information system, GIS) 分析與遙測資訊視覺化平台 Google Earth Engine(GEE) 就有超過 600 個地理空間資料集，透過資料立方 (data cube) 提供給使用者 (詳見第 65 期電子報 )，光是一周就有大約四萬個使用者使用 GEE 上的Landsat 資料集。
人類在 2014 年成功利用衛星影像來計算南露脊鯨 (southern right whale) 的數量 (Fretwell et al., 2014) 後，對珊瑚的觀察也大有進展，成功應證衛星影像監測亦能應用於水體之下，過往珊瑚礁的多樣性多由潛者 (diver) 進行調查，Bakker 等人 (2024) 透過由 WorldView-2 與 PlanetScope 衛星影像建置的 「全球珊瑚礁探險地圖 」 (Global Reef Expedition, GRE) 與 「艾倫珊瑚礁地圖 」 (Allen Coral Atlas, ACA)(圖 2) 觀察魚類與珊瑚的多樣性，相較於利用機器學習預測及影像分割 (image segmentation) 技術建置的 ACA 地圖，以物件式影像分類法 (object-based classifiers) 與手動繪製而得的 GRE 地圖具較佳的光譜解析度 (spectral resolution) 與輻射解析度 (radiometric resolution)，分析生物多樣性的結果較佳。
除此之外，Xue 等人 (Xu et al., 2017) 利用 GeoEye-1 衛星蒐集單一波段的光譜資料所建置的較高解析度全色態 (panchromatic) 影像，以小波轉換 (wavelet transform) 技術對目標影像進行多層次的解析，針對目標影像進行強化，並以模糊類神經網路 (fuzzy neural network, FNN) 技術訓練影像的幾何特徵 (geometric attribute) 分類，得以將目標物體：遷移性的大型野生動物如牛羚 (wildebeest)、斑馬，與影像背景及非目標物體區隔開來。
過去研究動物遷徙只能以人力追蹤，隨著衛星影像的進步，研究人員調查的時間成本也能降低，Fretwell 等人利用 2010年的衛星影像所顯示的動物排遺痕跡 (圖 3)，調查南極洲皇帝企鵝的生態，於 2017 年更利用解析度 30 公分的 WorldView-3 衛星全色態影像計算南喬治亞島的漂泊信天翁 (Wandering Albatross)(圖 4) 與紐西蘭查塔姆群島 (Chatham Islands) 上的北方皇家信天翁 (Northern Royal Albatross) 數量，藉由比對衛星影像與實地調查結果，判斷紐西蘭 The Sisters islands 上的信天翁族群有瀕危的現象。衛星影像不僅能幫助我們在人類難以抵達的生物棲地獲取資訊，且不太需要處理空中攝影所得影像的拼接 (stitching error) 等問題。
除了生物多樣性的監測，衛星影像也被應用於環境安全上，NASA 利用 AQUA 與 TERRA 繞極軌道衛星酬載的中解析度成像頻譜輻射儀 MODIS(The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 與 S-NPP 衛星、NOAA-20 及 NOAA-20 衛星酬載的可見光/紅外線成像輻射計(Visible Infrared Imager Radiometer Suite, VIIRS)，建置火災資訊資源管理系統 (The Fire Information for Resource Management System, FIRMS)，在北美地區可獲得即時的野火偵測資訊 ，於地球上其他地區則能獲取每三小時的野火資訊，過往的野火資訊也能作後續利用，例如 2023 年 8 月 8 日發生的夏威夷茂宜島 (Maui) 大火 (圖 5)，臺灣的相關資訊也能在該系統查詢到，如 2024 年 7 月 5 日發生於彰化縣永靖鄉的火災 (圖 6)。
大氣污染物 (包含沙塵、生質燃燒、酸性污染物等) 的長程輸送已受到相當廣泛的注意，臺灣位處於亞洲大陸東南隅，從地理與氣候條件來看，正位於東亞及南亞污染物輸送的下風處，不僅臺灣的空氣品質會受到衝擊，區域環境與氣候也會受影響，除了利用地面測站獲取環境污染物的分布與特性外，大範圍觀測的衛星遙測也成為熱門的研究選擇。
透過地面觀測遙測技術 (ground-based remote sensing) 建置的氣膠輻射觀測網 (aerosol robotic network, AERONET)，結合擁有 36 個光譜波段的 MODIS 衛星影像，幾乎可區分出所有不同的氣膠種類，像是自然沙塵與人為污染物。Nee 等人 (2022) 結合 AERONET 與光達系統的資料，呈現 2020 年 2 月菲律賓塔爾火山 (Taal volcano) 爆發造成的火山重力波 (gravity wave) 對火山氣膠在大氣中傳播與逸散的影響，由圖 7也可看出，境外移入的高空氣膠確實對高雄的空氣品質產生影響。
衛星遙測也能應用在農業上，農業部農試所結合高解析度的衛星遙測技術與現地收穫資料，為臺灣主要糧食作物之一的水稻建置產量預估模型 (圖 8)，不僅能預測水稻產量，也期望日後能應用於水稻保險理賠的判讀。
空間解析度達 50 公分的商用光學衛星逐漸普及，例如法國空中巴士 (Airbus) 營運的 Pléiades Neo 衛星於 2021 年成功發射，使用太陽同步軌道 (sun-synchronous orbit) 在離地 620 公里處運行，酬載全色態與 6 個多光譜波段 (深藍、藍、綠、紅、紅邊、近紅)，波長較短的深藍波段能穿透水體，得以進行水深測量或珊瑚礁的監測，且解析度 (ground sample distance, GSD) 更達 30 公分，像幅 (Swath) 寬度 14 公里，再訪週期 (revisit time) 為一天兩次，超高解析度的地球影像可供政府與民間單位進行利用。
英國的非營利組織連結保育基金會 (connected conservation foundation, CCF) 致力於將現代科技應用於自然保育，其與空中巴士基金會於 2022 年共同設立獎項：Satellites for Biodiversity Award，利用高解析度衛星資料監測瀕危物種與棲息地，個人或非營利組織皆可報名，今年的得獎者為：對獨角犀牛棲息地進行植被製圖並制定達生態平衡的土地利用方針的倫敦動物學會 (Zoological Society of London, ZSL)、利用衛星影像進行地貌製圖並分析南蘇丹 Bangagai 林區森林砍伐原因的 Fauna & Flora、透過遙測與 GIS 監測及保護衣索比亞狼 (Ethiopian wolf) 棲息地的泰國朱拉隆功大學 (Chulalongkorn University) 與衣索比亞的 Ethiopian Biodiversity Institute、對南美洲唯一原生熊類眼鏡熊 (Spectacled bear) 的棲息地製圖並追蹤牠們活動模式的亞馬遜保護組織 (Conservacion Amazonica)(圖 9)。
臺灣也有「生物開放資料數據松 」(圖 10)，由臺灣生物多樣性資訊機構、農業部生物多樣性研究所、林業保育署、海洋保育署、水利署等單位組成的生物多樣性資訊聯盟 (Taiwan Biodiversity Information Alliance, TBIA) 發起，目的是希望各領域的人才透過開放性資料的分析與再利用，解決生態保育難題。
目前國際的衛星遙測領域正努力協同、整合並共享觀測資料，朝向資源匯聚的方向發展，衛星影像與生物、生態資料的易得性與再利用性高，但仍須克服許多挑戰，如衛星影像易有雲層覆蓋的干擾等，期許未來在利用衛星遙測技術建構全球環境保育的網絡上，透過監測地球環境變遷與重大災害事件，更能掌握隨時發生的一切並做出相對的應變措施。
1. Fretwell, P. T., Staniland, I. J., & Forcada, J. (2014). Whales from space: counting southern right whales by satellite. PLoS One. 9(2): e88655.
2. Fretwell, P. T., Scofield, P., & Phillips, R. A. (2017). Using super-high resolution satellite imagery to census threatened albatrosses. IBIS. 159: 481-490.
3. Nee, J-B., Chang, Y-P., Wang, C. C. (2022). Aerosol emissions and gravity
waves of Taal volcano. Scientific Reports. 12: 5292.
4. Wulder,M. A., Roy, D. P., Radeloff, V. C., Loveland, T. R., Anderson, M. C., Johnson, D. M., Healey, S., Zhu, Z., Scambos, T. A., Pahlevan, N., Hansen, M., Gorelick, N., Crawford, C. J., Masek, J. G., Hermosilla, T., White, J. C., Belward, A. S., Schaaf, C., Woodcock, C. E., Huntington, J. L., Lymburner, L., Hostert, P., Gao, F., Lyapustin, A., Pekel, J-F., Strobl, P., & Cook, B. D. (2022). Fifty years of Landsat science and impacts. Remote Sensing of Environment. 280: 113195.
5. Wang, R., & Gamon, J.A. (2019). Remote sensing of terrestrial plant biodiversity. Remote Sensing of Environment. 231: 111218.
6. Xue, Y.; Wang, T. & Skidmore, A. K. (2017). Automatic Counting of Large Mammals from Very High Resolution Panchromatic Satellite Imagery. Remote Sensing. 9(9): 878.
