【探索29-5】衛星遙測科技在環境監測之應用策略與挑戰
第29期「探索」系列講座「The New Ocean——太空時代再起」第五講邀請到中央大學太空及遙測研究中心主任林唐煌特聘教授，為我們解答衛星遙測技術的興起與全球環境變遷之間的關聯，並詳細介紹衛星觀測三種頻譜——可見光、紅外光和微波的應用原理，還有它們在民生上、都市規劃上和軍事上的應用實例。接著，也會分析目前衛星遙測技術所面臨的各項限制與挑戰，以及點明未來可期待的發展方向。最後，林主任也申明衛星遙測科學研究對臺灣的重要性，期許研發團隊們能夠發展出關鍵技術，幫助臺灣站上這波太空時代浪潮的浪頭。
講者、審定｜中央大學太空及遙測研究中心 林唐煌 特聘教授兼主任
彙整、撰稿｜周書瑋
四百多年前，伽利略透過望遠鏡看向星空，引領我們以嶄新的方式認識宇宙。在那之後，人類不滿足於以管窺天的喜悅，更要親自到太空中見證宇宙的遼闊。近年來，低軌道通訊與產業鏈發展，推動了新一波的太空浪潮與全球的探月活動。不過，多數人對太空的想像都和火箭、宇宙、星系相關，較少注意到衛星遙測對人類日常生活影響，以及如何廣泛地被應用在國家社會的重要議題上。本場探索基礎科學系列講座，由中央大學林唐煌教授帶領我們瞭解衛星遙測技術在環境監測上的應用、限制和挑戰。
全球氣候和環境變遷與衛星遙測
近年來，全球暖化、極端天氣和環境變遷等是地球村迫切的議題，如洪澇、乾旱、森林火災和沙塵暴，中亞地區的沙塵暴甚至可以經過大氣環流長程傳送至北美地區，巴西森林火災的煙霧也可能傳至亞洲。各國漸漸意識到這些全球性大尺度的環境災害是無國界的，不能靠一個國家單打獨鬥解決，各國必須共享觀測資料來尋思可能的解方，特別是面對複合汙染，更需要仰賴跨領域合作，因此能夠大面積觀測氣流、雲層、地貌和海洋的等衛星遙測科技就更顯重要。過去數十年來，臺灣因為追求經濟發展，在沿海地區建設工業區，填海造陸大幅改變海岸線。透過衛星遙測技術，我們可以輕易觀測到長期的地貌變遷，像是麥寮工業區因為六輕工業區設立，過去三十年海岸線倒退許多。衛星遙測也可監測河流水質，像是之前鬧得沸沸揚揚的日月光廢水排入高雄後勁溪案，經過衛星遙測即可快速看出溪水顏色變化。
衛星觀測的優點和其他應用
衛星觀測除了可以記錄環境變遷，多元多頻譜的特性讓衛星觀測也可以被應用在氣象、農業和都市的各項基礎建設上。衛星觀測包含了三種頻譜，分別是可見光、紅外線和微波：可見光可以結合物體的反射特性，拍攝白天雲圖、估算雲量、大氣氣膠含量，甚至應用於地面植被分類等；紅外線光譜則可呈現物體所散發的熱（即「發射」特性），用來拍攝日夜全天候雲圖、估算海面溫度、水氣分布和大氣垂直溫度分布等；微波則是善用物體反射和發射特性，可應用於估算海面溫度、大氣水氣垂直分布、積雪和颱風暴風半徑等。
不同作物會呈現在紅外線光譜的不同區段上，高光譜可快速辨識作物種類和栽培面積，風災過後可有效率地幫助農會判斷損失面積；除了辨識作物種類，高光譜也可評估作物健康狀況和施肥需求，並進一步預估產量；超高地面解析影像也能用於偵測水產養殖魚塭的水車位置，判斷魚塭是否運作正常，進而決定風災過後是否應補助農民。由於非法傾倒在農田的廢棄物和周圍環境會以不同顏色（反射特性）呈現在超高地面解析影像上，定期的衛星遙測也可應用於偵測非法廢棄物傾倒或掩埋案件，提高政府科技執法效率，也確保農地的健康和可耕性。
衛星遙測應用於都市規劃上，透過多視角的觀測可建構三維數位城市模型，為城市智慧化的重要基礎，進而建立強降雨下都市的易淹、崩塌和土石流警報。軍事上，雷達衛星影像可用於監控軍艦並判定軍艦種類，2014年就被烏軍用來觀察克里米亞地區的俄軍軍艦。此外，遙測科技也可進行熱點監測，像是超高地面解析影像Pléiades衛星在2014年到2016年間監測南沙永暑礁，發現中國將之從無人藻礁開發成軍事基地。
相較於傳統的觀測方式，衛星觀測的觀測範圍廣，可以觀察全球或大區域的特定目標；資料一致性高，有利於偵測環境變遷和變異；時空解析度高，可以較精準辨識目標，且衛星觀測可以搭配影像融合等關鍵技術，被更廣泛地應用到其他領域。
衛星觀測的限制和挑戰
地球資源環境動態監測技術日益重要，但仍存在許多瓶頸，要將衛星遙測技術應用到更多領域，尚須克服許多限制和挑戰。目前的資源環境監測系統精確度不足，無法提供足夠的解析度來精確判斷物件；動態監測能力也不夠完備，無法提供即時性的遙測資訊服務；應用氣象觀測時，衛星圖照的資料容易因雲層覆蓋出現空缺需填補。在資料庫整合方面，基礎資料庫數據仍為不足，無法提供多頻譜衛星觀測對應的物理參數資料庫；資訊平臺也還需要匯集更多的資訊，搭配感測物聯網並融合歷史資料和經驗，讓衛星遙測的數據應用於今昔對比，讓學者快速辨識出地貌變遷。未來發展應著重於建構全球即時資源環境研究資料，以監測重大災害事件，確保國家和區域安全。目前國際的衛星遙測正努力突破四維協同觀測，朝向資源匯聚和優化發展，期許未來能達到建構全球性資源環境監測網絡的目標。
教授在演講最後提到，衛星遙測科學研究對臺灣有絕對的必要性，從國家安全而論，衛星遙測可以輔助基礎建設規劃；由社會民生的角度來看，它負責偵測環境災變並推播預警，達到智慧化防災、減災的目標；在人才培育和科技研發上相當重要且不可或缺，臺灣若發展出關鍵技術，可以申請專利和技術轉移，幫助臺灣在這波太空應用浪潮中站上浪頭。
延伸閱讀：《【人物專訪】站在衛星的肩膀上，探索資料應用的更多可能性——專訪林唐煌教授》
