計畫名稱：「運用福爾摩沙五號衛星影像判釋崩塌地之可行性探討」

委託單位：國家實驗研究院太空中心

摘要

福爾摩沙衛星五號(福衛五號)，為「第二期國家太空科技發展長程計畫」中「遙測衛星計畫」之第一枚衛星，亦為首顆國人自主設計與製造之遙測衛星。自2009年12月23日國科會通過福衛五號計畫執行計畫書後，經歷長達八年的設計、組裝、測試等工作，福衛五號於2017年9月8日開始進行遙測取像任務，然而當時回傳的影像品質卻未達設計時所預期，太空中心隨即成立專案小組進行評估，並研判為取像儀失焦造成，經「溫度調控改變焦距」及「回溯修正(deconvolution)」進行修正後。正式於2018年9月21日對外營運銷售。

為了解福衛五號影像品質提升之量化成果，本研究採用「遙測影像崩塌及陰影區專家輔助圈繪系統 (ELSADS) 」對福衛五號進行崩塌判釋。該系統透過計算遙測影像之差異化值生指標(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)、綠度指標(Greenness Index)及全色態強度，區分植被區、裸露區及陰影區。並與同區域相近時期的其他衛星影像判釋成果進行量化比較分析，探討運用福衛五號影像判釋崩塌地之可行性。ELSADS已運用於建置西元2004至2016年共計14年度之福爾摩沙二號衛星影像崩塌目錄，提供全島崩塌地位置、面積及數量等詳細資訊。

本研究於台灣北、中、南、東山區各設定一面積為144平方公里之嚴重崩塌區作為研究區域。分別使用太空中心所提供之福衛五號2公尺解析度影像、中央大學太空及遙測研究中心之SPOT 1.5公尺色彩融合影像產製崩塌目錄，並以誤差矩陣概念對相對應之崩塌目錄進行差異性分析，分別計算四種評估指標：使用者符合度、生產者符合度、整體符合度以及Kappa指標，進而探討福衛五號遙測影像於崩塌判釋之可行性。由一致性分析結果顯示：整體符合度介於97.31% ~ 94.21%、KAPPA值介於0.8263% ~ 0.672%。整體而言，福衛五號與SPOT-6/7之判釋成果的輪廓一致，適用於崩塌區域大致的辨識，但由於邊界會受噪訊影響而變得破碎，且崩塌區會有許多斑狀缺漏，故不適用於精確探究其邊界。

一、前言

過去林務局於「運用衛星影像於全島崩塌地判釋與災害分析」計畫中評估，經過彩色融合處理後，解析度1.5m之SPOT-6/7衛星影像，最適合應用於建置全島崩塌目錄之工作，故本計畫選用法國AIRBUS的SPOT-6/7影像，作為福衛五號影像於崩塌判釋評估試驗之對照組。為求影像品質比較之公平性，在衛星影像前處理中，統一將影像解析度調整為2m，並以光譜總和強度調適法(Spectral Summation Intensity Modulation, SSIM)，對福衛五號影像進行影像融合處理，下表為福衛五號與SPOT-6/7之比較。

圖1  (a) 使用Nearest Neighbor Resampling技術對SPOT-6/7影像進行重新取樣(左)空間解析度2m，(右) 空間解析度1.5m；(b) 使用SSIM色彩融合技術提升福衛五號影(108/03/21-北)解析度(左) 融合前解析度為4m，(右) 融合後解析度2米

二、全自動崩塌判釋成果         

(Liu 2015)開發專家輔助崩塌地判釋分析半自動模組，可利用視窗介面，配合3D地形、影像直方圖及航拍照片之輔助，可全自動於影像中初步劃分出崩塌地圖層，再互動式確認崩塌地位置及範圍(Refine)，並同時給定災害區屬性，完成崩塌地判釋分析。有鑑於過去以人工方式編修河道及人工建築物地區往往因判釋人員判斷角度不同，以至於修正的面積不同，進而導致後續分析工作上的誤差，故本計畫於崩塌判釋採用全自動判釋，以避免人為因素所造成的偏差，其結果更為客觀公正。

  

以標準方法計算誤差矩陣(misclassification matrix)，瞭解福衛五號與SPOT-6/7衛星影像釋成的果差異。四種常用的「精度」評估指標(Cohen 1960; Congalton 1991)計算公式相同，但以下稱為「使用者/生產者符合度」和「整體符合度」。本研究於北、中、南、東各研究區域之一致性分析結果如下，其計算方式是採像元為單位，整體相似度大約介於97.31~ 94.21%，而Kappa值介於0.8263~0.672。

整體而言，SPOT-6/7與福衛五號的裸露地判釋成果輪廓一致，整體符合度相當高；然而仔細檢視仍會發現細節上有些許差異。對於大塊完整的裸露地，ELSADS在SPOT-6/7影像中圈選地相當完整，而福衛五號影像中則會有許多將裸露地判釋為非裸露地的情形發生，造成生產者符合度偏低，使用者福合度偏高，研判為噪訊造成的影響；另外從崩塌判釋邊界及影像剖面推測影像有過度採樣狀況。

表1 北、中、南、東各研究區域一致性分析結果

圖3  (a) SPOT影像(解析度2m)全自動崩塌判釋成果；(b) 福衛五號色彩融合影像全自動崩塌判釋成果

三、結論

福衛五號影像品質足夠勝任「崩塌地大致範圍的辨識」，而對於精確的邊界評估便需要更進一步提升影像品質才適用。對於未來影像使用上，根據頻譜布特性， 「SSIM色彩融合法」適用於提升福衛五號RGB影像空間解析度，它可以有效保留頻譜特性而不失真。另外福衛五號影像品質最大的問題在於隨機出現的噪訊，其「各處皆有」、「未知訊噪比」、「各波段空間分布不同」的特性使它相當難去除。若使用者能壓抑噪訊所帶來的影響，甚至提出去除噪訊的手法，將可解決福衛五號影像使用的困難，而本中心亦利用「福衛五號之光譜資訊」及「福衛五號拍攝模式」著手於開發去除噪訊演算法。

   

圖4  (a) 光譜總和強度調適法噪訊去除前；(b) 光譜總和強度調適法噪訊去除後