第四章 合成化海洋環境資料建置
以海洋環境中之水深、鹽度、溫度、底質、陸地地形高程及 衛星影像為例，說明資料來源及如何建置於ArcGIS ， 並 以 Vis5D軟體為基礎，說明海洋環境資料在合成化後所呈現的 動態顯示及應用。
第五章 STF格式轉換及內容
整理完成之海洋環境資料為基礎，進行SEDRIS的STF格式轉 換，並說明海洋環境資料在SEDRIS STF中如何定義及相關 問題討論。
第六章 結論
第二章 海洋環境資料內容及蒐集方法
廣義的環境資料應包括：地形、海洋、大氣、太空等四個主要內容：
1.地形：土壤、特徵、地表高程、植被、道路、符號、交通工具、建物(含 其內部和物件)、內陸水道、水深、底質等。
2.海洋：波高、深度壓力、船舶、浮標和助航設施、溫度、鹽度梯度、
潮流、音響現象(聲納現象)等。
3.大氣：霧、灰塵、煙的分子和煙霧、雲、大氣壓力、風、雨量、濕度、
蒙氣、污染物、核生物化學影響、輻射能量、溫度、明亮度等。
4.太空：星體和星際媒介物、自然或人造天體物件、中性和充電原子和 粒子和其光學特性、太陽風、太空天氣、電磁影響。
而構成地形、海洋、大氣及太空的環境就是合成化環境。其中海洋 約佔地球面積約百分之七十，對人類而言是極神秘的環境，為瞭解海洋，
人類進行海洋探測以蒐集各種水文資料，使廣大之海洋環境能在我們掌 握之中。海洋學環境研究範圍廣泛，舉凡地球物理、地球化學及生物學 等各種科學均包括在內。探測是獲取海洋環境資訊的手段和方法，因此，
海洋環境的探測及其技術的發展是海洋環境建設、發展和規劃的基礎與 前提，本研究中主要採用海洋環境中的水深、底質、鹽度及溫度資料作 為建置合成化環境的主要資料。
2-1 海洋環境資料內容
海洋環境的變化不但在全球各個區域不盡相同，甚至在同一海域也
以預測，即使目前的衛星觀測，也無法同時探測每一瞬間所有的海表資
海洋物理場環境是由海洋重力及海洋磁力等物理場所組成，海洋重力 場除可探討地球的演變外，亦可影響到水下武器的發射與海上目標的 導航，同時又可與海洋大地測量相結合，完成地球形狀的推定與海平 面的計算等工作。除了導航設備以外，海洋磁力場還是實施水雷佈 設、水下目標探測與隱蔽時必不可少的環境參數。【高家俊等，2004】
無論是海洋地理、水聲、物理環境，還是海洋大氣與水文環境，海 洋環境都是空間的，具有可量測性，而且海洋環境資料的獲取通常需要 大量的人力及時間，也因此每一筆海洋環境資料的獲得都是彌足珍貴的。
2-2 水深資料蒐集技術及方法
海洋之水深測量主要採用衛星定位系統（Gobal Positioning System，
GPS）進行定位的工作。GPS衛星測量自1980年代興起之後，在經歷二十 多年的發展過程，目前在各項理論及應用之技術上已趨成熟，並已成為 當前最重要之一項空間大地測量(Space Geodesy)定位技術。由於GPS具有 相當高定位精度之工作能力，並能有效地將測量工作由地區性延伸到區 域性甚或全球性之範圍，其高精度相對定位、野外快速作業、避免通視 與天候影響、高度電腦化數據處理以及具極高可靠度等特色之優異表現 已廣被各界應用，世界各國已普遍採用GPS衛星測量技術搭配測深儀
（Echo Sounder）來執行水深測量作業。【曾清凉，1999】
2-2-1 測深儀（ Echo Sounder ）
水深測量的主要設備大多數還是採用單波束測深儀（Single Beam
基準面又是起始於當地的約最低低潮面（各國不同）。因而，在水深測 量同時，應在需當地進行潮位觀測工作，或取得附近潮位站之潮汐資料，
以求得水深基準面，並將測得之原始水深扣除當時之潮位，使水深值真 正成為基準面以下之水深。目前，除少部分仍採用水尺人工觀測方法以 外，主要設備是由壓力感測器所組成的自動驗潮儀（Automatic Tide Gauge）來蒐集潮汐資料。
目前，由於水聲儀器的發展，多波束測深儀（Multibeam Echo Sounder）
已正式且大量地投入海洋深度的量測作業。多波束測深儀的轉換器是一 個水聲陣列，可同時發射與接收60至120個（涵蓋角度從90至150度）左 右的波束，因此船隻姿態收集儀之姿態角之校正是絕對必要的，另外船 艏向（航向）資料亦為必要的。因為必須檢測水深量測資料的正確性，
測線涵蓋之區域需重疊（通常重疊範圍介於1/3~1/2），因此測線之規劃 必須配合水深之變化而定。多波束測深系統整合流程可參照圖2-1所示。
【楊光哲，1999】
圖2-1 淺水多波束聲納系統整合流程圖
（薛憲文，1998）
水深測量是以測深儀音鼓至海床之垂直距離加上音鼓至水面之吃水 深度而得，然而船隻受到波浪、潮汐、海流及船隻運動影響，會產生前
得到正確的水深量測點之水平位置。
圖2-2 音鼓與船隻坐標系架設參數
（何智偉，2003）
水深資料的處理過程是非常繁複的（如圖2-3），且通常每日數百 Mega-byte的水深資料是極為平常的，因此資料品管、校正及處理是極為 費時的。當資料經初步處理完成後，需配合製作3D地形圖分析水深剖面，
並以手動或自動方式濾除明顯的不合理水深點，完成所有水深處理及檢 核後，資料儲存為六種不同網格密度的檔案。
以海軍大氣海洋局為例，其水深處理軟體使用NEPTUNE軟體，作業 系統為UNIX，採用SUN工作站，資料管理方式以Microsoft Office Access 資料庫軟體為主，資料庫欄位主要有檔案名稱、施測年度、航次、起始 時間、結束時間、測區名稱、海象、風向、風速、測量人員、水深處理 者、品管人員等。當欲萃取某塊區域的水深資料時，則使用GMT軟體載 入水深
資料檔（X,Y,Z），再進行切割，然後另存所需水深文字檔（X,Y,Z）。
2-2-2 利用衛星影像推估反演水深
多光譜衛星影像可以用於推估水深資料，呂黎光（1997）提出利用 SPOT衛星可見光影像應用於近岸水深遙測演算，其採用波譜－水深法 (Wave Spectrum Bathymetric Method，簡稱WSB法)。應用WSB法的分析 台中港近岸海域不同時期與不同海況之兩幅SPOT影像，分別由近岸海域 波長及波向的改變推算出水深數值。WSB法由波長變化推算近岸水深，
其誤差量平均約為12%；由波向變化推算水深誤差平均則約為28%。【呂 黎光，1997】
李良輝（2002）提出利用高解析之 IKONOS 多光譜衛星影像推估水 深資料，其以墾丁南灣的 IKONOS 實際影像資料，搭配實測水深資料，
來驗證波浪效應在高解析衛星影像的影響。其首先將影像進行精密幾何 之糾正，作為實驗之 CARTERRA Geo 影像因為已經過標準幾何處理，雖 無法滿足製圖應用中所要求最原始的攝像幾何，但由於高階衛星軌道多 項式可吸收不同形變，故由相機模式（外方位參數）的求取，藉著檢核 點誤差來評估嚴密光束法應用之可行性，而後是配合 DTM 資料進行影像 之正射糾正。研究流程如圖 2-4，二者皆藉選取適當數目之檢核點進行誤 差分析。淺水區水深推估則因所需之物理模式之相關參數難以獲得，故 其選擇以比率演算法 (Ratio Algorithms)配合統計迴歸來推估淺水水深，
其流程如圖 2-5，而後藉實測之檢核點進行誤差分析。其研究結果為在 10 公尺內水深值之推估，精度約可達 30 公分。【李良輝，2002】
影像座標
檢核點誤差分析與評估
研究區之轉換參數 解算
研究區水深求解 研究區之底質分類
研究區之轉換參數 解算
研究區水深求解 研究區之底質分類
利用小波理論將 波浪影響濾掉
Ikonos影像進行精密幾何糾正(平面仿 射轉換)
利用紅外波段將水陸 分界之數值求算 利用紅外波段將水陸
分界之數值求算
圖2-5 淺水水深推估研究流程
（李良輝，2002）
2-2-3 利用空載雷射掃描儀測量水深
LiDAR（Light Detection And Ranging）稱為光達，亦稱為”空載雷射 掃 描 儀”，其為目前最新發展的科技之一。1969年加拿大西那庫斯 (Syracuse)大學第一次發表ALH (Airborne Lidar Hydrography，ALH)應用 在海洋環境的空載雷達，後續美國國家太空總署（National Aeronautics Space Administration，NASA）、美國國家海洋暨大氣總署（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）與海軍聯合發展AOL (Airborne Oceanography Lidar，AOL)掃瞄系統，引領後續空載雷達海測系統的發展
以 美 國 海 軍SHOALS(Scanning Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey)系統為例，SHOALS系統發射的雷射光束中，其中少部分紅 外光能量在海表反射，藍綠光穿透水層(30-40m)，藉由紅外光束在海表反 射與藍綠光在海床反射的時間差計算深度。LiDAR水深測量原理是示意 圖如圖2-6。
圖2-6 LiDAR測量作業示意圖
（Jennifer，2000）
當雷射光束產生兩種波長的短波(Infrared and Blue-Green): 紅外光能 量在海表反射，藍綠光穿透水層並且在海底反射，可程式化的掃描儀，
沿著飛型航線發射雷射光束掃描，即時飛機姿態補償，在海面產生濃密 且近乎均勻的雷射足點（Foot Print）。差分式/動態GPS與慣性參考系統 記錄飛機位置、高度與姿態，經後處理可產生精確即時的測深位置。
SHOALS作業載台通常為DHC6/300雙螺旋槳定翼機或貝爾212直昇 機。測量範圍每小時32平方公里，航高200到400公尺，航速115節。隨著 航高與航速的不同，SHOALS系統測深水平網格大小約為4公尺。使用差 分式或動態(Kinematic)GPS定位系統，SHOALS測深水平方向精度3公尺，
垂直方向精度15公分。【Jennifer，2000】
LiDAR技術於2004年引進國內，鄭鼎耀等（2004）提出以台南烏山 頭水庫為實驗區，進行空載雷射掃描儀與水深測量成果比較，比對結果 為水深差值平均值為14cm，中誤差為7cm，而其平面定位誤差多大於50cm
【鄭鼎耀等，2004】，精度已可達國際海道測量組織第一等之規範。由 於影響空載雷射掃描儀測深的因素太多，除了比例尺、測量密度、人眼 安全以外，還要考慮到大氣反射、海水混濁度、信噪比等參數。又由於 沿岸海水的混濁度高，透明度差且不穩定，因此空載雷射掃描儀測深技
【鄭鼎耀等，2004】，精度已可達國際海道測量組織第一等之規範。由 於影響空載雷射掃描儀測深的因素太多，除了比例尺、測量密度、人眼 安全以外，還要考慮到大氣反射、海水混濁度、信噪比等參數。又由於 沿岸海水的混濁度高，透明度差且不穩定，因此空載雷射掃描儀測深技