行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
以側掃聲納系統進行珊瑚礁分布現況之調查研究
執行單位：國立中山大學海洋環境及工程學系 計畫編號：NSC89-2621-Z-110-013 計畫主持人：田文敏 協同主持人： 研究人員：賴明賢、歐榮昌 聯絡方式：高雄市鼓山區蓮海路十七號 國立中山大學海洋環境及工程學系 [email protected] 摘 要 珊瑚礁生態系之保育與維護，實有賴於礁體之長期調查與監測，方能達到適時發現 問題與迅速提出解決之道的基本原則。目前有關珊瑚礁現況之調查方式，不論國內與國 外，皆以使用『穿越線法』為基礎之水肺潛水調查為唯一之選擇。此方法雖可達到定量 統計之目的，但在執行上有調查速度極為緩慢、僅適合於淺水區域進行、調查涵蓋面積 有限、對珊瑚礁整體分布狀況不易全盤掌握、危險性高、且需專家級調查人員方能滿足 基本要求的限制。因此，實有必要引用其他種類之調查方法，使珊瑚礁之現況調查工作 能夠順利進行。本研究計畫之主旨在於使用工程探勘之方式（側掃聲納系統與水下攝影 機）進行大範圍（例如：墾丁南灣地區）珊瑚礁之現況調查。 珊瑚礁現況的調查工作，就工作本質而言，與水下目標物之搜尋與辨識極為相近。 水下目標物之搜尋、辨識、定位以及監測是一項極為專業的工作，其困難度與目標物之 質與量、海床背景底質狀況、水深、海況（潮汐、浪流、水溫、鹽度等）以及海域活動 （漁撈、航運等）有密切關係。一般而言，目標物之體積越小、數量越少、或目標物之 性質與海床背景底質之差異性越小，搜尋與定位之困難度越高。水下靜態目標物之探測 方式，基本上可分為：光學設施﹝潛水觀測、水下搖控潛航器觀測﹞與聲學設施﹝回聲 測深儀或魚探機、多頻道測深儀、側向掃瞄聲納系統﹞。由於儀器功能與解析度之差異， 在執行步驟上先以聲學設施﹝側向掃瞄聲納系統﹞進行大範圍偵測，其次再以光學設施 ﹝水下攝影機﹞進行細部觀測與驗證工作。 以側掃聲納系統，在高解析度模式設定下（聲波發射頻率為 500kHz，單向聲納掃 描斜距為 50 公尺），針對琉球嶼四週海域珊瑚礁現況所進行之初步調查結果顯示：本區海床以礁石物質為主，而局部區域為具有明顯砂漣構造之砂質沉積物所覆蓋。由聲波信 號反射強度、聲學陰影、以及目標物外形與分布狀況等項目研判，部分礁石質海床具有 鹿角珊瑚與軸孔珊瑚的明顯特徵，其分布區域以琉球嶼東部與東南海域為主。 緒論： 珊瑚礁是海洋中生物多樣性最高、生物量最豐富的生態系,常被稱為「海洋的熱帶 雨林」；珊瑚礁物種和基因的多樣性，提供種類豐沛的漁業和藥物資源；珊瑚建造礁體、 捍衛陸地的功能,則對沿岸的水土保持及土地利用有重要貢獻；珊瑚礁壯麗雄偉的景觀 更是珍貴的遊憩資源；此外﹐珊瑚及其共生藻吸收二氧化碳、堆積碳酸鈣的功能對於減 低溫室效應維持全球生態系的平衡上，也扮演重要的角色，因此,珊瑚礁不僅是地球上 重要的生態系, 也是重要的自然生態資產。 珊瑚礁僅占海洋表面的 0.3% ，絕大多數都在淺水域或是離岸不遠處﹐很容易受 到陸上活動的影響。事實上，目前全世界許多珊瑚礁區都有"不正常"現象的發生。譬如： 珊瑚白化的現象，每年在加勒比海的許多地區都有報告。今年（1998 ）更在全球五十 個地區，包括台灣，都發生大規模的白化現象，而珊瑚白化通常是珊瑚死亡的先奏。此 外人為的直接間接影響也常常是造成珊瑚礁衰敗的重要因素，譬如：在東南亞等國家不 當毒魚、採集等活動，已造成珊瑚礁區的影響。有鑑於珊瑚礁生態系所面臨的危機，1997 年被訂為國際珊瑚礁年，希望喚起全球政府、民眾、及科學家的重視，藉由積極的管理、 教育、研究等多方面努力，來了解並有永續保有這珍貴的自然資源。 在珊瑚礁區長期調查的案例很少，主要原因可能是因為調查的重要工具（水肺潛 水）在 1960 年以後才發明，但是在牙買加唯一多年監測結果中，卻發現在短短 15 年 間(1978-1993 ) 活珊瑚的覆蓋面積，由 50% 降到了 5% ，同時期內藻類亦有劇烈的變 動，由原本不到 5% 上昇到目前的 95% ﹔根據研究者的推斷,有幾個因素是造成牙買加 珊瑚礁急遽消失的原因，一、該島人口密度持續上升中，造成過漁，使得藻類繁生而妨 礙珊瑚生長及著苗；二、1983 年海膽大量死亡，藻類少了天敵，繁生結果造成與珊瑚 競爭；三、1980 年愛倫颶風對牙買加海下的枝狀珊瑚造成嚴重破壞，颶風過後珊瑚的 回復到目前為止仍很緩慢；四、珊瑚礁中各種生物存在本是常態，但目前高密度的藻類 已使珊瑚不太容易回復到珊瑚礁應有的常態。 經由 1997, 1998 兩年針對台灣附近海域所進行之珊瑚礁總體檢發現：台灣各處珊 瑚礁都已遭受到不同程度與不同來源的破壞。在整個複雜的珊瑚生態系中，光線、棲所、 水質•••是造就珊瑚礁的客觀環境因素﹔而懸浮物、藻類（大型底棲或小型浮游）、 營養鹽、溫水等等是造成珊瑚破壞的因素。為了要保育這自然的生態系，必須要了解各 重要影響因素所佔破壞的比重，影響的區域範圍，以至於影響的機制。以懸浮物為例， 若能知道海域沉積物來源，將可指引執法的重點，若能了解懸浮物所造成破壞的特徵，
將可以比較哪些海域較容易受懸浮物影響，以及哪些生物較容易受其迫害，並進而能鑑 定不同海域受不同來源迫害的程度。以添入量研究為例，它可以告訴我們受破壞礁體自 然恢復的潛力，是否有必要借助人為力量來加速生態系還原的速率。以藻類─營養鹽研 究為例，應可解析目前南灣海藻繁生到底是優養化造成，或是草食性生物減少的結果， 對保育舉措的選擇將有決定性的影響。 珊瑚礁生態系之保育與維護，實有賴於礁體之長期調查與監測，方能達到適時發 現問題與迅速提出解決之道的基本原則。目前有關珊瑚礁現況之調查方式，不論國內與 國外，皆以水肺潛水調查為唯一之選擇。以台灣在過去二年進行珊瑚礁體檢之方法為 例，基本上是以穿越線法為基礎。調查人員在海底分別沿著 3m 和 10m 等深線，以捲尺 拉出一條 100m 長之穿越線。然後再調查以穿越線為中心，半徑 5m 的範圍內的特定魚 類及無脊椎動物。從他們的數量可以判斷人類活動對珊瑚礁造成的影響。調查人員還要 沿著 100m 線，每隔 0.5m 記錄穿越線正下方的海底底質構成物質，究竟是石珊瑚、軟 珊瑚、死亡的珊瑚、岩石或沙質海底。如此可算出珊瑚礁之覆蓋率與此區域之海底環境 特性。此外，調查人員還要紀錄調查範圍內之珊瑚有無被炸藥、船錨或潛水者破壞的痕 跡、珊瑚有無疾病、白化的比例、海底有無廢棄的魚網或垃圾，甚至垃圾的大小等等細 節，這些資料可作為評估人類活動對珊瑚礁影響的程度。最後，調查人員還要完成該地 點的歷史性描述，說明這個區域在過去是否被人利用或遭受特殊事件如颱風等。 以上所描述之方法，雖可達到定量統計之目的，但在執行上有調查速度極為緩慢、 調查涵蓋面積有限、危險性高、且需專家級調查人員方能滿足基本要求的限制。因此， 實有必要進行其他種類調查方法之嘗試與研發。 水下靜態目標物或海床地貌之探測方式，基本上可分為：光學設施﹝潛水觀測、 水下搖控潛航器觀測﹞、聲學設施﹝回聲測深儀或魚探機、多頻道測深儀、側向掃瞄聲 納系統﹞與地球物理設施﹝以磁場強度探測為主﹞。以上所列舉之儀器設備，不論是在 功能、即時性、效率與經濟等各項因素的考量下，皆以側向掃瞄聲納系統為最佳選擇﹝例 如：Franzen, 1981; Stringer, 1983; 梁與劉，1995; 羅與連，1997;田，1997﹞。 側掃聲納系統係應用聲波反射的原理所設計之水下與海床探勘儀器，其有效探勘範 圍約為探測航線兩側各百公尺寬之帶狀區域，解析度最佳可達 0.75cm。此系統在海床 地貌描繪、海床表層沉積物性質判別、以及海床上與水中目標物搜尋等水下工作上，均 扮演著極為關鍵的角色。以側掃聲納系統進行探測時，有關目標物判定的基本原則包 括：目標物與海床聲波信號反射強度對比、聲學陰影、以及目標物外形與分布特徵等項 目。一般而言，側掃聲納圖像上所顯示之灰階的濃淡程度與聲波反射信號的強弱成正 比；而聲波反射信號的強弱則與障礙物之反射係數有關。若目標物與海床聲波信號反射 強度有明顯之差異，則可根據側掃聲納圖像上灰階的濃淡程度，進行目標物判別。此外， 若目標物突出於海床之上，則其後方將會產生聲波陰影區（在側掃聲納圖像上為空白
帶）。由側掃聲納探勘時所收集之聲波反射資料、聲源與障礙物之幾何位置、以及障礙 物所產生之聲波陰影區之長度，可據以計算障礙物﹝如人工魚礁、泥火山等﹞突出海床 之高度。 側掃聲納系統在水下之應用範圍極為廣泛，但在對於珊瑚礁現況的調查工作上， 不論在國內或國外，皆缺少嘗試使用此項儀器進行調查的報導與記錄。由過去使用此儀 器之經驗、此儀器之特性以及其最佳解析度可達 0.75cm 判斷，對於海底底質構成物質、 珊瑚有無被炸藥、船錨或潛水者破壞的痕跡、海底有無廢棄的魚網或垃圾，甚至垃圾的 大小等等細節，皆可進行極為精確之辨識。至於無脊椎動物、石珊瑚、軟珊瑚或死亡的 珊瑚的辨識，雖然這些物種之構成物質在物理與聲學特性上有差異，可據以作為辨識的 依據，但由於此方面之判別經驗尚未建立完成。因此，本系統之探測結果需與潛水人員 現場觀測結果或水下攝影資料進行相互對比與驗証，以便建立各個物種之物理與聲學特 性資料庫，並據以做為珊瑚礁區物種辨識的依據。 本研究在方法上係以側掃聲納系統為主，水下攝影系統為輔，進行台灣附近海域珊瑚礁 現況之調查與研究。調查與研究進行之步驟包含：探測路徑規劃、海床聲學影像資料收 集、影像判讀與分析、影像拼圖、目標物辨識、以光學系統進行目標物確認等項目。 儀器設備與工作原理： 本研究所使用之探測系統分為聲學與光學二部分，主要儀器設備項目如下： 1. 側掃聲納﹝以 Klein Hydroscan 590 Sonar 為主體﹞：
(1) 數位聲納圖像記錄器（Klein 595 digital graphic sonar recorder）。 (2) 雙頻拖魚﹝100 與 500 kHz﹞(Klein 422S-101HF towfish)。 (3) Sea Mac 船用絞機與 Kevlar 強化輕拖纜。
2. 資料收集、儲存與處理系統：
(1) 聲納資料收集與處理系統﹝EOSCANTM
, Polaris Imaging, Inc.﹞。 (2) 聲納資料拼圖軟體﹝EOMAPTM
, Polaris Imaging, Inc.﹞。 (3) 聲納資料檢視軟體（Image Viewer, 自行研發）。
(4) 聲納資料斜距修正軟體（Slant Range Corrector, 自行研發）。 3. 定位與導航系統：
(1) 差分式全球衛星定位系統（DGPS）(KGP-931D, Koden Electronics Co.)。 (2) 可攜帶式個人電腦。
4. 水下定位系統﹝LXT Underwater Tracing System, ORE International, Inc.﹞： (1) 控制與顯示單元﹝Model 4430B﹞。
(2) 聲波發射與接收組件﹝Model 4213B﹞。 (3) 深距多重信號產生器﹝Model 4337B﹞。 (4) 電子羅盤﹝Model 4411B﹞。
(5) 整合定位軟體﹝IPS software, V3.26﹞。 5. 水下攝影系統：
(1) 拖曳式水下攝影機 (TOV-1, J.W. Fishers MFG Inc.)。 (2) 影像監視與儲存裝置(TV & VCR)。
有關側掃聲納系統的基本工作原理、設計要件、與水下聲學等之相關議題，請參閱 相關之文獻如：Mazel, 1985; Urick, 1975; 田, 1996a 等。當目標物經由側掃聲納之搜尋、 辨識與判別而確認後，此目標物之精確定位是此目標物能否被確實掌握的關鍵。此項目 標物精確定位工作包含目標物、拖魚、與研究船間之座標轉換。其中包含：目標物與拖 魚間的相對位置、拖魚與研究船之相對位置、以及研究船本身之絕對位置等。一般而言， 研究船之定位工作，以差分式全球衛星定位系統（DGPS）所得之結果準確性極佳。拖 魚與研究船間之相對位置，可根據幾何原理﹝拖魚深度與拖纜長度﹞進行初步估算；若 使用水下定位系統，並配合整合定位軟體﹝IPS software﹞，則可進行較精確之拖魚定 位工作。而拖魚與目標物間之相對位置，則可經由聲納圖像之判讀加以確定。有關各項 儀器設備之配置關係，請參閱圖-1。 成像原理與解析度： 聲學影像(sonograph)與光學影像(photograph)的基本差異，除了用以成像之介質（聲 波與光波）與頻率狀態（單頻與複頻）不同外，尚包括成像原理的差異。光學影像的成 像原理可看成是照明和反射的乘積。以 i(x,y) 代表照明函數，r(x,y) 代表反射函數則影 像 f(x,y) 可寫成：
f(x,y) = i(x,y) 3 r(x,y)
因此，光學影像之特徵為平面一次成像，具色彩。但光波在水中之衰減率極大，故光學 影像之有效範圍極為狹窄，一般約僅數公尺。聲學影像之成像原理為線狀訊號並列成平 面影像，訊號僅有強弱或灰階濃淡的差異，不具色彩。由於聲波在水中之衰減率較小， 故聲學影像之有效範圍較大，甚至可達數百公尺之規模。
影像之解析度為分辨緊密相連物體之能力。聲學影像之解析度可分三方面來討論 （Mazel, 1985; Tyce, 1986; Johnson, 1990）：理論解析度（Theoretical Resolution）、系統 解析度（Instrumental Resolution）與影像處理解析度（Image Processing Resolution）。理 論解析度為聲波能夠解析之最小尺度，為所使用聲波脈波長度之一半。對於頻率為 500kHz 之聲納脈波而言，其理論解析度可達 7.5mm。系統解析度根據成像原理可分成 垂直測線解析度（Across Track Resolution）與沿測線解析度（Along Track Resolution） 二部分。其中垂直測線解析度與拖魚之距離有關；而沿測線解析度與側掃聲納系統之水 平聲束寬度、拖魚拖行速度與脈波間距等項因素有關。影像處理解析度可定義為：經過 訊號處理與儲存後，所展示之聲學影像上每個素像之寬度。一般而言，影像處理解析度 是決定聲納影像優劣的關鍵因素，因此常被用來作為不同廠牌側掃聲納系統間相互評比 的依據。以本研究所使用之聲納系統而言，每次聲納脈波乒發後所記錄之素像數為 1024
點，若掃瞄斜距設定為 75 公尺，則聲學影像之實際解析度約為 5.5 公分。理論上，影 像處理解析度之提升，可經由減少掃瞄斜距設定或增加每次聲納脈波乒發後所記錄之素 像數等二種方式進行。 結果： 本研究在交通、距離與珊瑚礁現況等因素之考量下，選擇屏東縣琉球嶼四周海域做 為探測範圍。探測期間，受天氣與海況等因素影響，共計進行四次探測。 由側掃聲納系統之探測結果顯示：琉球嶼四周海域海床地貌現況變異性極大。明顯 之地貌特徵包括：巨石海床﹝西南海域，見附圖-2﹞、具砂漣構造之平坦砂質海床﹝西 部海域，見附圖-3﹞、平坦之石質海床﹝東部海域，見附圖-4﹞。由聲學影像初步分析 結果顯示：東部海域具有較佳之珊瑚礁訊號，而西南海域珊瑚礁之狀況尚須進一步驗 證。 由水下攝影機之連續攝影並配合光學影像拼圖技術顯示：琉球嶼東部海域珊瑚礁 生長狀況較佳﹝見附圖-5﹞。所收集之影像經初步判讀，可滿足分類研究的需求，大多 數珊瑚礁可鑑定至“屬”之程度。 結論： 本研究結果顯示，側掃聲納系統、水下射影機與整體定位系統配合相關之影像處 理技術與影像辨識經驗，對於珊瑚礁現況之調查與記錄工作可提供一種較為有效之研究 方法。 致謝： 本研究承蒙中山大學海洋生物研究所所長宋克義教授的頂立支持與提供相關珊瑚 礁資訊，使本計畫能夠順利進行，謹此致謝。 參考文獻： 1.田文敏,〝以側掃聲納系統監測海底人工棲所之實例研究〞；海下技術季刊；第七卷﹝第 四期﹞；pp. 2-13，(1997)。 2.田文敏, 〝側向掃描聲納系統之基本工作原理〞，國立中山大學海洋環境學系海上實習 課程教材，25 頁，(1996)。 3.陳陽益、莫顯蕎、李忠潘、薛憲文、田文敏、黃材成、劉金源、曾若玄,〝中鋼公司海 拋爐石位移原因探討研究〞國立中山大學海洋科學研究中心，180 頁，(1997)。
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12. Urick, R.J., “Principles of Underwater Sound for Engineers,” 2nd ed., New York, McGraw-Hill Book Company, (1975).
