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地球環境的現代觀測

地球環境的現代觀測. 4-1 遙感探測 4-2 太空遙測的應用. 目錄. 6-1 遙感探測 何謂遙測？ 遙測的發展 6-2 太空遙測的應用 大地遙測 海洋遙測 衛星大地測量. 位於 德國 的世界最大衛星接收站。. 4-1 遙感探測. 6-1 遙感探測. 1858 年， 法國 攝影師搭乘熱氣球拍攝 巴黎 ，可說是航空照相的鼻祖。但是，最有趣的航空照相莫過於鴿子攝影師。利用信鴿背負微型攝影機拍攝始於 1907 年， 德國 藥劑師 Julius Neubronner 突發奇想的將他的兩項嗜好結合在一起。

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地球環境的現代觀測

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  1. 地球環境的現代觀測 4-1 遙感探測 4-2 太空遙測的應用

  2. 目錄 • 6-1 遙感探測 • 何謂遙測？ • 遙測的發展 • 6-2 太空遙測的應用 • 大地遙測 • 海洋遙測 • 衛星大地測量 位於德國的世界最大衛星接收站。

  3. 4-1遙感探測

  4. 6-1 遙感探測 • 1858 年，法國攝影師搭乘熱氣球拍攝巴黎，可說是航空照相的鼻祖。但是，最有趣的航空照相莫過於鴿子攝影師。利用信鴿背負微型攝影機拍攝始於 1907 年，德國藥劑師 Julius Neubronner 突發奇想的將他的兩項嗜好結合在一起。 • 圖片來源：http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/Bundesarchiv_Bild_183-R01996,_Brieftaube_mit_Fotokamera_cropped.jpg

  5. 鴿子攝影師與牠的作品 鴿子的翅膀 • 左上圖是德國的 Schlosshotel Kronberg，左下圖與中圖是德國的法蘭克福，右圖是背著相機的鴿子。 • 圖片來源：http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d7/Pigeon_photographers_and_aerial_photographs.jpg

  6. 何謂遙測？ • 利用感測器以間接、未接觸的方式，觀察遠處目標物的特性，量測媒介可以是電磁波、聲納、重力、磁力等。 • 眼睛與耳朵是人類最早使用的遙測感測器。 • 廣義的「遙測方法」使用各種媒介進行測量，觀測站可以在地面、地下、海面、海下、天空等。 • 狹義的「遙測方法」觀測工具是天上的飛行器，例如飛機、人造衛星，利用電磁波來觀測地球，並將觀測結果傳回或帶回地面。

  7. 遙測系統 • 感測器 • 針對預定的目標物做各種電磁輻射測量，並記錄其結果，送回資料處理器。 • 載具 • 例如飛機或人造衛星等，攜帶感測器至預定地點。 • 操作人員 • 人或自動控制系統，使載臺和感測器依照計畫執行任務。 • 資料處理 • 針對感測器的探測結果做一系列的處理，把各種輔助資料附加在感測器的測量結果上，以便於進一步解釋。 • 解譯人員 • 利用處理過的資料把各研究對象的位置、性質、數量和新發現，做進一步的整理、解釋和分析。

  8. 不同遙測工具及其施測距離

  9. 遙測的形式（一）被動式 太陽 • 光源是陽光。 • 遙測儀器只須被動偵測來自受測目標的電磁波。 可見光、近紅外線

  10. 遙測的形式（二）被動式 • 光源是地球。 • 遙測儀器只須被動偵測來自受測目標的電磁波。 紅外線

  11. 遙測的形式（三）主動式 • 遙感探測器朝向受測目標主動發出電磁波，然後觀察受測目標的反應結果。 微波 百寶箱 6-1 人造衛星的種類 腦力激盪 6-1

  12. 感測器在空間移動方式的分類 • 地面遙測 • 遙測感測器設置於地面，經常性的朝向遠方進行觀測，例如：地面氣象雷達站定點觀察周邊的降水分布。 • 機載遙測 • 將遙測感測器設置於飛機，飛行於大氣層內進行觀測，例如：駕駛飛機對地面進行空中照相。 • 太空遙測 • 將儀器組裝在衛星內，被動接收或主動發射電磁波經地表或大氣回波進行觀測。 • 可採用不同波段的電磁波，獲得多層次目標物不同的特性和解析度。例如：氣象衛星拍攝衛星雲圖。

  13. 不同的電磁波感測技術對地表的觀測結果

  14. 遙測技術所使用的電磁波 • 最常使用的電磁波就是太陽光。 • 太陽光照射在地表時，在介質或物體表面不同的穿透、散射或反射等物理特性，可以分析地面物質的分布或變化。 • 太陽光包括許多不同波段的電磁波，根據受測目標物對於電磁波的反應不同，設計各種類型的感測器。 • 對遙測技術而言，每個波段都各有其用途。 百寶箱 6-2　遙測運用的電磁波波段

  15. 遙感觀測的優點 • 遙測能夠取得人類不容易到達的地區的觀測資料。 • 能大面積的進行觀測，可以節省大量的時間和人力。 • 衛星資料可以同時提供給不同的領域使用 • 相同的觀測資料經過不同的處理方式，經常可以運用在不同的研究領域。 • 已經廣泛的應用在通訊導航、氣象報告、地質探勘、天文觀測、工程設計以及環境監測。 地球同步衛星拍攝的衛星雲圖。

  16. 北極冰帽變化 按此觀看動畫 北極冰帽的變化 • 從太空觀察 (a) 1979 年和 (b) 2007 年九月份北極冰帽的消退情況。

  17. 第一個人造衛星 製造衛星 衛星工作者 按此觀看影片 按此觀看影片 • 1957 年，蘇聯的史潑尼克一號（Sputnik 1）升空。 • 任務在研究高空大氣密度，並位於電離層做無線電波傳播，提供原始資料。 • 史普尼克 1 號毫無先兆而成功的發射，導致美國的極大恐慌，激起美蘇兩國之後持續 20 多年的太空競賽，成為冷戰的一個兩強主要競爭點。 • 圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sputnik_asm.jpg

  18. 第一張人造衛星影像 • 1959 年 8 月 14 日，Explorer 6 由太空傳回第一張人造衛星影像，正式開啟了遙感探測的新頁。 • Explorer 6 傳回這張影像時，軌道高度約 27,000 km，正經過墨西哥，拍攝的是中太平洋地區與其上覆蓋的雲。 圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/File:First_satellite_photo_-_Explorer_VI.jpg

  19. 第一個資源衛星 • 第一顆專為遙測目的設計的資源衛星 ERTS-1（後來更名為 Landsat-1），在 1972 年升空。 • 提供農業、地圖製作、地質、森林、國土規劃、監測等用途（現已發射到 Landsat-7）。 • Landsat 衛星多光譜掃描儀（Multi Spectral Scanner， MSS）觀測美國華盛頓州聖海倫火山，三張照片分別於 1973、1983、1988 所拍攝。 • 聖海倫火山最著名的一次爆發，發生在 1980 年 5 月 18 日的 08：32（太平洋標準時間）。這是美國歷史上死傷人數最多和對經濟破壞最嚴重的一次火山爆發。 • 圖片來源：http://www.geog.ucsb.edu/~jeff/115a/history/mtsthelenslandsatimagesequence.jpg

  20. 第一個海洋衛星 • 1978 年發射第一顆海洋衛星 Seasat-A。 • 提供海面溫度、海面高度、風場、波浪、海冰、海底地形等資料。 Seasat 衛星提供第一幅全球海面高度分布圖。 圖片來源： http://www.elsevier.com/locate/rse 圖片來源：http://ilrs.gsfc.nasa.gov/satellite_missions/list_of_satellites/seas_general.html

  21. 感測器技術的進步 • 電荷耦合裝置（CCD） • 將影像轉換為數位資料的裝置。 • 傅氏轉換 • 成像技術，用在資料處理上，大幅提升了解析度。 一組用於紫外線影像處理的 CCD。 圖片來源：http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a1/CCD.jpg

  22. 臺灣地區的 SPOT 衛星影像 著名的法國的 SPOT 系列衛星為太陽同步衛星，平均航高 832 公里，大約每天上午 10 點 45 分通過臺灣上空。 圖片來源：http://www.satimagingcorp.com/satellite-sensors/spot-5.html

  23. 利用 SPOT 衛星影像製作的臺北地區立體模型

  24. 我國自主衛星（一） • 福爾摩沙一號（原名：中華衛星一號） • 1999 年 6 月順利發射升空，2004 年 6 月除役。 • 軌道高度 600 公里。 • 主要酬載海洋水色照相儀。 • 提供海洋等相關領域的實驗資料，作為環境、漁業、工商業以及學術界應用和理論研究。 • 圖片來源：http://www.nspo.org.tw/2008c/projects/project1/intro.htm

  25. 福衛一號的觀測資料

  26. 我國自主衛星（二） • 福爾摩沙二號 • 2004 年升空。 • 以遙測照相為主要任務。 • 蒐集臺灣陸地和附近海域即時的衛星影像資料。 • 作為土地利用、農林規劃、環境監控、災害評估、科學研究、科學教育等相關的民生與科學用途。

  27. 福衛二號拍攝北極圈的冰原變化 • 國立中央大學極區研究團隊以及太空和遙測研究中心，利用福衛二號衛星觀測到加拿大北極區的城市 ALERT 附近的冰原寬度，24 日約 600 公尺到 800 公尺，26 日擴大到 1,000 公尺到 1,100 公尺，為全球暖化提供科學資料。 • 圖片來源：http://djyimg.com/i6/603301101071539.jpg

  28. 福衛二號拍攝南極威爾金冰棚的崩解情形（一）福衛二號拍攝南極威爾金冰棚的崩解情形（一） 圖片來源：http://nsidc.org/news/press/20080325_Wilkins.html

  29. 福衛二號拍攝南極威爾金冰棚的崩解情形（二）福衛二號拍攝南極威爾金冰棚的崩解情形（二） 圖片來源：http://nsidc.org/news/press/20080325_Wilkins.html

  30. 我國自主衛星（三） • 福爾摩沙三號 • 2006 年 4 月升空。 • 臺灣和美國合作，由六顆微衛星組成的低地軌道衛星系列。 • 軌道高度 700～800 公里。

  31. 福爾摩沙三號 • 觀測範圍涵蓋全球大氣層和電離層。 • 資料分布於全球上空。 • 約每 3 個小時可完成全球氣象資料的蒐集與分析，每 90 分鐘更新一次。 • 能增進氣象和太空天氣預報的準確率，亦可用於長期氣候變遷和大地測量的研究。 福衛三號是軌道較低、6 個微衛星組成的衛星組。軌道較高的是 24 個 GPS 衛星。 圖片來源：http://www.narl.org.tw/tw/topic/topic.php?topic_id=10

  32. 福爾摩沙三號的觀測原理 • 全球定位衛星的無線電訊號傳送路徑經過大氣層，由於大氣層的折射會產生彎曲，這就是無線電掩星原理。 • 福衛三號的系統是利用該原理來推演出大氣和電離層的密度、溫度以及其他的參數。 資料、圖片來源：http://www.narl.org.tw/tw/topic/topic.php?topic_id=10

  33. 福爾摩沙三號的觀測分布點 • 福爾摩沙三號六顆微衛星星系，每天可監測全球 2,500 點的氣象資料之分布圖（綠色部分），紅色部分為地面觀測的分布點。 資料、圖片來源：http://www.narl.org.tw/tw/topic/topic.php?topic_id=10

  34. 4-2太空遙測的應用

  35. 6-2 太空遙測的應用 • 綠線所標示的範圍為某高爾夫球場在開發前申請並核定的範圍，黃線所顯示的則是衛星影像上觀測到的實際開發範圍；兩者之間存在著明顯的差異，顯示球場有違法開發的情形。 • 太空衛星遙測具有 • 觀測範圍大 • 迅速連續 • 可重複 • 解析度高 • 可以觀測人類難以到達的地區 • 資料可以累積使用 • 利用以上的特性，衛星觀測是觀測、監視地球環境變遷的重要利器！

  36. 國土監測 衛星影像 按此觀看影片 • 由歷年的衛星影像，顯示了臺中港的建設過程。 SPOT SPOT Landsat SPOT

  37. 勘災 • 對於交通受阻、山區或大範圍的天然災害，現場勘災經常會受限於地形和地物的阻隔，以致難以順利進行。 • 衛星影像具有高空俯視的能力，且具廣域和快速的非接觸探測特性，提供了極佳的大範圍勘災能力。 中國四川汶川大地震前（2006 年 5 月 14 日）、後（2008 年 5 月 13 日），福衛二號拍攝的北川縣城。（圖：成功大學提供）//中央社

  38. 集集地震前、後的衛星影像 • 比較地震前、後的衛星影像，可 • 快速進行崩塌地的調查與統計。 • 及時提供災區影像，協助救災。 集集地震發生前。 集集地震發生後。

  39. 甲仙鎮小林村崩塌前、後的衛星影像 腦力激盪 6-2

  40. 地表變形影像 • 地表變形測量主要是經由比對兩張不同時期擷取的雷達影像，計算不同時間內地表與衛星之間距離變化所引起的雷達波相位差，計算相位差後，即可得到地表的變化量。 集集地震前、後所拍攝的臺中地區雷達影像干涉結果。

  41. 雷達波測量地表變形的原理 • 圖中每增加一圈的干涉環，就代表雷達波來回的距離增加了一個雷達波長，假定衛星拍攝影像時的高度是不變的，那麼地表必須位移半個雷達波長的距離，才能在干涉圖中製造一個完整的干涉環。對於 ERS 系列衛星而言，其所酬載的合成孔徑雷達屬於 C 頻，波長 5.6 公分，因此每一圈的干涉環代表 2.8 公分的地表變形。 • 在火山剛噴發後，人造衛星擷取了一張火山的雷達影像。大約過了一年，人造衛星又在同一地點，以相同的角度擷取了另一張雷達影像。 • 把兩張影像套合後進行差分干涉，可以計算出每一個像素在兩張影像中的雷達波相位差。 資料、圖片來源：科學發展 2005 年 6 月，390 期，p.22

  42. 影像製圖 • 一般傳統經建地形圖的更新速度甚慢，往往是空間資訊基礎建設最感不足的地方，使用衛星影像進行製圖，則可以有效提升製圖的效率。 • 以目前 SPOT 衛星影像 5～10 公尺的解析力為例，已能進行五萬分之一至二萬五千分之一比例尺地圖的測繪。 • 福衛二號的解析力可達 2 公尺。 • 未來隨著衛星解析力的提高，製圖的比例尺將可再提升。 百寶箱 6-3　地形圖與數位地形

  43. 解析度比較 • 數位照片由方格點組成，衛星照片的解析度指每個方格點邊長代表實際長度。上圖由左到右分別是解析度 10 公尺、3 公尺、1 公尺的照片。 • 圖片來源：http://www.terraorbit.com/vhr.htm

  44. 地形資訊萃取 • 針對同一地區，取兩張自不同角度拍攝的影像，可構成一個立體像對。 • 利用立體觀測的概念，可以計算出地表的相對高度。 • (a) 圖為 IKONOS 衛星在兩個不同位置和角度拍攝的影像所構成的立體像對，可用紅綠眼鏡觀察其立體狀態；(b) 圖則是利用影像處理技術所產生的數值地形模型，其中較暖色處表示較高的地區。

  45. 海面溫度 • 原理：海面溫度遙測是量測海面紅外線或微波的輻射強度，再換算成海面溫度。 • 紅外線輻射強度與溫度的四次方成正比。 • 美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）系列衛星 • 超高解析度輻射儀（Advanced Very High Resolution Radiometer，AVHRR）：它有 6 個波段，分別偵測雲、雪、海面溫度等。 • 可以遙測大尺度海洋環流的型態，辨認湧升流、暖流和冷流，並偵測海洋異常現象，為探討聖嬰現象的重要依據。 腦力激盪 6-3

  46. 海面溫度遙測 (a)「聖嬰」時期，東太平洋海面溫度升高。(b) 正常的「非聖嬰」時期，東太平洋海面溫度低。

  47. 海洋水色照相 • 原理：海水中的懸浮物質會吸收和散射不同波長的光波，使海面呈現不同的顏色。 • 開闊海域比較乾淨，浮懸物質較少，較易散射藍光，故為深藍色。 • 當海域中浮游植物的濃度較高時，因含葉綠素，使海水顏色從藍色轉為綠色。 • 浮游植物是海洋食物鏈的底層，海面愈綠代表浮游植物愈多，漁產也愈豐富。 • 美國Orbview-2 衛星酬載有海洋廣角觀測水色儀（SeaWiFS），可探測全球海洋葉綠素濃度的分布，作為漁場的指標。

  48. 水色儀分析全球海洋葉綠素的濃度分布

  49. SeaWiFS 觀測聖嬰現象與反聖嬰現象期間赤道地區葉綠素 a 的濃度 （聖嬰現象） （反聖嬰現象） • SeaWiFS 觀測聖嬰現象與反聖嬰現象期間赤道地區葉綠素 a 濃度的變化。 • 圖片來源：http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/SeaWiFS/BACKGROUND/Gallery/index.html#p5

  50. 海面水位測量 • 原理：海面水位遙測屬於主動式遙測的一種，由衛星發射雷達波，量測到海面來回時間，換算出距離，即可得到海面水位。 • 目前最常用美法合作 TOPEX/Poseidon 衛星的高度計。 • 用途： • 因為洋流會造成海面傾斜，從區域海面高度梯度分布，可以計算海流的流速與流向。 • 長期全球海面高度測量，可用於監測海水面升降的情形，掌握海洋環境的變異

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