應用衛星影像測繪南海島礁

Volume 20, No.1, 2016, pp. 43-60 DOI：10.6574/JPRS.2016.20(1).4

1國立中央大學太空及遙測研究中心 助理研究工程師 收到日期：民國 104 年 08 月 27 日

2國立中央大學太空及遙測研究中心 教授 修改日期：民國 105 年 01 月 06 日

3內政部 簡任技正 接受日期：民國 105 年 01 月 13 日

4達雲科技 總經理

＊通訊作者, Email: [email protected]

應用衛星影像測繪南海島礁

劉建良

陳良健

王成機

徐偉城

摘 要

為掌握完整且正確之島礁資訊，本研究針對南海周邊海域島礁測繪其基礎圖資，並就重要島礁持續 監測其自然環境及人為開發情形。考量高解析遙測衛星影像 0.5 公尺級之解析能力，且在無地表控制點可 供校正情況下，絕對定位精度優於 5 公尺，合於島礁地圖測繪使用。加以其具彈性與機動之優勢，可不 受干擾自由拍攝全球各地現況影像，可替代登島實際勘測或使用航空攝影測量技術等方式，對於距臺灣 遙遠之島礁地圖測繪需求，高解析遙測衛星影像成為本文選定之方案。

本文針對島礁之測繪成果包括(1)衛星影像校正、(2)向量化、(3)基本圖製作、(4)立體地形建構及(5) 變遷監測。影像校正採用有理函數模型產生衛星正射影像，向量化係於正射影像描繪重要地物邊界，基 本圖製作針對類比輸出規定之格式產生，立體地形建構則組合影像匹配及人工編修產生數值地形模型，

變遷監測則依多時序衛星影像比對島礁之自然與人為變化。本文成果對於南海島礁現況可提供豐富之空 間資訊。

關鍵詞：南海、衛星影像、島礁、基本圖、變遷監測、數值地形模型

1. 前言

為掌握南海島礁之精確資訊，蒐集重要島礁之 空間資訊並測繪其基礎圖資，以及研析重要島礁自 然與人為變遷情形乃必要工作。本研究逐年進行南 海島礁資料蒐集及建置工作，本文將介紹工作方法 並展示部分成果。

地圖測繪常用之航空攝影測量技術，受到幅員 廣大及主客觀條件之限制，不易完成上述島礁之測 繪任務。近年來，衛星遙測科技快速發展，使用衛 星影像測繪島礁地圖成為可行，其優點包括：(1) 資料取得之普遍性、(2)解析度可達 0.5 公尺、(3) 同幅影像內相對精度可優於 1 公尺及(4)在無地面 參考點以供校正之情況下，絕對定位精度可優於 5 公尺 (國立中央大學，2013)。此高精度之定位能 力主要源自衛星之(1)優異之全球衛星定位系統、(2)

高精度之慣性量測系統及(3)恆星追蹤儀(Smiley, 2009)。另配合全球少數之定位檢校站，使得影像 精度適於地圖測繪。此外，高解析度衛星影像尚有 多光譜之資訊，可製作彩色影像地圖。

本文所稱之「島礁」屬通稱，涵蓋自深水、淺 水、至水上區域，它包括了(1)灘、(2)暗沙、(3)礁、

(4)沙洲及(5)島嶼（吳啟南與李元炎，1993）。各類 之意義分別如下：

(1)灘：在水底下較深處隆起，體積廣大且頂 部平坦之岩礁。

(2)暗沙：大灘繼續向上生長，直至水面下較 近處者，謂之暗沙。

(3)礁：隱伏於水面下近處，低潮時全部或部 份露出水面之岩礁。

(4)沙洲：些微露出水面之岩礁，上面覆蓋沙 礫者。

(5)島嶼：海水無法淹沒，且長有草木、棲有 鳥獸者。

本文涵蓋範圍包括南海之島礁，主要目標島礁 共 251 個。製圖基準為 WGS84 (World Geodetic System 1984)，其長軸半徑 6378137 公尺，扁率為 1/298.257223563。考量海域圖之全球性，所選擇之 投 影 坐 標 系 統 為 世 界 橫 麥 卡 托 投 影 (Universal Transverse Mercator, UTM)，所使用到之 UTM 投影 帶含 UTM49 及 UTM50。高程系統因無法得到全 區長時間之實測潮位資料，故以影像中海陸交界線 起算將其高程設為零。南海地區潮汐變化約 0.5 公 尺，對於淺水平緩區之海陸界線圈繪仍有影響。

本文介紹利用衛星影像針對南海島礁，進行島 礁衛星影像校正、向量化、基本圖製作、立體地形 建構及變遷監測。影像來源包括 WorldView-3、

WorldView-2 、 WorldView-1 、 GeoEye-1 、 QuickBird-2 及 IKONOS-2 等六顆美國之商用衛星。

島礁基本圖製作方式依循「東海及南海島礁基本圖 測製規範(草案)」(內政部，2012)之規定。另外，

針對部分島礁蒐集多時期衛星影像，以人工進行前 後期影像比對，判釋各項地物變遷情況。部分取得 立體對影像之島礁，以立體測繪方式數化地物，並 產製網格之數值地形模型包括數值地表模型及數 值高程模型。

2. 方法

測繪南海島礁之工作包括衛星影像校正、向量 化、基本圖製作、立體地形建構及變遷監測。以下 說明各項工作處理程序。

2.1 衛星影像校正

使用之影像以 WorldView-2 及 GeoEye-1 衛星 影像為主，其垂直攝影時影像解析度為 0.41 公尺。

基於解析度考量，原則上選用傾角為 30^o內之影像 以確保解析度優於 0.55 公尺。衛星影像需經校正 方可與地面坐標系統結合，此處採有理函數模型 (Rational Function Model, RFM) (Chen et. al., 2006 ; Toutin, 2004)，並使用衛星公司提供之有理多項式 係 數 (Rational Polynomial Coefficients, RPCs)

(DigitalGlobe, 2015)。一般而言，在未使用地面控 制資料時，其定位誤差優於 5 公尺(國立中央大學，

2013) 。 其 餘 WorldView-3 、 WorldView-1 、 QuickBird-2 及 IKONOS-2 之影像亦選擇解析度優 於 1 公 尺 者 ， 其 定 位 精 度 與 WorldView-2 及 GeoEye-1 相近。

本文使用之有理函數模式，以兩個多項式的比 值進行物像空間轉換。衛星公司所提供的 80 個有 理多項式係數係由載體外方位參數轉換而來。利用 此 80 個有理多項式係數可建立物空間與像空間之 關係，如式(1)所示。

𝑥=[1 𝑍 𝑌 𝑋 ⋯ 𝑌³ 𝑍³]∙[𝑎1 𝑎₂ ⋯ 𝑎20]^T [1 𝑍 𝑌 𝑋 ⋯ 𝑌³ 𝑍³]∙[𝑏1 𝑏₂ ⋯ 𝑏₂₀]^T

(1) 𝑦=[1 𝑍 𝑌 𝑋 ⋯ 𝑌³ 𝑍³]∙[𝑐1 𝑐₂ ⋯ 𝑐₂₀]^T

[1 𝑍 𝑌 𝑋 ⋯ 𝑌³ 𝑍³]∙[𝑑₁ 𝑑₂ ⋯ 𝑑₂₀]^T

其中，𝑎₁~𝑎₂₀，𝑏₁~𝑏₂₀，𝑐₁~𝑐₂₀，𝑑₁~𝑑₂₀為衛星 公司提供之有理多項式係數，𝑋, 𝑌, 𝑍為地面坐標，

𝑥, 𝑦為影像坐標。

因並非所有島礁均具備立體對影像可製作數 值高程模型，因此衛星影像幾何校正程序分為具備 立體對及無立體對兩種校正方式。有立體對之島礁 衛星影像，利用所產製之數值高程模型及立體測繪 之三維坐標作為控制資料，配合有理多項式係數進 行幾何校正。無立體對之島礁衛星影像，僅能假設 島礁為具單一高程之平面，配合有理多項式係數進 行幾何校正。綜觀南海地區島礁地形起伏最大之島 礁其高度差約 8.5 公尺，因此當衛星拍攝角度大至 30^o時，若視高程為定值，造成影像校正之差異小 於 5 公尺。

2.2 向量化

依照「東海及南海島礁基本圖測製規範(草案)」

之規定，為求島礁地物向量資料成果精確，以人工 判釋為主，自動化分析為輔。有立體對可供三維量 測時，採用數位影像工作站進行測繪。若僅有單幅

影像，則進行單像判釋。

本文使用之衛星影像內容包含以下三類，(1) 全 色 態 影 像 (WorldView-1) 、 (2) 全 色 態 加 強 (Pan-Sharpening)影像(R,G,B 波段)及(3)全色態及多 光譜影像(R,G,B,IR 波段或 WorldView-2 八波段)。

全色態影像並無進行影像前處理，而全色態加強影 像則進行影像前處理以輔助數化判釋。具備全色態 及多光譜影像則先進行全色態加強處理，使用高通 濾波器(High-Pass Filter, HPF)處理程序，將全色態 影像過濾後，與多光譜影像進行融合(Schowengerdt, 2007)產生全色態加強影像，再進行影像前處理。

本文數化之島礁海岸線，因為影像拍攝時間未 必是最低潮位，故本文數化之海岸線為影像中所判 斷之陸地與海面交界線，並記載影像拍攝時間，以 作為未來進一步修訂之依據。由於本文島礁中的暗 沙、灘及礁主要在海水面以下，所以並無海岸線的 存在。因此，依據影像中暗礁與深水的對比，圈繪 暗礁邊界。

因受到拍攝時間、潮汐及海浪影響，在原始多 光譜影像中海岸線及暗礁邊界並不易確定其位置，

因此，利用常態化差異植生指標(Rouse et al., 1973) 及主成分分析(Hardy and Walton, 1978)兩種影像處 理方式，如圖 1(b)及圖 1(c)所示，輔助判釋海岸線 及暗礁邊界。另外由於部分取得之影像無紅外光波 段，故納入綠度指標(Niederöst, 2001)，如圖 1(d) 所示。判釋海岸線及暗礁邊界時並不固定使用單一 影像處理方式，而是依照個別影像之狀況選擇適當 之影像處理方式。

數化流程如圖 2 所示，完成影像前處理後進行 海岸線及暗礁邊界描繪，之後針對衛星影像中之建 物、植被、水系及道路等各式地物加以數化並建立 向量圖資之屬性資料，內容包含島礁名稱、測製日 期、影像來源、影像名稱、影像日期及圖層編碼等。

進行上述島礁海岸線、暗礁邊界及地物數化時，

由於海岸線及地物特徵細節及暗礁邊界不易辨識，

為求可靠，以兩組人員針對相同影像資料獨立進行 數化，完成後套疊兩組數化之向量資料，找出差異 之處並討論出最終結果，並由獨立檢核之第三方予 以確認。

(a)多 光 譜 影 像 (b)常 態 化 差 異 植 生 指 標

(c)主 成 分 分 析 (R=PC3、 G=PC2、 B=PC1)

(d)綠 度 指 標 圖 1 琛 航 島 、 廣 金 島 影 像 處 理 例

圖 2 數 化 流 程 圖

2.3 基本圖製作

南海地區為廣大海域，區域內之島礁零星分佈，

地理條件特殊，基本圖製作不宜直接採用「基本圖 測製規範草案」(內政部，2009)之規定。因此，訂 定「東海及南海島礁基本圖測製規範(草案)」，研 訂此規範主要的參考文件為「基本圖測製規範草 案」，考量其中適用及不適用的內容，進行修改並 增訂，以符合南海地區之地圖測製條件。

待地物圖資測繪完成後，依「東海及南海島礁 基本圖測製規範(草案)」規定分幅編纂及圖幅整飾 (含圖元類別與註記、圖式線號、圖例、圖廓、方 格線、方格線坐標、圖號、比例尺及圖幅接合表等) 整理成基本圖向量資料檔。基本圖編纂完成並經檢 查後，將數值正射影像資料檔、基本圖向量資料檔 (包括數值等高線)予以套疊成基本圖，並製作出圖 檔。

2.4 島礁變遷

針對部分島礁蒐集多時期衛星影像，以人工進 行前後期影像比對，判釋各項地物變遷情況，主要 可分為：(1)人為變遷(2)自然變遷(3)無明顯變遷。

(1)人為造成的變遷有：

(a)建物新建或拆除。

(b)道路新建或整修。

(c)堤防修建。

(d)碉堡新建或拆除。

(e)碼頭新建或拆除等。

(2)自然變遷則有：

(a)海岸線侵蝕或堆積。

(b)植被變動（裸露地變草地）。 (c)沙洲侵蝕堆積或飄移。

2.5 立體地形

所產製之立體地形包括數值地表模型、數值高 程模型及暗礁數值高程模型，以下分別說明產製方 法。

2.5.1 數值地表模型及數值高程模型 產製

本 項 工 作 使 用 ERDAS LPS(Leica Photogrammetry Suite) 中 之 eATE(enhanced Automatic Terrain Extraction)(Previtali et al, 2011)進 行影像匹配，再以人工進行編修。數值高程模型及 數值地表模型產製工作內容包括影像匹配、人工編 修及品質檢驗等，工作流程如圖 3 所示。

首先於立體對影像中量測共軛點，並於有理函 數模式坐標系統下，透過共軛點，藉由線性轉換之 方式，計算影像坐標之修正量。有理函數模式坐標 系統為利用有理多項式係數所計算得到像坐標之 坐標系統，因多項式係數有誤差，故與真實影像坐 標系統有偏差，故需使用線性轉換修正。eATE 影 像匹配使用影像金字塔概念，從低解析度影像開始 處理至高解析度影像，由粗至細的匹配流程，可提 升匹配成果的效率及品質。將匹配完成後取得之地

面點雲進行內插，建立較細解析度之數值地表模型，

並將新建立之數值地表模型使用在下一次迭代中，

配合影像金字塔處理中解析度較高之影像，重複影 像匹配處理，直至最高解析度影像處理完畢。

影像匹配成果中有部分是錯誤匹配點，以人工 立體觀測進行編修，刪除錯誤點位。另外由於海岸 線為重要之地形特徵位置，但自動匹配程序中無法 產生海岸線之點位，因此以人工方式加入海岸線點 位。人工編修工作執行至此完成之三維點為初步地 表點位，為確保數值地表模型成果品質，另外以人 工立體觀測依三維點位分布狀況增加地表點。為產 製數值高程模型，以人工立體觀測方式，刪除地物 點並增加地形點。人工編修三維點完成後，重新內 插計算，輸出為網格之數值地表模型及數值高程模 型資料。最後獨立檢驗人員以立體觀測方式量測檢 核點三維坐標，與所產製之數值地表模型及數值高 程模型比較，評估其品質。

圖 3 產 製 數 值 地 表 模 型 及 數 值 高 程 模 型 工 作 流 程 圖

2.5.2 暗礁數值高程模型產製

因本文使用之光學衛星影像能穿透潔淨海水 超過 20 公尺深，當進行影像幾何校正時，如不考 慮水下地形變化，在較深暗礁部分易產生明顯位置 誤差。利用取得之景宏島、華礁、吉陽礁立體對影 像進行影像偏差評估，倘將暗礁視為原假設具同一 高程之平面，並以人工量測立體對正射影像間相同 點位之相對偏差量，統計相對偏差量之均方根值為 6.5 公尺，顯示立體對正射影像間有明顯偏差。為 進一步提升島礁正射影像在暗礁區域之一致性，利 用立體對影像以人工立體測繪方式進行暗礁地形 產製工作。

利用立體對影像以人工方式數化暗礁地形，因 暗礁受海水及海浪影響，並不易觀測到明確暗礁位 置，且常遭遇左右像之海浪反射狀況不一致，亦使 立體觀測不易，造成可數化之點位稀疏且分布不均，

而越深之暗礁越不易數化其三維坐標。因此暗礁地 形之立體測繪目標除三維點位資料外，另外利用暗 礁顏色相同時其深度近似之原則，數化少數等高線。

整合三維點位及等高線產生網格化暗礁數值高程 模型，並與島礁數值高程模型合併，利用合併後之 地形模型進行影像正射化。

光線通過不同介質時會有折射效應之影響，造 成上述方式所產製暗礁數值高程模型之高度有誤，

如圖 4 所示，圖 4 中 h 為立體觀測所得之水深，但 實際水深為h′。因此，需依照海水折射率進行暗礁 地形之高度修正，本文使用之海水折射率為 1.34。

3. 成果

本章節內容為南海島礁測繪成果介紹，包括目 標區簡介及測繪成果。目標區為南海之島礁，圖 5 為南海諸島分布圖。南海為西太平洋陸緣海之一，

被臺灣、菲律賓、馬來西亞、汶萊、印尼、新加坡、

越南及中國大陸所包圍，海域面積逾 350 萬平方公 里。海域內散佈約 300 個大小不等的島嶼、沙洲、

礁、暗沙及淺灘，依島礁之分布狀況，由北至南，

分為東沙、西沙、中沙及南沙等四大群島。東沙群 島由東沙島（含環礁）、北衛灘及南衛灘所組成；

西沙群島位於東沙群島西南方約 600 公里處，由 永樂群島、宣德群島及鄰近島礁組成，西起中建島，

東至西渡灘，北起北礁，南至嵩燾灘；中沙群島位 於西沙群島東方約 100 公里，最南端之中南暗沙 與南沙群島北端約距 200 公里。除最東側之黃岩島

（民主礁）外，其餘均為水下暗礁；南沙群島為南 海諸島中最南方之群島，為四大群島分布面積最廣，

島礁最多之群島，其西起萬安灘，東至海馬灘，北 起禮樂灘，南至曾母暗沙及八仙暗沙。

3.1 影像幾何校正

影像幾何校正目前完成 676 幅南海地區高解 析度光學衛星影像之幾何校正，包括 QuickBird-2 109 幅、WorldView-1 200 幅、WorldView-2 295 幅 及 WorldView-3 1 幅、GeoEye-1 47 幅、IKONOS-2 24 幅，圖 6 為 2010 年產製之中業島幾何校正影像，

表 1 為圖 6 影像之拍攝資訊。

圖 4 水 下 地 形 立 體 觀 測 示 意 圖

h ^{h ′}

圖 5 南海諸島分布圖

表 1 中業島影像拍攝資訊

編號 衛星 拍攝日期 拍攝角度

(^o)

地面取樣距離(m)

(a) QuickBird-2 2005/04/22 2.6 0.63 0.64 1 (b) QuickBird-2 2009/09/16 15.8 0.65 0.66 0 (c) WorldView-2 2009/12/17 4.7 0.49 0.50 1 (d) WorldView-2 2010/02/07 20.2 0.50 0.54 6

3.2 向量化

利用所產製之島礁幾何校正影像進行島礁向 量化，現已完成 191 個島礁之向量圖資，圖 7 為南 子礁向量資料之一例。

3.3 基本圖製作

島礁向量資料完成後依照「東海及南海島礁基 本圖測製規範(草案)」，進行島礁基本圖分幅編纂 及圖幅整飾，圖 8 為基本圖圖幅整飾示意圖。之後 將數值正射影像資料檔、基本圖向量資料檔予以套 疊成基本圖，現共完成 4433 幅南海島礁五千分之 一比例尺之基本圖，圖 9 為完成之永興島-石島基 本圖。

3.4 立體地形

本工作共取得 23 對立體對影像，完成 31 個島 礁之數值地表模型、34 個島礁之數值高程模型及

36 個島礁之暗礁數值高程模型。數值地表模型及 數值高程模型成果以琛航島為例，分別顯示於圖 10 及圖 11。精度檢核部分，利用立體影像獨立檢 核，以隨機抽樣方式由人工量測檢核點，比對人工 量測檢核點之高程與該點於數值高程模型及數值 地表模型中之高程，檢核成果如表 2 所示，檢核點 之均方根差大多小於 1 公尺。

暗礁數值高程模型成果則以景宏島、華礁、吉 陽礁為例，顯示於圖 12 中，三個島礁之水下礁盤 實際上是連成一體。在平面定位精度檢核部分，利 用所產製之暗礁數值高程模型進行影像正射化，以 隨機抽樣方式由人工量測於立體對影像所產製之 兩正射影像共軛點，比對共軛點間之相對偏差，檢 核成果如表 3 所示，相對偏差均方根值大多小於 2 公尺。暗礁數值高程模型精度之評估對象為水下地 形，而數值地表模型及數值高程模型精度之評估對 象為水上地形。因水下目標物之觀測較不明確，因 此暗礁數值高程模型精度評估略遜於數值地表模

(a) (b)

(c) (d)

圖 6 中業島幾何校正影像

型及數值高程模型精度評估。

以景宏島、華礁、吉陽礁為例，其立體對正射 影像加入暗礁地形後，相對偏差量之均方根值為 1.5 公尺，與未加入暗礁地形時之均方根值為 6.5 公尺相比，相對偏差量大幅減少。圖 13 為局部放 大之立體對正射影像，圖中黃線左右分別為立體對 之兩幅正射影像，在未加入暗礁地形之正射影像中，

可明顯發現暗礁有錯開之情況，而在加入暗礁地形 之正射影像中則明顯改善。圖 14 中縱軸為人工量 測點位之相對偏差，橫軸為該點位之水深，圖中顯 示未加入暗礁地形時有明顯相對偏差，且水深越深 偏差量越大。而加入暗礁地形後無明顯相對偏差，

且水深與偏差量間無明顯關係，剩餘之偏差主要受 到暗礁量測不易之影響。

3.5 島礁變遷

島礁變遷之研析情況主要可分為：(1)人為變

遷(2)自然變遷(3)無明顯變遷。數化人員比較前後 期所產製之島礁向量圖資，判釋變遷情形為自然或 人為變遷。以 2012 至 2014 年島礁變遷為例，表 4 為統計各年島礁變遷概況，表 4 內之數據為當年度 影像與前一年度影像比較結果，其單位為島礁。以 東門礁為例，圖 15(a)為東門礁完整影像，圖 15(b) 至圖 15(e)為圖 15(a)中紅色方框位置 4 個不同時期 之局部放大影像，東門礁大部分屬水下暗礁，在 2014 年 2 月 12 日之影像中僅在島中南處有一小棟 建物，到 5 月發現有填海而成之大片裸露地，而後 在上方增建許多建設物，此 7 個月的時間內變化顯 著。南海島礁多由珊瑚礁形成，島上沙灘易受海浪 的搬運、堆積等作用，以南威島為例，圖 16(a)至 圖 16(c)為 3 個不同時期之影像，2007 年 6 月沙灘 位於島之西南端，2011 年 10 月沙灘移至島之東北 端，2013 年 4 月沙灘又移回島之西南端。

圖 7 南 子 礁 幾 何 校 正 影 像 之 向 量 資 料

圖 8 基 本 圖 圖 幅 整 飾 示 意 圖

圖 9 永 興 島 -石 島 之 島 礁 基 本 圖

0m 20m 0m 20m

圖 10 琛 航 島 數 值 地 表 模 型 圖 11 琛 航 島 數 值 高 程 模 型

表 2 數值高程模型及數值地表模型精度檢核

數值高程模型 數值地表模型

檢核點 數量

平均差

(m)

均方根差

(m)

檢核點 數量

平均差

(m)

均方根差

(m)

北子礁 20 0.48 0.62 20 0.46 0.61

南子礁 20 -0.28 0.55 20 0.40 1.67

貢士礁 10 0.37 0.59

奈羅礁 6 0.94 1.07 11 0.27 0.86

中業島 30 0.07 0.28 30 0.13 0.48

鐵線礁 8 -0.24 0.37

渚碧礁 20 -0.28 1.01

太平島 30 0.06 0.41 30 0.39 0.78

敦謙沙洲 20 -0.18 0.62 20 -0.13 0.65

中洲礁 10 0.08 0.3

舶蘭礁 10 -0.04 0.57

鴻庥島 46 0.13 0.42 69 0.34 0.85

南薰礁 13 0.57 1.06 10 0.35 0.50

永暑礁 35 -0.01 0.76 35 0.31 1.21

南威島 31 -0.24 0.39 31 0.34 0.94

中礁 20 -0.02 0.42 20 0.00 0.52

安波沙洲 20 -0.29 0.55 20 -0.16 0.55

彈丸礁 32 -0.04 0.28 33 0.16 0.75

景宏島 19 0.17 0.60 72 0.19 0.74

華礁 6 0.65 0.84

染青沙洲 21 0.11 0.33 22 0.08 1.03 甘泉島 32 -0.23 0.57 38 0.24 0.79

金銀島 24 0.07 0.57 55 0.20 0.81

珊瑚島 36 0.22 0.46 64 0.21 0.64

琛航島-廣金島 69 0.19 0.40 59 0.57 1.08

晉卿島 36 0.36 0.64 26 0.28 0.68

羚羊礁 19 0.46 0.76 15 0.20 0.55

森屏灘 30 0.33 0.43 13 0.08 0.32

石嶼 7 0.58 0.64

鴨公島 15 0.28 0.53 17 0.25 0.53

全富島 15 0.40 0.56 15 0.21 0.46

永興島-石島 26 0.04 0.76 30 0.41 0.87

中建島 21 -0.22 0.39 21 -0.10 0.42

和五島 40 0.06 0.78 40 0.24 0.98

-30m 0m

圖 12 景 宏 島 、 華 礁 、 吉 陽 礁 暗 礁 模 型

(a)未 加 入 暗 礁 地 形 (b) 加 入 暗 礁 地 形 圖 13 立 體 對 正 射 影 像 比 對

表 3 立體對正射影像相對偏差評估

涵蓋島礁

相對偏差平均值

(m)

相對偏差均方根值

(m)

檢核點 數量

E N E N

北子島、南子島、貢士礁、奈羅礁 0.28 -0.18 0.74 0.90 53

渚碧礁 -0.26 0.31 1.07 1.53 18

太平島、敦謙沙洲、中洲礁 0.15 0.19 0.93 1.47 33

舶蘭礁 -0.72 -0.58 1.38 1.53 27

鴻庥島 -0.11 0.36 0.73 1.17 19

南薰礁 0.75 0.10 1.81 2.12 26

南威島 0.04 0.57 0.64 1.31 25

永暑礁 -0.19 0.16 0.98 1.41 58

彈丸礁 -0.19 -0.17 0.65 0.72 45

景宏島、華礁、吉陽礁 0.04 -0.02 1.50 1.50 43 染青沙洲、染青東礁、

長線礁 0.02 0.07 0.31 0.60 63

永樂群島(甘泉島、金銀島、

珊瑚島、琛航島、廣金島、

晉卿島、羚羊礁、筐仔沙洲、

森屏灘、咸舍嶼、石嶼、鴨公島及全富島)

-0.21 0.22 0.81 1.11 121

永興島、石島 -0.19 0.24 1.50 1.35 33

中建島 -0.07 0.00 0.31 0.64 25

圖 14 人 工 量 測 點 位 相 對 偏 差 量 與 水 深 關 係 圖

表 4 島礁變遷概況

2012 2013 2014

有變遷 55 60 65

無明顯變遷 26 21 24

(a) 東 門 礁 完 整 影 像

(b)WorldView-2 2014/02/12 (c)WorldView-2 2014/03/28

(d)WorldView-1 2014/05/02 (e)WorldView-2 2014/09/17 圖 15 東 門 礁 變 遷

(a) QuickBird -2 2007/06/13 (b) IKONOS-2 2011/10/23

(c) WorldView-2 2013/04/25 圖 16 南 威 島 沙 灘 自 然 變 遷

4. 結論

本研究目前已蒐集南海地區共 216 個島礁之 衛星影像資料，進行衛星影像校正、向量化、基本 圖製作、立體地形建構及變遷監測等工作，並獲寶 貴的空間資料。研究成果總結如下：

1.衛星影像幾何校正使用衛星公司提供之有 理多項式係數，一般而言在未使用地面控制資料時，

其定位誤差優於 5 公尺。本研究共完成 676 幅光學 衛星影像之幾何校正，並利用衛星影像完成 191 個島礁之向量圖資製作。

2.考量南海島礁零星分佈地理條件特殊，修正 陸域使用之基本圖測製規範，訂定「東海及南海島 礁基本圖測製規範（草案）」。共完成 4433 幅南海 島礁基本圖。

3.共完成 31 個島礁之數值地表模型、34 個島 礁之數值高程模型及 36 個島礁之暗礁數值高程模 型。數值地表模型及島礁之數值高程模型以重複觀 測檢核其精度，檢核點均方根差約在 1 公尺左右。

暗礁數值高程模型則比對正射影像間相對偏差以

檢核其精度，相對偏差均方根值大多小於 2 公尺。

4.南海島礁變遷包括自然及人為變遷，由各年 島礁變遷概況中可發現，每年均有 7 成左右之島礁 有明顯變遷情況。

致謝

本文承蒙內政部協助得以順利完成，達雲科技 有限公司協助島礁地物數化及日陞空間資訊股份 有限公司協助基本圖編圖，謹此致謝。

參考文獻

內政部，2009。 基本地形圖資料庫分類編碼表及 專有名詞定義，共 259 頁。

內政部，2012。 101 年度東海與南海島礁資料蒐 集及建置工作期末報告，共 823 頁。

吳啟南，李元炎，1993。 南沙群島太平島海域遙 測 衛 星 影 像 分 析 ( 一 ) ， 工 研 院 能 資 所 第 06-3-83-0032 報告。

國立中央大學，2013。 超高解析度衛星影像定位

誤差分析研究計畫期末報告書，共 55 頁。

Chen, L.C., Teo, T.A., and Liu, C.L., 2006. The geometrical comparisons of RSM and RFM for FORMOSAT-2 satellite images.

Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 72(5):573-579.

Digital Globe, A satellite company website. URL:

http://www.digitalglobe.com/index.php (last date accessed: 30 July 2015)

Hardy, D.M., and J.J., Walton, 1978. Principal Components Analysis of Vector Wind Measurements, J. Appl. Meteor., (17):

1153-1162.

Niederöst, M., 2001. Automated update of Building Information in Maps Using Medium-scale Imagery (1:15,000), Automatic Extraction of Man-Made Objects from Arial and Space Images, (3):161-170.

Previtali, M., Barazzetti, L., Scaioni, M., 2011.

Multi-Step And Multi-Photo Matching For Accurate 3D Reconstruction. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XXXVIII-3/W22.

Rouse, J.W., Haas, R.H., Schell, J.A., and Deering, D.W., 1973. Monitoring vegetation systems in the great plains with ERTS, Third ERTS Symposium, NASA SP-351 I: 309-317.

Schowengerdt, R. A., 2007. Remote Sensing: Models and Methods for Image Processing, 3nd ed., Burlington, MA, Academic Press.

Smiley, B., 2009. The absolute and relative geolocation accuracies of QB02 and WV01, American Society for Photogrammetry and Remote Sensing 2009 Annual Conference, March 9-13, Baltimore, Maryland.

Toutin, T., 2004. Review article: Geometric processing of remote sensing images: models, algorithms and methods. International Journal of Remote Sensing, 25(10):1893-1924.

1 Associate Research Engineer, Center for Space and Received Date: Aug. 27, 2015 Remote Sensing Research, National Central University Revised Date: Jan. 06, 2016

2 Professor, Center for Space and Remote Sensing Accepted Date: Jan. 13, 2016 Research, National Central University

3 Senior Technical Specialist, Ministry of the Interior

4 General Manager, LIDAR Technology Co., Ltd.

* Corresponding Author, E-mail: [email protected]

Island Mapping for South China Sea Using Satellite Images

Chien-Liang Liu^1* Liang-Chien Chen² Cheng-Gi Wang³ Wei-Chen Hsu⁴

ABSTRACT

To collect complete and correct island information, this study mapped South China Sea islands and monitored the natural environment and human developments of important islands. Due to their half-meter resolution capability and 5m accuracy without ground control, high resolution satellite images are suitable for sparse island mapping. The suitability and flexibility of satellite bring certain advantages. Satellites can freely observe the world and surpass ground surveying or aerial photogrammetry for sparse islands in South China Sea.

It could be the best option in this study to map islands that are far away from Taiwan.

This paper reports a mapping project for islands in South China Sea. Major works include: (1) rectification of satellite images, (2) vectorization, (3) base map generation, (4)3D surface construction, and (5) change monitoring. First of all, rational function model is selected in the generation of orthoimages. Then the vector maps are digitized in the orthoimages. Base maps are generated for analogue output according to the standard format. The next step is to generate digital elevation models by means of image matching and manual editing.

Finally, change monitoring is done by the comparisons of historical images. The results provide valuable geoinformation for South China Sea.

Keywords：South China Sea, satellite images, islands, base map, change monitoring, digital terrain model