1. 前言
太陽的電磁輻射光譜為地球主要之能量來 源，而植物係一有機生命體，本身為行光合作用之 故，對於不同光譜波段區間的反應均不一，因此植 物光譜特徵中所涵蓋的資訊，對於遙測研究中具有 相當重要之意義，如可見光與近紅外光能反映植物 的葉綠素含量、結構型態與物種差異等(Chappelle et al., 1992; Slaton et al., 2001; Schmidt and Skidmore, 2003)，據此可應用遙測影像進行植群的辨別與分 類。
植物本身受遺傳與氣候因子影響，許多植物 皆會於不同的季節，產生內部生理與外部型態之變 化，這些物候現象(phenology)亦反映於植物光譜特 徵。許多研究指出，不同植群型常因相似的物候現 象，使遙測影像分類時，影響其分類結果的準確度 (Cochrane, 2000; Dennison and Roberts, 2003; Armitage et al., 2004)。地面手持光譜儀可量測不同生長季節
的植群冠層，能獲得不同植群型間，因物候現象所 產生的獨特光譜特徵(Karnieli, 2003)，配合統計分析 評估植群光譜之差異性，可瞭解辨別植群適宜的季 節，以及偵測時所需的光譜區間等訊息(Schmidt and Skidmore, 2003; Pena-Barragan et al., 2006; Gao and Zhang, 2006)。
國內亦有許多利用地面手持光譜儀量測的 相關報告，包括水質、作物與藻類監測等(李裕娟、
楊純明，2003; 楊純明等，2003；陳榮坤、楊純明，
2003，2004；張芳銘等，2004；蕭國鑫等，2005；
章國威等，2007)，目前對於植群辨別方面的研究 屬少數，本研究以墾丁國家公園為研究區，利用地 面手持光譜儀，量測本區主要優勢植群之終年光譜 資料(包含乾、濕兩季)，觀察植物不同物候階段之 光譜特徵，並藉此模擬遙測多光譜與高光譜特性，
評估適宜辨別植群的季節與光譜區間，期能提供本 區未來遙測影像應用於大尺度植群分類之參考基 礎。
收到日期:民國 96 年 12 月 05 日 修改日期:民國 97 年 03 月 03 日 接受日期:民國 97 年 03 月 17 日
1國立屏東科技大學生物資源研究所博士班研究生
2國立屏東科技大學森林系副教授
3國立屏東科技大學森林系教授
4國立屏東科技大學熱帶農業暨國際合作系碩士班研究生
航測及遙測學刊 第十三卷 第一期 民國 97 年 3 月 20
2. 研究區域
本研究區設於墾丁國家公園境內，如圖一，
地理位置處於台灣最南端之恆春半島，東瀕太平 洋，西鄰台灣海峽，南面巴士海峽，是一個3面環 海的地形，境內地形以低山及丘陵台地為主，最高 峰老佛山海拔高為674m，氣候屬熱帶性氣候，年 溫差不大，以1月份最冷，平均氣溫為20.5℃；7月
份最熱，平均氣溫為28.3℃。據中央氣象局恆春測 候站1998~2006年之月平均降雨量顯示，如圖二(中 央氣象局網站資料)，雨量1~4月之雨量分布最低，
平均降雨量皆低於50mm，5月起至10月則為雨量豐 沛之時期，平均降雨量皆高於100mm以上，11月起 因受東北季風(俗稱落山風)影響，平均降雨量逐漸 下降(100mm以下)，至翌年4月則為乾燥之時期，因 此本區可明顯區分乾、濕季兩種季節。
圖一： 研究區－墾丁國家公園
圖二： 本研究區 1998~2006 年之月平均降雨量
呂明倫、葉慶龍、鍾玉龍、謝依達：墾丁國家公園四種優勢植群之地面光譜分析 21
3. 研究方法
3.1 樣區設置與植群光譜量測
據往昔墾丁國家公園境內之植群調查報告與 現地觀察可知(陳玉峰，1985；蘇鴻傑、蘇中原，
1988；葉慶龍，1994)，低山與丘陵台地佔據面積較 大之優勢植群包含銀合歡(Leucaena leucocephala)、
黃荊(Vitex negundo)與相思樹(Acacia confuse)，另經 本研究現場勘查發現，濱海地區富含豐富的珊瑚礁 與海岸林植物，其中以東海岸一帶的林投(Pandanus odoratissimus)分布最廣，因此本研究選定銀合歡、
黃荊、相思樹與林投等4種優勢植群。樣區選取係 藉由1/5,000像片基本圖，以及農航所出版之最新航 空照片等輔助資料，配合高精度之GPS進行現場實 地勘查，選取覆蓋面積廣之純林設置調查樣區，所 選定之樣區分布位置如圖1所示。取樣設計上係各 別針對4個樣區處，於大約20×20m2大小之範圍內，
設置3個10×10m2之次樣區，4種優勢植群共計12個 次樣區，為利於統計分析，每一次樣區內均至少測 定10個以上的樣本，取樣方式以逢機取樣取得光譜 資料(Schmidt and Skidmore, 2003)，調查工作以2006 年11月起至2007年10月止，每個月針對4種優勢植 群之次樣區進行光譜量測。
地面手持光譜儀採用美國地球物理與環境公 司所研發之GER 1500，所接收之光譜資料即為目標 物之反射量，本研究所量測之目標物為4種優勢植 群之冠層反射率。野外工作選擇每月天氣晴朗、雲 層少之天氣，時間為10:00~15:00點間完成所有量測 工作，每一樣本量測時，採用光纖連接鏡頭，視野 範圍(field of view)為23°，與樣本距離取1m，形成約 直徑0.4m的接收範圍，由於某些較為高大植群的冠 層資料不易取得，因此以高枝剪取得冠叢樣本，樣 本長寬至少為0.4×0.4m2，較低矮的植群則以高腳A 字梯輔助量測。GER 1500所接收之每一樣本光譜區 間介於350~1,050nm，以1.5nm為一個波段區間，惟 光譜之極端兩側之範圍易受大氣干擾，且可見光至
近 紅 外 光 段 範 圍 為 辨 別 植 物 物 種 之 重 要 區 間 (Cochrane, 2000; Vrindts et al., 2002; Schmidt and Skidmore, 2003; Pena-Barragan et al., 2006; Gao and Zhang, 2006)，故本研究取400~900nm較為穩定之光 譜資料進行後續分析。為觀察4種優勢植群之光譜 特徵於不同月份之變化，植群之光譜資料以ASCII 格式建檔後，將植物光譜反射量除以儀器所附之參 考板反射量，即可修正野外不同量測時間之光量誤 差，獲得各植群樣本之光譜反射率。而各別計算4 種優勢植群次樣區內，每一有效樣本之平均值，即 獲得植群於每個月份400~900nm之光譜反射曲線。
3.2 光譜資料分析
3.2.1 多光譜分析
本研究所獲得之光譜資料除用於瞭解植群每 月之光譜特徵外，另模擬多光譜遙測資訊，探討各 植群間之光譜特徵。目前國內所使用之遙測產品仍 以國立中央大學太空及遙測中心所提供之SPOT衛 星影像最為普及，本研究將每一樣本之光譜資料擷 取符合SPOT影像之綠光段(XS1: 500~590nm)、紅光 段(XS1: 610~680nm)與近紅外光段(XS3: 790~890 nm)，分別計算3種光譜波段平均值，以利於評估 SPOT影像應用於植群分類之可行性。
3.2.2 高光譜分析
高光譜遙測資訊方面，本研究模擬現今使用較 為 頻 繁 的 高 光 譜 影 像 特 性 ， 如 空 載 的 airborne visible/infrared imaging spectrometer (AVIRIS)、全球 第一顆高光譜衛星影像－Hyperion影像，將每一樣 本所包含400~900nm之光譜資料切割成10nm為一 波段之窄頻資訊，共計可切割成50個波段。進行4 種優勢植群辨別時，則先觀察植群之光譜反射曲 線，再將具辨別植群潛力之波段選取出，並分別計 算每一樣本所選取出來的光譜波段平均值，以利於 評估高光譜影像應用於植群辨別之可行性。
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3.2.3 統計分析
本研究4種優勢植群於12個月份之多光譜與 高光譜波段資料建構完畢後，利用變異數分析之鄧 肯氏(Duncan)多重檢定作進一步分析，比較不同月 份、不同光譜波段彼此間是否具差異性，其中具顯 著差異性(p ≤ 0.05)之月份與光譜波段，即為適於辨 別4種植群光譜特徵之重要依據。
4. 結果
4.1 植群光譜特徵
為觀察4種優勢植群之光譜特徵變化，本研究 各別蒐集每月銀合歡、黃荊、相思樹與林投之冠層
光譜資料，惟因本研究區氣候可劃分乾、濕季，資 料彙整結果發現，植群的月變化較不明顯，為此光 譜反射曲線之呈現方式以兩個月為間距，以突顯其 變化程度，如圖三。大體觀之，11、5、7與9月時 期中，4種植群之光譜反射率雖有差異，惟曲線型 態皆有相仿的分布(圖三a、d、e、f)，而7、9月份 最雨量分布最多時期，4種植群之曲線型態最為接 近；1、3月份最乾燥之時期，光譜反射曲線型態與 其他月份較有明顯的不同，其中銀合歡與黃荊於該 時期中，光譜反射量係隨著波長的增加而持續上 升，有別於相思樹與林投(圖三b、c)。由紅外光段 較平緩之區間觀之(約750~900nm)，銀合歡與黃荊1 月份約介於20~30%之間，3月份則約介於20%左 右，相思樹與林投1月份約介於30~40%之間，3月份 則約介於30 %左右，皆明顯高於前兩種植群。
圖三：本研究4種優勢植群之光譜反射曲線
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4.2 多光譜分析結果
為評估多光譜遙測資訊辨別4種優勢植群之 潛力，本研究模擬國內使用最為廣泛的SPOT影 像，將光譜資料切割為綠光、紅光與近紅外光3種 波段，並觀察每個月份之光譜差異性。統計分析結 果列於表1，每一月份中4種優勢植群之3種波段均 無法達顯著性差異，因此於多光譜的尺度下辨別4
種優勢植群，須將光譜特徵相似之植群合併。乾季 中若將銀合歡與黃荊合併為一植群型，相思樹與林 投合併為一植群型，即可發現11、1月份中的紅光 段，以及3月份中的紅光與近紅外光段，可有效辨 別合併後的植群型；濕季中若將銀合歡與林投可合 併為一植群型，黃荊與相思樹可合併為一植群型，
即可發現7月份中的近紅外光段，可有效辨別合併 後的植群型。
表1 本研究4種優勢植群之多光譜差異檢定結果