電子報
地球水文圈包含了各種水體與型態，其中降雨型態所產生的地表逕流，以及河川水系、流量的變化，不僅在水文循環中有著重要的聯結角色，也會引致不同的土砂災害類型與規模。因此在不同領域中，例如海洋學、水文學、氣候變遷與防災管理等研究應用上，如何善用大範圍、長期收集、光學或微波跨類型感測器的遙測資料，不僅是研究重要基礎，更可藉由不斷進步的觀測技術，獲得更高解析度的資料成果，藉以因應氣候變遷所帶來的影響與對策之擬定。
本期電子報將分享目前對於觀測水體的面積、流速、水深等遙測技術運用(如圖1)， 探討不同情境下的案例的應用與可能性。
測量河川流量在水資源管理中，是關鍵的一環，以往所使用的測量方式，包括現場人工操作，或者在重要地區架設接觸式、非接觸式等觀測儀器。但觀測網的架設與覆蓋程度，往往跟不上大範圍自然現象的變化，以及氣候變遷影響的腳步。而衛星遙測技術所帶來的大尺度觀測能力、逐漸提高觀測的時間頻率與影像解析度、全球坐標定位及不同類型感測器的資料融合，使得水體遙測的解析度及廣度日益提升。
在歐洲太空總署EO4Society計畫補助下，英國生態與水文中心（UK Centre for Ecology & Hydrology, UKCEH）、盧森堡的RSS-Hydro空間資訊服務商、澳洲昆士蘭州政府等單位一同合作，啟動了FluViSat專案，進行概念驗證研究，應用Planet公司的SkySat高解析衛星圖像進行水體表面流速測量(如圖2)。
目前的SkySat衛星組，其龐大的成像衛星群共有21顆，SkySat-1和SkySat-2被稱為A代和B代，其他19顆衛星被稱為現代化的C代衛星(如圖3、4)。藉由新發射衛星的400km軌道高度，搭配SkySat 3-15號既有軌道，從500km調整到450km，使得成果達到單一位置、每天最大可能拍攝數到達12次，最高解析度達50cm，這些資料的強化，也提高了對FluViSat專案的幫助。
FluViSat概念結合了幾項重大進步，其中包括使用特徵追蹤，計算出水體的表面流速(如圖5) ；藉由更高解析度的影像輔助，能應用於更小寬度的河道或支流上；單一地點、每天更高的拍攝次數，有助於時間解析度的提升等，更使其有別於許多其他基於衛星的溪流和洪水測繪專案。
實驗數據完成後，為了測試FluViSat的準確性，該專案於英國、澳洲及歐洲選取了多個驗證點，結合現地觀測與異質資料進行比較。藉由對衛星圖片與影片的時間進行同步，搭配低空無人機影片，以及都卜勒流剖儀( Acoustic Doppler Current Profiler，簡稱ADCP )等資料進行對比(如圖6)，最終得到的表面流速及流量的準確性令人振奮，而研究人員也持續對流程進行優化。不久的未來，這些現地資料不僅能作為驗證，更能搭配遙測資料，提供地表模型與水文數值模擬之參數使用。
除了表面特徵追蹤的速度反算，與不同感測資料所量測的水體面積外，流量計算中的水位深度也是一個重要的參數。除了防災常見的觀測技術外，衛星測深技術已普遍用於海洋研究領域，臺灣四面環海，將可用於海圖或近岸水下地形依循的深度基準，其重要性與研究成果豐富，或許能成為陸地水體觀測、防災應用上的參考對象。比如中央大學曾國欣副教授及團隊，應用ICESat-2衛星綠光光達測深、現地空載光達驗證、Sentinel-2衛星多光譜反演深度等分析比較，可得到C級左右(海圖信任區類別 category zone of confidence，CATZOC。如表1)的海圖成果(如圖、7~8)。
除了衛星綠光光達與光學反演外，國外研究回顧中，也提到應用雷達特性，結合量測海面散射訊號與海面高度資料，將能夠估算淺海或特定區域的海底地形(Ashphaq, M., Srivastava, P. K., & Mitra, D. 2021)。即便研究上已有不錯的成果，這些SDB衛星測深技術也同時存在應用限制，比如多光譜衛星SDB應用上，影像圖元的光譜波段處理(如圖9)、反射比率的選定、較適合水質清澈區及水深小於30m範圍等限制(史天元，2015)。
遙測技術就如同影像辨識技術的延伸，加上了行星等級的大尺度優勢，從特徵萃取與追蹤，到光譜與測距應用，廣域且非接觸的特性，使得許多現場人員難以抵達且危險、難以觀測的地區，可藉由衛星觀測視角與技術，去蒐集廣域且長期的觀測資料，也同時藉由地表現場數據的輔助、融合與驗證，提升成果的準確度。
隨著非接觸式量測架構的持續發展，觀測技術與器材逐漸輕量化、小型化，未來這些技術都有機會轉化成現地調查人員手中的工具，防災並不是默默等待災害到來，而是藉由平時的經驗與資料的累積，轉化為未來防災決策基礎與利器。
1.Videos of rivers taken from space could revolutionise flood management(資料來源：UKCEH)
2.Measuring river flow from space - overview of FluViSat(資料來源：UKCEH)
3.Measuring Global Streamflow With Planet’s Satellite Imagery(資料來源：Planet)
4.SkySat Constellation(資料來源：www.eoportal.org)
5.國土測繪與空間資訊，第十卷第一期-水深測量與海圖基準特刊(資料來源：國土測繪中心)
6.水清則石見-多元衛星產製測量島礁近岸水下地形(資料來源：科技部)
7.空載測深光達與水域多光譜影像深度及反射值關聯性探討(資料來源：科技部)
8.Review of near-shore satellite derived bathymetry: Classification and account of five decades of coastal bathymetry research.(資料來源：Journal of Ocean Engineering and Science)
