1. 前言
珊瑚礁生態系統具有高生物含量及高生物多 樣性之特性，為珍貴自然生態資源，故對於珊瑚礁 之監測有其重要性。目前對於海洋棲地及底質種類 之測繪及監測以根據將衛星影像、航拍影像、或測 深資料等數據整併後直接於電腦顯示器上進行人 工抬頭數化(head-up digitization)方式實現，如美國 國家公園管理局(U.S. National Park Service, NPS) 與美國地質調查局(U.S. Geological Survey, USGS) 所發表夏威夷群島珊瑚礁海底棲地分佈研究報告 中，即是以地理資訊系統(Geographic Information System, GIS)平台整合航拍影像、測深資料與現地 調 查 ， 由 人 工 數 化 編 修 進 行 底 質 及 棲 地 分 類 (Cochran-Marquez, 2005; Cochran-Marquez et al., 2006)；Finkl et al. (2005)透過給予測深地形資料不 同濾波方式產出各尺度下之地形特徵，作為輔助人 工數化參考。
Brock et al. (2006)及 Wedding et al. (2008)藉由 測 深 光 達 施 測 所 得 海 底 地 形 計 算 地 形 粗 糙 度
(rugosity)，並與水下攝影以及現地探勘資料建地地 形資料與珊瑚礁及生物棲地關聯；Lundblad et al.
(2006)及 Erdey-Heydorn(2008)提出以結合測深位 置指標(Bathymetric Position Index, BPI)、坡度及地 形粗糙度等地形指標作為棲地分類；Wilson et al.
(2007)計算坡度、坡向、曲率、BPI、地形變化度 (terrain variability)等地形指標，並探討各指標於不 同尺度下作為棲地分類依據之可行性。本研究使用 測深光達數據進行東沙環礁內部之塊礁偵測，由地 形資料計算測區 BPI 及坡度並建立地形分類流程，
由地形分類成果產製塊礁分佈圖，並以人工數化塊 礁檢核其成果。
2. 研究數據
本研究使用 AHAB HawkEye II 測深光達系統 獲取之海底地形數據，此系統 發射雷射波長為 1064nm 紅 外 光 及 波 長 532nm 綠 光 兩 個 波 段 (LaRocque, et al., 2004)，接收訊號頻道除了紅外光、
綠光波段外，另接收因綠光雷射與水分子產生非彈 性碰撞所散射波長 650nm 紅光，稱為拉曼散射
(Raman scattering)。綠光波段由於具有較佳穿透水 體能力，故作為水底位置之偵測使用；而紅外光與 拉曼紅光分別屬於水面反射及近水面水體散射，故 此兩波段主要為水面位置偵測使用。HawkEye II 使用後處理軟體 CSS(Coastal Survey Studio)進行波 形處理及分析，最終解算得測區點雲資料(Isaksson,
測深位置指標(BPI, Bathymetric Position Index) 為一描述海底地形面上某一點相較於周圍高程之 指標，其定義源自於 Weiss (2001)及 Iampietro and Iampietro & Kvitek (2002)所提出應用於陸域之地 形指標 TPI (Topographic Position Index)。BPI 定義 為計算中央點高程與焦平均(focal mean)之差。焦平
林暐尊、史天元、侯尚儒、陳杰宗：以測深光達數據產製東沙塊礁分佈圖 149 且因各塊礁尺寸均不盡相同造成寬度差異甚大。由
於塊礁尺寸差異之影響，使用單一尺度 BPI 進行塊 礁偵測不易，故本研究採用兩種尺度 BPI 對海底地 形面進行分類，再由分類方式找出塊礁位置。此處 將地形面粗略分為礁崖(Cliff)、礁底(Base)、礁坪 (Flat)與礁坡(Gentle slope)四類。礁崖為塊礁周圍陡 峭部分；礁底為塊礁最外圍部分，連接塊礁上部與 塊礁外平坦區域；礁坪為一般平坦之低地；礁坡為 地勢相對較周圍略高，但坡度較緩之區域。
選擇使用的兩個 BPI 尺度時，一般取決於欲偵
測出物件之最大與最小尺寸(Lundblad et al., 2006)。
經概略量測後，實驗區東沙環礁內最大塊礁長約 600m，即以此值訂為大尺度 BPI(Broad scale BPI, B-BPI)尺度因子；小尺度 BPI(Fine scale BPI, F-BPI) 則以偵測塊礁邊緣為目標，由人工量測數個塊礁樣 本後得塊礁邊緣寬度約介於 50~100m，並以此作為 大尺度 BPI(Bine scale BPI, B-BPI)尺度因子。本研 究根據前述條件，設定大尺度 BPI 之尺度值 150m、
300m、600m，小尺度 BPI 之尺度值 50m、75m、
100m。
圖 2 不同地形面於大(上)、小(下)尺度 BPI 關係(Weiss, 2001)
圖 3 海底地形剖面分類示意圖 圖 4 為本研究所採用地形分類流程，首先利用
B-BPI 值找出不屬於塊礁之低地，以 B-BPI 值不大 於 0 之網格分類為礁坪。剩餘網格以 F-BPI 值大於 0 將塊礁周圍頂部偵測出，並分類為礁崖。其餘未 分類網格最終根據地形面所計算坡度值分類，以坡 度值大於 10 度認定為塊礁周圍較低部分之礁底，
否則視為坡度緩和的地形起伏礁坡。
B-BPI
<1m
≥1m
F-BPI
≥1m <1m
礁坪
礁崖 坡度
礁底 礁坡
≥10° <10°
圖 4 本研究採用地形分類流程
4. 成果與討論
本章將就實驗成果驗證資料說明與成果檢核 分述如下。驗證資料包含資料產製方式及條件；成 果檢核包含量化之成果精度以及誤差探討。
4.1 驗證資料
本研究選取 1 幅 1/5000 圖幅範圍作為塊礁偵 測方法檢核，其塊礁輪廓乃根據水下 DEM 以人工 數化方式圈選後平滑化而得，並將面積小於 100m2
者移除。該圖幅中數化塊礁共 105 個，面積總和約 為 618133m2。圖幅內水下 DEM 高程以灰階展示如 圖 5(上)，白色區塊即為塊礁所在，對應手繪塊礁 圖如圖 5(下)。
圖 5 驗證區域水下 DEM 及其手繪塊礁圖
4.2 成果檢核
本研究將海底地形依 BPI 及坡度條件將水下
林暐尊、史天元、侯尚儒、陳杰宗：以測深光達數據產製東沙塊礁分佈圖 151 DEM 分為礁崖、礁底、礁坪與礁坡四類，而其中
礁崖與礁底兩類均屬於塊礁之外圍部分，故將分類 後 DEM 以二元影像方式呈現，並且令礁崖、礁底 兩類像元值為 1，其餘為 0。由於部分塊礁面積較 大，在二元影像中塊礁接近中心處可能未被分類為 塊礁而呈空心狀，故分類後之二元影像需再以形態 學運算子之填滿(filling)方式處理以獲得完整塊礁 (如圖 6)。最終將填滿後塊礁轉換為向量後即為本 研究所偵測塊礁。
圖 6 塊礁區域填滿處理範例
以手繪塊礁作為檢核，分別求得由不同尺度 BPI 組合之誤授(commision)與漏授(omission)面積 如表 1 及表 2。由表 1 中塊礁之誤授面積可歸納出，
B-BPI 尺度大、F-BPI 尺度小時具有較少誤授面積，
且於 BPI(600, 50)，即大、小尺度 BPI 分別為 600m、
50m 之組合時為最佳；由表 2 所呈現漏授面積均明 顯小於誤授面積，同樣以 B-BPI 尺度大、F-BPI 尺 度小時成果較佳，且於 B-BPI 尺度為 600m 時成果 提升效果更為顯著。
表 1 不同 BPI 組合偵測塊礁誤授面積(m2)
scale factor
B-BPI
150 300 600
F-BPI
50 627257 569825 529666 75 818428 674911 610086 100 952151 745695 660145 表 2 不同 BPI 組合偵測塊礁漏授面積(m2) scale factor B-BPI
150 300 600
F-BPI 50 92580 83541 2904 75 67854 10390 2761 100 20145 10540 2886
9 組 BPI 組 合 分 類 之 整 體 精 度 (overall accuracy) 均 達 90% 以 上 ， 並 以 BPI(600, 50) 之 92.61%最佳；而各組之 KAPPA 分類精度指標雖然 亦是以 BPI(600, 50)最佳，但其精度值僅 0.66。表 3 呈現 BPI(600, 50)之混淆矩陣(confusion matrix)，
顯示出分類精度主要受誤授面積過多影響，其誤授 誤差(commission error)與漏授誤差(omission error) 分別為 46%與 0.47%。
表 3 以 BPI(600, 50)偵測塊礁之混淆矩陣(m2) 人工數化 True False 分類
成果
Positive 615230 529666 Negative 2904 6058840 比對手繪與 BPI(600, 50)所偵測之塊礁，兩者 套疊如圖 7 所示。偵測塊礁總數為 209 塊，若以兩 者重疊定義為偵測出對應之同一塊礁，則無漏授塊 礁；誤授塊礁共 107 塊，分佈如圖 8 所示。其中大 部分為高差小於 6m 之塊礁，表示若高差較小時可 能因水下 DEM 呈現灰度值差異較不顯著，容易造 成手繪時疏漏。
圖 7 手繪與 BPI(600, 50)偵測塊礁套疊成果
圖 8 誤授塊礁分佈圖
5. 結論與建議
本研究使用測深光達施測獲得之海底地形數 據繪製珊瑚塊礁分佈圖，藉由不同尺度地形指標 BPI 以及坡度為依據，以地形分類方式進行塊礁萃 取。以研究區 DEM 為底圖人工數化塊礁分佈圖作 為成果檢核，整體分類精度為 92.61%，而受較多 誤授塊礁面積之影響，KAPPA 指標僅 0.66。經比 對後誤授塊礁多為高差較小而造成人工數化時將 之忽略，而本研究方法則被偵測出。未來於繪製方 法上可將塊礁條件明確定義，獲得符合期望之成 果。
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1 PhD student, Department of Civil Engineering, National Chiao Tung University Received Date: Apr. 28, 2014
2 Professor, Disaster Prevention & Water Environment Research Center, Revised Date: Spr. 26, 2014
3 National Chiao Tung University Accepted Date: Jan. 12, 2015
3 Graduate Student, Department of Civil Engineering, National Chiao Tung University
4 Section Chief, Department of Land Administration, Ministry of Interior
*.Corresponding Author, Phone: 886-3-5712121 ext. 54940, E-mail: [email protected]