都市的淹水區在哪裡?突破天候限制的雷達影像告訴你

都市的淹水區在哪裡?突破天候限制的雷達影像告訴你
SAR影像中的河道(深色)與陸地(淺色)| Photo Credit: ESA

我們想讓你知道的是

近年來由於極端氣候的影響,歷時短、強度高的降雨的發生愈趨頻繁,導致淹水等災害增多。而透過淹水時期的遙測影像,我們能夠快速地掌握淹水地區以縮短災害應變與介入措施。那要如何從影像中辨識出水呢?

文:廖晧宇(台灣大學地理資源環境學系碩士生)

1972年,Landsat-1衛星的升空讓人類對於地球的探索與觀測從地表挪升至太空。從影像中不同光譜下的能量資訊,我們得以監測地表型態,從土地分類、地物判識至生物量推估等,衛星遙測提供我們從更大尺度的視角來理解周遭環境。其中,水資源在自然環境中的定位不僅掌握了地球系統的循環,也是日常生活中不可或缺的要素。換言之,透過衛星影像來找到並繪製水文系統可幫助我們掌握生態與自然資源,在環境科學中具一定的重要性。另一方面,近年來面對極端氣候的浪潮,歷時短、強度高的降雨的發生也愈趨頻繁,當透水地表或都市聚落排水系統來不及排解短時間的強降雨時便可能導致淹水。

去年(2018)八月,颱風外圍環流配合西南氣流的引入產生劇烈降雨,南台灣僅一日的累積雨量便高達600毫米以上,並有上百處的淹水通報。嘉義、台南及屏東等部分臨海低窪地區的淹水甚至近乎一週,為繼八八風災後另一場造成嚴重損傷的大規模水患。其中,透過淹水時期的遙測影像,我們能夠快速地掌握淹水地區以縮短災害應變與介入措施。

1_2_orig
Photo Credit: 地理眼
雷達及光學影戲主要使用的電磁波光譜波段

雷達影像作為主動式遙測系統,不僅在夜晚中也能紀錄地表,同時,也因雷達波的長波長特性得以繞射(穿透)雲層,使得影像品質不會受到天氣條件的限制(參見上圖)。此特點對於災害相關的應用上,更能補足光學影像的短缺。

其中,合成孔徑雷達(Synthetic aperture radar,SAR)技術的出現平衡了天線長及影像的空間解析度,也成為現今普遍使用的雷達影像之一。同時於2014年,歐盟太空總署在哥白尼衛星地球觀測計畫(Copernicus Programme)下發射了首顆衛星-Sentinel-1A SAR,當中有四個拍攝模式可應用於不同類型的地球監測,如地表位移變化、海洋監測等。配合其繞行週期,Sentinel-1每12天便可提供一張飛行、拍攝角度及拍攝系統參數一致的影像。2016年4月25日,第二顆規格相同Sentinel-1B SAR也緊接地升空,並與Sentinel-1A衛星以差距180度的飛行距離觀測地球,更是將影像周期縮短至六天!而最棒的是,Sentinel-1 SAR的衛星影像為全球公開、免費的影像資源,大大降低了過去以SAR影像作研究與應用的資料蒐集門檻,也使得近年SAR影像相關的學術應用更如雨後春筍般地出現。

2-sentinel-1_orig
Photo Credit: Google Earth @Medium
Sentinel-1的地表觀測。

SAR影像不僅能提供晝夜、全天候的影像資料,水究竟如何從影像中辨識出來呢?概念很簡單,還記得小時候學的入射角等於反射角的反射定律吧!由於水的表面平滑如同鏡子一般,使得斜視入射的雷達觸及地表後多會依循反射定律,讓水體在影像中收到的後向散射能量(或稱「回波值」)較少。

相反地,乾燥陸地因表面沒有水那麼平滑,雷達波便容易在表面上向四面八方散射,讓SAR衛星可收到較多的回波能量。因此,SAR影像中的水通常會是深色、近乎黑色的(回波能量低),其他陸地則因有較高的回波能量,影像中呈現灰色至白色的色階。這樣的特徵其實往往從肉眼就可以大略圈出水體的輪廓。

3-sar_orig
Photo Credit: ESA
SAR影像中的河道(深色)與陸地(淺色)。

不過,要如何以比肉眼更客觀、更科學家式的方法來找到水體呢?設立回波能量的閾值,將水體與陸地一分為二是過去最常見的使用方式。聯合國外太空總署(UN-SPIDER)便在網路上公開提供了Sentinel-1 SAR影像校正的參考參數,及設立閾值的參考作業流程,讓我們僅透過單張SAR影像便可以快速地建立一張水體地圖。而在學術社群中的討論中,研究者為了提高水體判識的準確度,有從資料端及方法端上來精進。

以資料端出發,因水的出現與聚集通常會遵循一些規則,像是人類聚落的土地規劃、水於低處匯集等,故一些研究者會搭配地真資料或結合其他圖資,如土地利用資料、數值高程模型(DEM)等來增加判識條件。

在方法端上,有些研究則會採用較複雜的模式,如機器學習中的支援向量機模式(SVM)、隨機森林(Random Forest)等,訓練出預測表現更好的判識模型。而在災害治理與應用上,我們經常關心一場劇烈事件後造成的洪水範圍,這時,變遷分析(change detection)也是另一種常見的取徑。利用比對災害前、後的影像並找出差異,我們能夠捕捉到這段時間地表有顯著變化的位置,並進一步討論此變化是否符合SAR影像水出現的特徵。

4-sar_orig
Photo Credit: UNOOSA
針對單張SAR影像的回波能量設立閾值切出水體。
5_orig
透過變遷分析進一步討論此變化是否符合SAR影像水出現的特徵。

使用SAR影像判識水體已不稀奇,然而,城市中的建物結構使水體的特徵變得有些複雜,也造成都市水體的判識面臨一些挑戰。因都市地區中有許多建物,當雷達波從地表反射後,會因周遭的垂直樓面產生二次以上的反射,使得SAR影像中的回波能量比一般情況下高。以灰階呈現SAR的回波能量時,城市往往是影像中亮亮的地方(如下圖的大台北地區)。而都市水體的回波能量容易在經由表面反射後,再碰撞周圍的建物產生二次反射,使得都市內的水體回波能量反而是高的。

許多都市地區的淹水研究便會透過變遷分析找出事件後回波值升高的地區,以推論淹水範圍。目前,我們在台大地理系的研究團隊嘗試在使用SAR影像判識都市水體時,以更細緻的地表高程資料來量化都市型態及其結構特徵,捕捉城市內部不同建成環境特徵下所造成的二次反射效果與強度差異。從我們的模式結果發現,都市內的水平方向密度與二次反射的發生有顯著的正相關性,而在垂直高度上,超過一定的高度閾值後,二次反射效果便會發生。

換句話說,在水平密度高的地方如,路窄、建物密集度高的商圈中,水體的回波能量會比一般狀態下來的高。但若在都市中較開闊的戶外空間或周圍樓高低的地區,我們對於水體判識的條件反而不需做特別的調整。透過這樣的模式訓練規則,我們針對都市地區建立了一個考量二次反射與都市結構異質性的水體判識模型架構,預期可以透過SAR影像更細緻地討論都市內部的水體特徵。

6-sentinel-1-sar_orig
以灰階呈現SAR的回波能量時,城市往往是影像中亮亮的地方。
7-sar_orig
都市水體的回波能量容易在經由表面反射後,再碰撞周圍的建物產生二次反射,使得都市內的水體回波能量反而是高的。

SAR影像得以突破光學衛星影像中最大的天候限制,在判識地表水體的時間斷面上更加具有彈性,尤其是極端氣候下的洪患治理與應用。雖然上述介紹的資料與方法已嘗試增進地表水體的判識能力,但在實作面上,判識結果的細緻及準確度也會受制於影像的拍攝日期、影像解析度等因素的影響。不過,在遙測的技術面及應用面持續的激盪與進展下,相信未來我們能夠在目前的科學基礎之上,創造更多水體判識、應用的可能及想像。

延伸閱讀

本文經GeogDaily地理眼授權刊登,原文發表於此

責任編輯:游家權
核稿編輯:翁世航