本文根據衛星影像資料特性不同，首先提出擷取衛星影像的灘線 位置的方法及建立其流程。另外，因為各張衛星影像拍攝時的水位高 低不同，考慮水位變化將擷取原始灘線修正至平均水位處，以利後續 工程之應用。本研究所發展的研究方法主要包括：1.衛星影像的前置 處理；2.近岸潮位估算值之資料融合；3.考慮潮污變化將灘線修正至 平均水位處；4.考慮波浪變化將灘線修正至平均水位處等 4 個。各個 方法的研發皆為提升衛星影像資料於灘線辨識的正確性及工程應用 性，本研究並將這些方法應用至臺灣數個研究基地(新竹港南海岸、
外傘頂洲、臺南安平商港與漁港間沙灘、以及臺中港北堤的淤沙區 等)。
2-1 衛星影像處理
2-1-1 影像資料來源
目前商用光學衛星影像逐漸提高空間解析度，從 1972 年有 80 公尺空間解析度的 Landsat-1 MSS，直到 1999 年 15 公尺空間解析度 的 Landsat-7 ETM+。1986 年起法國 SPOT-1 衛星有 20 公尺空間解析 度，直到 2003 年 SPOT-5 衛星提升至 2.5 公尺空間解析度。除上述衛 星外，尚有福爾摩沙衛星二號(FORMOSAT-2)以及美國的 IKONOS 與 Quickbird 衛星，影像已接近 1 公尺之空間解析度。因各衛星各有其 優缺點，在任務需求不同時，選擇適當的資料才能有效利用資源。本 研究中使用的衛星影像皆向中央大學太空遙測中心申購，主要以 SPOT 系列以及福爾摩沙衛星二號等光學衛星影像為主，以下簡述二 種衛星影像的特性。
(一)SPOT 衛星
本研究目的為探討各研究基地灘線變遷的影響，要使用較高空間 解析度的 SPOT-5 衛星的影像資料。相較於 SPOT 系列的其他衛星，
SPOT-5 不但在多光譜影像資料上有較好的表現，在全色態的空間解
析度可達 5m。SPOT-5 號衛星於 2002 年 5 月 4 日發射升空，除了 跟 SPOT-1 至 SPOT-3 一樣擁有單色態光學感測器、多光譜光學感測 器(紅光、綠光、近紅外光)之外，還有 SPOT-4 所搭載的短波紅外光 感測器(SWIR)，使得多光譜影像資料中包含四個波段的影像資料。
此外，SPOT-5 搭載了兩組以上所提到的感測器，經由同時拍攝，再 經過影像融合處理可以提昇其空間解析度到 2.5 公尺，稱為超解像模 式(Supermode)影像，SPOT 系列衛星所提供的影像示如表 2-1。
對於較小範圍的海岸線監測，所選用 SPOT-5 所的超解像模式影 像空間解析度為 2.5m，即可達到可接受的準確度。本研究選用臺南 安平港北側馬刺型突堤興建前的 2003 年至今年 2006 年之間的 SOPT-5 的衛星影像，2004 年中有拍攝到研究基地的 SPOT-5 影像大 多含有較多的雲層干擾，而 2005 年八月至十月，SPOT-5 衛星由於行 經軌道的因素拍攝範圍並沒有涵蓋到本研究基地。為克服影像數量不 足之問題，本研究另選擇 8 幅超解像模式影像以及 8 幅多光譜影像進 行分析，及兩張 SPOT-4 以及一張 SPOT-2 影像進行測詴後，證實 SPOT-2 及 SPOT-4 的空間解析度並不適合探討本研究基地此類較小 範圍的海岸線變化。
表 2-1 SPOT 系列衛星資料的基本特性
衛星代號 感測器 光譜模式 空間解析度 SPOT-1~3 HRV 單色態(PAN) 10m
多光譜態(XS) 20m SPOT-4 HRV 單色態(M) 10m 多光譜態(XI) 20m
SPOT-5 HRG
單色態(HM) 5m 超解像模式(THR) 2.5m
多光譜態(HI) 10m
(二) 福爾摩沙衛星二號
福爾摩沙衛星二號(FORMOSAT-2) 於 2004 年 5 月 21 日成功發 射，為我國第一個自主性遙測計劃，是由國家實驗研究院國家太空中 心所主導，為國家太空計畫第一期十五年計畫中之主要任務之一。福 爾摩沙衛星二號具有資源探測與科學研究雙重任務，其資源探測任務 是以滿足臺灣地區之需求為主，其每日再訪率高與高空間解析度是福 爾摩沙衛星二號優於其他商業遙測衛星的地方。此衛星影像資料可應 用至土地利用與變遷、農林規劃、環境監控、災害評估以及科學研究 與 教 育 等 方 面 。 本 研 究 向 中 央 大 學 太 空 遙 測 中 心 申 購 的 FORMOSAT-2 影像已經系統改正以及精密幾何改正，其影像空間解 析度與感測器光譜模式列如表 2-2。多光譜態不同於 SPOT 系列衛星 的四個波段，即藍光段、綠光段、紅光段及近紅外光段。
表 2-2 FORMOSAT-2 衛星資料的基本特性 感測器 光譜模式 波段數 空間解析度
RSI 全色態(PAN) 1 2m 多光譜態(XS) 4 8m
2-1-2 影像的前置處理
本文先圈選出 SPOT5 超解像模式的影像中涵蓋研究基本的海岸 線範圍如圖 2-1 所示，圖 2-1 中的 3 個方框範圍分別為：1.鹽水溪出 海口至安平漁港北堤 2.安平漁港南堤至安平商港北堤間的養灘計畫 區 3.安平商港南堤至二仁溪出海口間的黃金海岸等三個區域。本研究 中以 2004 至 2006 年間實施養灘工程的區域 2 作為研究基地進行分 析。由於每張衛星影像圖因拍攝時的地表天候或天體相關位置不同而 具有不同的拍攝條件，如圖 2-2 所示的 10 張衛星影響圖。其中每張 衛星影像由於拍攝時光量以及氣候的不同，在單色態影像的亮度與對 比上會有明顯的差異，且因為地表天候以及天體相對位置的不同，其 差異程度也無法以簡單的線性調整來做標準化，因此需做影像的前置 處理，簡述如後。
圖 2-1 全幅影像與涵蓋海岸線範圍(超解像模式)
a.2003/12/10 b.2004/01/14 c.2004/07/14 d.2004/09/22 e.2005/03/06
f.2005/05/23 g.2005/11/15 h.2006/03/04 i.2006/03/30 j.2006/07/28
圖 2-2 不同的拍攝條件下所拍攝的衛星影像 (一)直方圖的等化
圖 2-3 為圖 2-2 所示的 10 張衛星影像圖的亮度直方圖(Histogram) 分佈。數位影像的灰階亮度值介於 0~255 的整數，圖 2-3 中各張直方 圖的橫軸為亮度，而縱軸為影像某亮度出現的次數，直方圖為表示一
張灰階影像的強度分佈。由圖 2-3 顯示這 10 張亮度直方圖的分佈寬 幅雖接近，但峰值(peak)的位置卻有所差異，因此需對各影像先進行 直方圖的等化(Histogram Equalization)，以提高其對比度來辨識出影 像中的差異處。以單色態的灰階影像為例，以 ni表示亮度 i 出現的次
圖 2-2 經過直方圖等化處理後，將每張影像的亮度都均勻展開至
a.2003/12/10 b.2004/01/14 c.2004/07/14 d.2004/09/22 e.2005/03/06
f.2005/05/23 g.2005/11/15 h.2006/03/04 i.2006/03/30 j.2006/07/28
圖 2-5 經過直方圖等化後的衛星影像
圖 2-5 為圖 2-2 各影像經直方圖等化將其亮度分佈範圍均勻展開 後的衛星影像。圖 2-5a、2-5b、2-5e、2-5f 皆因為直方圖等化而使海 水與沙灘間的亮度差異變大，但在圖 2-5g、2-5h、2-5i 中因為海水與 沙灘間的亮度差異度本來就不夠大，以致於直方圖等化所產生的效果 有限，在部分海陸交界處並沒有很明顯的亮度差異。而圖 2-5c 中則 是因為原始影像中海陸交界處有一明顯的含水沙灘段而使得在經過
直方圖等化後海水與沙灘的亮度表現上與其他圖有相反的現象。直方 圖等化能夠將影像中水域及陸域兩個亮度分佈峰直間的距離作些許 的展開，但針對不同的影像會有不同的效益。
(二)影像強化
由於直方圖均勻等化法並無法完全突顯部份影像的海陸交界，故 本研究採用影像強化來解決此問題。影像強化主要是利用一個映射函 數來轉換(mapping)原始影像中的某段強度值到新的輸出值域上，此 方法頇針對不同影像給予不同的強度輸入範圍、強度輸出範圍、以及 轉換函數曲率。三種基本的映射函數如圖 2-6 所示。在 low_in 以下、
high_in 以上的強度值將被忽略不處理直接映射到 low_out 以下與 high_out 以上。而 low_in 以上至 high_in 之間的強度值則需經過轉換 函數的處理再映射至 low_out 與 high_out 之間，轉換函數的曲率以 gamma 係數來控制，如果 gamma 小於 1，則映射出來的結果會較原 來的強度大(意即較亮)，示如圖 2-6 左邊；反之，若 gamma 大於 1，
則映射出來的結果會較原來的強度小(較暗)，如圖 2-6 右邊；若 gamma 值等於 1，則以線性映射進行轉換，如圖 2-6 中間。此方法若配合直 方圖等化即可忽略掉影像中非重點的亮度差異處，而強調出影像中的 重點差異處。
圖 2-6 影像強化中所使用的各式映射函數
a.2003/12/10 b.2004/01/14 c.2004/07/14 d.2004/09/22 e.2005/03/06
f.2005/05/23 g.2005/11/15 h.2006/03/04 i.2006/03/30 j.2006/07/28
圖 2-7 經由影像強化後的衛星影像
本研究將圖 2-5 再強化後的衛星影像圖如圖 2-7 所示。原本圖 2-5 中的海陸交界較不清楚之處，在相對應圖 2-7 中則變較清楚可辨，如 圖 2-5c 以及圖 2-5h 兩張圖海陸交界處不明顯的問題，圖 2-5c 因為在 灘線處有含水沙質，造成海面上亮度較陸地上大的問題，故在 low_out 以及 high_out 的參數設定上以 1、0 來作一個亮度分布的反相(inverse) 轉換。此外經過處理後的圖 2-7c 也成功去除海面上的波紋。圖 2-5i 經過影像強化後亦使得海面上的波紋較為淡化而突顯出海陸交界處 的邊界。
2-1-3 原始灘線的擷取方法
本研究主要從衛星影像中擷取出水陸交界之原始灘線。這種從影 像中將重要的主題或是範圍獨立出來的技巧，稱為影像分割。影像分 割主要有三種方法：一為區域成長法(Region growing method)，利用 選取初始點並將初始點周邊相關的像素點(pixel)獨立出來，而周圍非 相近像素點則捨棄，若選取多個初始點即可順利在一影像中做到切割 的動作；第二種是邊界偵測法(Edge detection method)，將影像中每個 像素點與周圍點的強度關係推算出梯度向量，再由每個像素點的梯度 向量去推估該點是否為邊界，最後將邊界獨立出來，即可獲得邊界與 區域等相關資料；第三種為臨界值法(threshold method)，設定一亮度 臨界值，在影像強度直方圖中將影像中強度點分為兩區，將影像進行
二值化(binary)後會產生強度只有 0 與 1 的影像(僅有黑白兩色)，其中 0 與 1 之間即為邊界。
在辨識海岸線的位置上，由於影像中的像素點除了代表海水與陸 地外還有許多結構物或是植物，不利使用區域成長法。故本研究嘗詴 選用邊界偵測以及臨界值法來進行分析。臨界值法為最簡單的演算 法，本文經過測詴臨界值法後發現圖 2-7a、2-7b、2-7e 以及圖 2-7f 可以明確擷取原始灘線，然而在圖 2-7c、2-7g、2-7h 以及圖 2-7i 的灘 (gradient)
g
與邊緣方向(tangent)
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12a.2003/12/10 b.2004/01/14 c.2004/07/14 d.2004/09/22 e.2005/03/06
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圖 2-8 經由 Canny 檢測器邊緣偵測所得的二值影像
由圖 2-8 中可明顯看出由 Canny 檢測器所偵測的原始灘線位置，
由圖 2-8 中可明顯看出由 Canny 檢測器所偵測的原始灘線位置，