第二章 文獻回顧
第三節 半自動化方式萃取濱線指標之研究
(gradient method)萃取影像中水線的位置；何俊緯(2011)，則使用區域成長 法，萃取出福衛二號攝於宜蘭海岸影像之濱線如水線、乾溼線與灘內緣線， (2010)則利用監督式與非監督式之混合式分類法(Hybrid classification)，將 SPOT 衛星分類，以獲取變遷偵測所需之土地覆蓋圖(Land cover map)。雷 祖強等人(2009)以區塊化物件分類(Regional Object Classification)萃取出完 整度極高的水稻坵塊田。
綜上所述，本研究使用之 SPOT-5 衛星影像與 DMC 航空影像為具有近
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紅外光波段之遙測影像，在影像上自動萃取植被或水域有很大的幫助。以 植被為例，由於植被反射近紅外波段強烈，因此以近紅外波段感測植被時，
其植被的亮度會比其他的地物要高出許多，在影像上便能更清楚的掌握植 被生長的區域。若以影像分類或影像切割的方法，於萃取濱線之指標會較 人工數化精確，數化效率提高，人為因素的誤差影響減少。故本研究嘗試 以影像分類與分割方法，萃取出濱線資訊，並與人工數化結果比較。
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l C h engchi U ni ve rs it y 第三章 材料與方法
第一節 研究地區
本研究地區位於台灣東北部宜蘭地區，宜蘭縣北部與西部為雪山山脈，
南方為中央山脈，東面濱臨太平洋，蘭陽溪流經雪山山脈與中央山脈之間，
在牛鬥附近流出山谷，與許多小河流共同沖積造成形狀近似三角形的蘭陽 平原。沖積扇海岸之範圍北起頭城鎮外澳里，南至蘇澳鎮港邊里，南北長 約 30 公里，研究地區的範圍如圖 3-1 所示。由於宜蘭三面環山，地勢高聳、
河流流路短且坡度陡降，所以造成河流侵蝕劇烈，再加上雨量豐富、輸沙 量顯著，使得河口泥沙堆積旺盛，易形成沙洲地形，突出於海岸(許民陽、
張政亮，2002)。
圖 3-1 研究地區圖
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Corona 美國間諜衛星影像、1985 年的像片基本圖、2003 年的 SPOT-5 衛星 影像，以及 2009 年使用 DMC 所拍攝的航空影像。其中 1947 年的航空影 前保存在美國國家檔案館(National Archives and Records Administrator, NARA)。在工研院綠能所與中央研究院通力合作下，已經把這些舊航照數 位化，並利用網際地理資訊系統(Web-based GIS)建立查詢系統，提供研究 人員或大眾查詢(廖泫銘等，2011)。1947 年拍攝之舊航照(原始掃描影像如 圖 3-2)的儲存格式為 TIFF (Tagged Image File Format)，並沒有儲存坐標資料，故要與其他空間資料套疊分析時，須將舊航照地理對位方能使用。
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圖 3-2 舊航照影像 二、Corona 衛星影像
Corona 衛星為美國在冷戰時期為了軍事偵察目的所發展的人造衛星，
在運行期間拍攝大量包含全球的影像，而空間解析度達到 2 公尺，在 1970 年代期間已相當精密的資料。而這批影像在冷戰過後已不具軍事價值，卻 已成為環境變遷偵測的重要資料。在 Corona 衛星運作後期，突破了傳統單 一拍攝角度的攝影系統，以兩組鏡頭跟不同的角度，同時拍攝往前(Forward) 與往後(Afterward)的影像，產生地表的立體像對，更可進一步製作數值高 程模型(Digital Elevation Model, DEM)，為當時最進步的遙測技術。在 1995 年 2 月後，美國將 Corona 衛星影像解密，開放於一般社會大眾及機構使用，
目前大部分影像則由美國地質調查所(USGS) 典藏與販售(台灣文史資源海 外徵集與國際合作計畫，2008)。
Corona 衛星有 24 次拍攝任務攝像範圍涵蓋到台灣地區，共計有 738
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幅影像，本研究使用其中三張涵蓋整個研究區域範圍的影像(如圖 3-3)，影 像於 1971 年拍攝，由中央研究院提供。由於影像已由中研院定位完成，與 台灣 TWD67 圖層套疊後可以重合，故不須再糾正影像。
圖 3-3 實驗區 1971 年 Corona 衛星影像 三、像片基本圖
像片基本圖系因政府為因應國家經濟建設之需要，經由農林航空測量 所或其它民間單位測製，其本質是地形圖的其中一種，主要是利用黑白之 航空正射像片作為底圖，再加繪等高線及地物如道路、水系等註記而成，
可分為 1/5000（平地坡地）及 1/10000（高山地區）二種比例尺(行政院農 委會農林航空測量所，1983)。其用途包括：
(一) 評估農、林、工業等各項土地利用之情形。如計算農作物生產量。
(二) 各項經濟建設之初步規劃可在基本圖上作業，不必臨時測量，節 省時間與人力經費。
(三) 供縣市地方政府等行政單位在行政管理上之應用更有效率。
(四) 區域規劃、土地稅收、都市發展、人口調查等工作，均需基本圖 作為基本資料。
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(五) 村里、鄉鎮、縣市等轄區的界線可由基本圖來界定。
本研究使用的像片基本圖為 1985 年由農航所生產之五千分之一之像片 基本圖，其空間解析度為約為 0.63 公尺。由於獲取圖資時已經有正確的地 理坐標，與台灣 TWD67 圖層套疊後可以重合，故不再對圖資做地理對位 與糾正等處理，其影像如圖 3-4 所示。另外由於套色版地圖已將水域部分 切除，而比對原始航照影像發現其切除的標準與本研究判釋水線的標準一 致，故直接以套色版的圖資數化濱線。
圖 3-4 1985 年之像片基本圖 四、SPOT-5 衛星影像
SPOT 系列衛星為太陽同步衛星，平均航高為 832 公里，軌道與赤道傾 斜角 98.77 °，繞地球一圈週期約 101.4 分，一天可轉 14.2 圈，每隔 26 天通過同一區域。其中 SPOT-5 號衛星於 2002 年 5 月 4 日發射升空，擁有 3 種光學儀器分別為兩個 HRG(High Resolution Visible)感測器、地表植被分 析研究的儀器 VI(Vegetation Instrument)、以及 HRS(High Resolution Stereo) 感測器。每一個 HRG 儀器分別可獲取兩個全光譜影像、一個多光譜影像、
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底片式航測相機，以及 POS(Position and Orientation System)機載慣性定位定 向系統，內含 GPS 與慣性量測裝置(Inertial Measurement Unit, IMU)，於執 行航攝任務之際快速獲取航空影像外方位資料，簡化空中三角測量平差程‧ 國
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第三節 研究方法
本研究使用了五個時期的遙測影像，各時期影像來源不同，影像資料 的特性也各異，因此所需的處理方式各不相同，如 1947 年的舊航照以橡皮 伸張法(rubber sheeting)地理對位(陳良健、張智安，2003；邱永芳，2005)；
2003 年的 SPOT-5 影像須將原始四個波段的資料(*.bsq 檔)轉為 ERDAS 之 img 檔，再將四個 img 檔疊合成影像；而 2009 年 DMC (Digital Mapping Camera)影像則需要輸入內外方位參數完成空中三角測量，再將每張影像自 動匹配連接點，輸入參考的數值高程模型(DEM, Digital Elevation Model)後 製作正射影像並鑲嵌(葉堃生等，2010)。完成資料的處理後，每份影像均有 正確的坐標，便可用 GIS 軟體將所有影像載入與套疊分析(overlay analysis)，
並數化濱線與沙灘(丘)，便可直觀看出各年度濱線的變化及計算沙灘(丘)增 減的面積與變化量。
除此之外，為了簡化數化濱線的過程與時間，本研究亦嘗試使用各種 自動化萃取濱線的方法。如利用 SPOT-5 和 DMC 影像具有近紅外光譜的特 性，使用影像分割、監督式分類法，界定出沙灘(丘)、水體與植被的覆蓋範 圍，再以 ArcGIS 軟體提供的網格計算與資料管理等各式工具處理，萃取出 濱線，並分析與比較萃取之濱線跟人工數化結果的差異。本研究的流程如 圖 3-5 所示。
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數值影像幾何矯正的方式可視地形知平坦度選擇要採取何種糾正方法，
如對海岸或平原等平坦地區，則可以使用橡皮伸張法(邱永芳，2005)。故本 研究舊航照對位的方法採用 ArcGIS 內建的 spline 轉換(spline transformation)，
spline 轉換即是用橡皮伸張法的原理，透過拉伸、收縮或調整點與點相互連 接的關係，在坐標改正時，利用所有的控制點來做更準確的匹配。以橡皮 伸張法對位時，精度是以局部的區域來計算，而非整張影像，其數學函式 為一個分段的多項式，可以保持鄰近多向式的平滑程度與連續性。在有控 制點或定位點的位置其對位的準確性高，離控制點有距離的區域對位的準 確性較低，所以橡皮伸張法適合在確定控制點是絕對正確的情況下使用。
使用橡皮伸張法至少需要十個控制點且若增加對位的控制點，可以使對位 的整體精度提高。
本研究為了使對位精度提高，於對位之前先切除確定無控制點的部分 如海洋與山地，再開始對位(如圖 3-7)，便可以減少沒有控制點地區對位精 度較低的問題。整個研究區域中一共包含了九張航空影像(每張影像控制點 個數皆在 40 以上，其控制點分佈以影像編號: 47-m7012-004 為例，如圖 3-8 所示)，將九張航空影像對位並套疊後如圖 3-9 所示。
圖 3-6 左圖為 1971 年 Corona 衛星影像，右圖為 1947 年的舊航照影像。
兩張影像比較可以發現在道路交點或轉折點幾乎一樣(圖上紅圈 A~F 點)。
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圖 3-7 左圖為原始舊航照影像，為了提高對位精度，首先將確定沒有控制 點的區域切除如右圖所示，再開始地理對位。
圖 3-8 影像對位點分佈 (影像編號: 47-m7012-004，紅十字中的藍點即為 對位點位置)
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圖 3-9 實驗區之 1947 年航照拼接圖 2. 舊航照影像對位檢合
為檢核舊航照影像的對位精度，將對位完成之影像選取 15 個檢核點檢 核(各檢核點跟原始定位點不同，檢核點位置如圖 3-10 至 3-18)，計算各影 像所有檢核點的均方根誤差(Root Mean Square Error, RMSE)，公式如式 (1)(Longleyet al., 2011)，比較 ArcGIS 中提供的各項對位方法之精度。各個 方法如多項式擬合(包含一階、二階及三階)、平差計算後的結果和橡皮伸張 法，精度檢核結果如表 3-1 至表 3-9，結果顯示以橡皮伸張法對位，其檢核 點均方根誤差約為 5~10 公尺，與其他對位方法比較，橡皮伸張法的整體誤 差最少且影像不會變形，故最適合用來對位舊航照，惟在其控制點較遠的 地方，誤差仍會超過 10 公尺以上。
X
2n
(1) 式中，n 為檢核點個數。
X 為觀測值與真值的偏差。σ為均方根誤差。
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影像編號: 47-m7012-004) 橡皮
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影像編號: 47-m7012-005) 橡皮
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影像編號: 47-m7012-006) 橡皮
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影像編號: 47-m7012-007) 橡皮
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影像編號: 47-m7012-008) 橡皮
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影像編號: 47-m7012-009) 橡皮
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影像編號: 47-m7012-010) 橡皮
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影像編號: 47-m7012-011) 橡皮
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影像編號: 47-m7044-044) 橡皮
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(二) SPOT-5 衛星影像
本研究所使用的 SPOT-5 影像是從中央大學太空及遙測研究中心所購 得，於 2003 年 6 月 1 日拍攝，影像等級為 level 3，屬於精密幾何改正之正 射影像，包含綠光(Green)、紅光(Red)、近紅外光(Near Infrared, NIR)三個波 段之 10 公尺空間解析度之原始影像，另外也包含短波紅外光(Short-Wave Infrared,SWIR)，原始空間解析度為 20 公尺，由中央大學太空及遙測研究 中心處理成為 10 公尺解析度(徐郁晴，2010)。原始影像產品檔案包含影像 (*.bsq)、影像說明(*.ers)、控制點說明(*.gcp)、校正成果說明(*.qc)、相關之 影像產品報告(*.rpt)及影像使用規約文件等。其中影像產品報告記錄了該影 像之像元解析度(Pixel Spacing)、坐標系統(Map System)、影像之四角坐標 (Corner Parameters)、影像尺寸(Image Size)等資訊(劉進金等，2008)。若要 使用影像，則必須先處理資料。本研究利用 EADRS IMAGINE 先將各波段
本研究所使用的 SPOT-5 影像是從中央大學太空及遙測研究中心所購 得，於 2003 年 6 月 1 日拍攝，影像等級為 level 3，屬於精密幾何改正之正 射影像，包含綠光(Green)、紅光(Red)、近紅外光(Near Infrared, NIR)三個波 段之 10 公尺空間解析度之原始影像，另外也包含短波紅外光(Short-Wave Infrared,SWIR)，原始空間解析度為 20 公尺，由中央大學太空及遙測研究 中心處理成為 10 公尺解析度(徐郁晴，2010)。原始影像產品檔案包含影像 (*.bsq)、影像說明(*.ers)、控制點說明(*.gcp)、校正成果說明(*.qc)、相關之 影像產品報告(*.rpt)及影像使用規約文件等。其中影像產品報告記錄了該影 像之像元解析度(Pixel Spacing)、坐標系統(Map System)、影像之四角坐標 (Corner Parameters)、影像尺寸(Image Size)等資訊(劉進金等，2008)。若要 使用影像，則必須先處理資料。本研究利用 EADRS IMAGINE 先將各波段