關鍵詞：水質監測、遙測、福衛五號、陸域衛星八號
3. 研究資料與方法
3.1 研究區簡介
本研究以石門水庫與寶山水庫做為研究區域。
依蓄水量與集流區大小，石門水庫屬於大型蓄水 水庫，而寶山水庫則屬於小型水庫，水庫特性分 述如下。
3.1.1 石門水庫
為台灣北部的主要水庫之一，位於桃園市大 溪區、龍潭區、復興區與新竹縣關西鎮之間的石 門峽谷，如圖 1(a) 所示。為一在槽型水庫 (大漢 溪)。水庫採土石堤岸型壩體，攔截淡水河支流的 大漢溪溪水蓄水而成，石門水庫也具有發電廠，
是台灣第一座多功能水庫。正常蓄水位標高為 245 m，總蓄水量則為 3.1 億 m3。石門水庫壩高 達 133.1 m，是全台灣高度最高的土石壩，集水 區範圍約 136 km2 (政府開放資料 KML 檔案計算 取得)。
石門水庫水質汙染之原因主要為颱風豪大雨 後土石沖刷大量泥砂及上游土地利用與開發，造 成透明度降低與營養鹽、總磷增加，影響水庫水 質優養化現象，進而導致藻類的異常增生。藻類 因為光合作用及其他生理現象，對營養鹽 (特別 是氮、磷) 之變化十分敏感，加上藻類種類繁多、
分佈廣的特性，不同種類忍耐污染物的能力也不 相同，使得藻類十分適合做為水質營養鹽及有機 污染物的生物指標 (經濟部水利署北區水資源局，
2008)。
3.1.2 寶山水庫
寶山水庫位於新竹縣寶山鄉山湖村，新竹科 學工業園區於 1980 年成立時，為了配合園區用 水，開始興建，水源包括頭前溪支流柴梳溪及上 坪溪越域引水，於民國 70 年興建至 73 年 10 月 完工，民國 75 年後正式通水啟用，如圖 1(b)所 示。寶山水庫為離槽式水庫，水源主要來自頭前 溪上游之上坪溪、由上坪攔河堰引水，經水利會 之竹東圳輸入水庫。寶山水庫總容量為 550 萬 m3， 集水面積為 3.2 km2。供應新竹科學工業園區之工 業用水，新竹、竹北、寶山、竹東等地用水 (台 灣自來水公司第三區管理處，2005)。依行政院環 境保護署於 2010 年寶山水庫水質治理方案計畫 中提到汙染源主要有山鄉山湖村生活污水、垂釣 污染、農地污染與岸堤、道路邊坡崩塌及植生保 土性不足所產生。
3.2 資料取得
為研究所需，本研究蒐集 2018 年至 2019 年 之衛星影像，包括陸域衛星 8 號 (本文以後稱 L8) 與福衛五號 (本文以後稱 FS5) 影像、地面測站 水質監測資料 (水利署水情監測網與環保署全國 環境水質監測資訊網) 與自政府開放資料平台取 得之台灣地區鄉鎮、縣市界與河川水系向量檔 (ESRI SHP 格式) 作為後續製圖之用。所有資料 圖檔將統一轉換成 TWD97 二度分帶座標進行處 理分析。
(a) 石門水庫 (影像底圖為 FS5 2018/03/18 自然色強化) (b) 寶山水庫 (影像底圖為 FS5 2019/10/15 自然色強化) 圖 1 水庫位址與其水質測站分布 (TWD97 座標)
3.2.1 衛星資料
網站 https://earthexplorer.usgs.gov/ 下載，本研究 使用 Landsat8 level 2 影像集，這是地球資源觀測(https://wq.epa.gov.tw/Code/?Languages=tw) 蒐集 並配合無雲衛星影像監測時間整理而成，主要為 (phosphate) 型式存在，為構成土壤養分及動 植物原生質的要素。磷是植物生長的重要養
劉芊妤、徐安驊、廖苡均、陳正儒、張維凱、王奕甯: 水清石見-台灣北部水庫水質監測 49
表 3 石門水庫水質監測站地面資料與衛星資料監測列表
測站 衛星形式 現地量測時間 影像時間 日期差
石門 1、2、3、4、5、6 FS5 20180307 20180318 +11 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20180511 20180516 +5 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20180706 20180719 +13 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20180801 20180804 +3 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20180906 20180921 +15 石門 1、2、3、4、5、6 FS5 20181207 20181201 -6 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20190410 20190417 +7 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20190604 20190620 +16 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20190806 20190813 +7 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20190905 20190908 +3 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20191004 20191010 +6 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20191101 20191111 +10 石門 1、2、3、4、5、6 L8 20191205 20191213 +8
表 4 寶山水庫水質監測站地面資料與衛星資料監測列表
測站 衛星形式 現地量測時間 影像時間 日期差
寶山 1、2、3、4 FS5 20180307 20180318 +11 寶山 1、2、3、4 L8 20180514 20180516 +2 寶山 1、2、3、4 L8 20180705 20180719 +14 寶山 1、2、3、4 L8 20180809 20180804 -5 寶山 1、2、3、4 L8 20180905 20180921 +16 寶山 1、2、3、4 L8 20190411 20190417 +6 寶山 1、2、3、4 L8 20190613 20190620 +7 寶山 1、2、3、4 L8 20190807 20190813 +6
寶山 1、2 L8 20190909 20190908 -1
寶山 3、4 L8 20191001 20191010 +9
寶山 1、2、3、4 F5 20191001 20191015 +14 寶山 1、2、3、4 LC08 20191101 20191111 +10 寶山 1、2、3、4 LC08 20191209 20191213 +4
(3) 化學需氧量：水中有機物質分解需要氧氣，
因此化學需氧量越大，說明水體受有機物的 污染越嚴重。測定值為將汙水中的所有有機 廢料氧化時，所消耗氧的總量。在 COD 測定 過程中，有機物被氧化成二氧化碳和水。水中 各種有機物進行化學氧化反應的難易程度是 不同的，因此化學需氧量只表示在規定條件 下，水中可被氧化物值的需氧量的總和。單位 為(mg/L)。
(4) 沙奇盤透明度：水質透明度表示水中的懸浮 粒子與溶解物質與物態如膠狀有關，可以說 是濁度與水色的綜合水質指標。當溶解物有 顏色或是懸浮粒子多時，則透明度越小。單位 為 m。
全國環境水質監測資訊網平台網站提供十分 便利的資料搜尋與下載平台，本研究將取得的資 料整理成 EXCEL 檔案以做為後續統計分析與地 理資訊系統資料連結分析之用。利用測站的經緯 度座標，也數化入地理資訊系統中，並轉換 TWD 97 座標，作為抽取衛星影像像素光譜與製圖之用。
3.3 研究方法
本研究使用 ESRI ArcGIS 8.3 地理資訊系統 軟體與 IBM SPSS 26 統計軟體，並使用 i5 8GB-RAM ，1TB SSD 筆記型電腦進行分析。參考前 人研究與配合本研究需求，研究流程分為 (1)從 衛星影像與水質測站地真資料蒐集、(2)影像前處 理、(3)建立水質光譜迴歸關係模型、(4)利用模型 參數，以衛星光譜資料繪製水體水質分布狀況，
本研究之研究流程如圖 2 所示。
圖 2 研究流程圖
3.3.1 資料前處理
影像資料下載之後，L8 資料先進行資料波段 疊合，配合福衛影像波段，本研究選取 Band 2-5 之波段配合福衛影像波段排列次序進行疊合，並 進行投影座標轉換，以利測站區域範圍之波段資 訊萃取。福衛影像為疊合之 GeoTIFF 影像檔案，
利用影像資料檔案所附參數轉數像元數值 (DN) 轉 換 大 氣 層 頂 反 射 率 (TOA) 後 ， 以 暗 物 法 (Dark Object Method) 消去大氣效應成地表反射 率。由於水體光譜反射值很小，因此研究中將 FS5 波段光譜值配合 L8 的產品資料格式 (USGS, 2020)，乘以 10,000 尺度因子，以進行的資料分 析運算。同時，本研究亦萃取庫區測點位置之衛 星光譜資料與計算常態化植生指數 (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)。NDVI 的計 算如下：
NDVI=
... (1)
其中 IR 為紅外光波段，R 為紅光波段。此外，
由於我們採取線性迴歸，為了增加 SPSS 對迴歸 參數的選擇，我們亦計算了四個波段光譜倒數，
如 1/R。
地真資料與衛星影像時間配對後，將選擇最 近日期之無雲遮蔽測站區域影像，由於影像與測 站資料並無時間之一致，考慮 L8 影像 16 日再訪 週期，我們以 16 日作為標準，超出±16 日資料不 予採用。石門水庫衛星影像與地真列表如表 3，
寶山水庫衛星影像與地真列表如表 4。測站區域 使用濾除陸地部分的 5×5 影像區域，萃取對應使 用之衛星影像測站周圍區域光譜平均與地真資 料製表製成 Excel 試算表，作為統計軟體與地理 資訊系統分析製圖之用。
3.3.2 迴歸分析
依文獻討論如 Gholizadeh et al. (2016)、楊明 德等 (2008) 與蕭國鑫等 (2008) 研究所示，水質 參數和光譜資料的關係，可由線性多元迴歸模式 予以推求：
Y=X
+
... (2)其中 Y 代表水質估測值；X 代表多光譜反射 值。 代表隨機誤差； 為欲解之迴歸係數。依據 文獻參考，本研究使用光譜線性組合求取最佳迴 歸式，SPSS 軟體提供了便捷的迴歸統計功能，我 們以逐步參數輸入的方式，利用資料比對移除高 相關波段，並提供最佳水質的預測模式，其後我 們利用統計檢定進行模式預測力評估。
本研究先就各水質測站之水質監測參數進行 統計檢定，檢定成果顯示，寶山與石門其各測站 之水質參數監測，在葉綠素 a (CHI-a)、透明度 (SDD)、化學需氧量 (COD) 與總磷 (TP) 並為明 顯差異。因此本研究將分別以石門水庫 6 個測站 13 張影像、寶山水庫 4 個測站 13 張影像進行迴 歸分析，建立光譜水質預測模型。
3.3.3 成果製圖
由於不同時期之水庫水位差異，導致庫區水 體不同時期水域有所差異。為了能以光譜水質迴 歸模型映射不同時間之水庫水體區域水庫水體，
本研究以常態化植生指數 NDVI 閾值法萃取水體
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後，再以進行區域生長法選出庫區水體區域。本 研究以 NDVI<0.1 之閾值進行水體萃取，之後再 以水體區域光譜以迴歸模型進行光譜水質映射。