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1、2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 1 應用區域閥值自動選定技術處理偏極化合成孔徑雷達應用區域閥值自動選定技術處理偏極化合成孔徑雷達 影像以快速而準確地判定淹水範圍影像以快速而準確地判定淹水範圍 Automatic determination of regional thresholds for rapidly and accurately delineating the inundated areas on a polarized synthetic aperture radar image 李昀叡* 劉正千* 鄭依凡* Yun-Ruei Lee Cheng-Chien Liu I-
2、Fan Cheng 摘摘 要要 近年來因全球暖化加劇，於世界各地所造成的各種環境災害愈趨頻繁，其中 洪澇災害不僅造成經濟上巨大的損失，更嚴重威脅人類的生命安全。因此，如何 快速準確地提供近即時淹水資訊給救難組織實施救援工作，或給予政府機關評估 災害影響範圍，是當今世界各國都在努力的課題。合成孔徑雷達(SAR)具有可以穿 透雲霧與塵埃、24 小時全天候運作之特性，雷達波對靜止水體又會強烈反射，提 供淹水範圍清楚的訊號。因此，在洪澇災害緊急應變實務工作上，需要發展能夠 快速處理於洪澇災害發生時所獲取之合成孔徑雷達衛星影像，並從中準確地判釋 出淹水範圍的技術。 本研究提出以區域閥值自動選定技術來處理
3、偏極化合成孔徑雷達影像，以達 成快速而準確地判定淹水範圍的目標。先將已經完成幾何改正與輻射校正的同極 化與正交極化標準影像產品輸入，套用增強型李氏濾波器(Enhanced Lee Filter)以去 除斑點雜訊，再自動將濾波後的影像分區求取同極化與正交極化局部影像的直方 圖，據以自動選定可以區分靜止水面之局部最佳低閥值，以圈繪出疑似水體範圍 。再與近期福衛二號高空間分辨率光學影像交互比對，並套疊於數值高程模型上 做立體檢視，便可以快速結合判釋人員之專家經驗，準確地率定出水體範圍。 關鍵字：合成孔徑雷達、閥值法、福爾摩沙衛星二號 * 成功大學地球科學系碩士班研究生 Graduate Studen
4、t, Department of Earth Science, National Cheng-Kung University * 成功大學地球科學系教授兼全球觀測與資料分析中心主任 Professor, Department of Earth Science, National Cheng-Kung University Director, Global Earth Observation and Data Analysis Center, National Cheng-Kung University * 成功大學全球觀測與資料分析中心分析組組長 Division Chief, Global
5、Earth Observation and Data Analysis Center, National Cheng-Kung University 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 2 緒論緒論 近年來因全球暖化加劇，於世界各地所造成的各種環境災害愈趨頻繁，其中 洪澇災害不僅造成經濟上巨大的損失，更嚴重威脅人類的生命安全。因此，如何 快速準確地提供近即時淹水資訊給救難組織實施救援工作，或給予政府機關評估 災害影響範圍，是當今世界各國都在努力的課題。 臺灣地區深受洪澇災害的影響，頻率和規模均有加大的趨勢，如 2008 年卡玫 基颱風使台灣中南部有淹水災情，甚至台中烏日地區有民眾逃避不
6、及因此喪失性 命，2008 年辛樂克颱風造成宜蘭地區淹水情況嚴重、2009 年莫拉克颱風更是台灣 近 50 年來最嚴重的水災，莫拉克創下台灣史上最大雨量，重創了南台灣，高雄多 處地方夕之間變成水鄉澤國、2010 年凡那比颱風再度帶來充沛雨量使南台灣陷 入水患之苦，高雄地區多處有淹水災情、2010 梅姬颱風由於加上東北季風所造成 的共伴效應影響，使得台灣迎風坡的宜蘭、花蓮地區降下豪雨，宜蘭市、羅東鎮 、三星鄉各地均傳出嚴重的淹水災情。這些洪澇災害不僅在經濟上有巨大的損失 ，對於人類的生命安全更是嚴重的迫害。 因此，短時間內取得淹水範圍資訊並發布是各國近年來努力的方向，以供給 救難組織實施救援工作
7、或者政府機關評估災區賠償之依據(Voigt et al., 2007)。 遙測影像對於偵測與監測淹水是一個很好的選擇，遙測影像具有高空間及時 間解析度，而且所涵蓋範圍大(Schumann et al., 2009)。利用光學影像的可見光及近 紅外波段可以區分含水土壤及乾土壤(Rango and Salomons.Vv, 1974; Wang et al., 2003)。這些特性使得光學影像非常適合用來進行淹水監測，但也受到雲覆的影響 ，當有雲覆蓋時，光學影像之可見光與近紅外波段便無法穿透雲層進行監測分析 (Chaouch N et al., 2011)。 雷達藉由主動發送與接收電磁微波的延時、
8、強度與偏極(polarization)訊號，可 以穿透雲霧與塵埃，具有 24 小時全天候遙感探測地表地物變化的優點(Lillesand et al., 2004)。再利用衛星平台可以快速而穩定地沿著飛行方向移動實體雷達天線的特 性，重組所累積一系列的回波訊號，達成如有數公里長天線效應的合成孔徑雷達 (Synthetic Aperture Radar; SAR)，突破雷達波束寬度和實體天線尺寸成反比的限制 ，大幅提昇方位(Azimuth)解析力。 圖 1 顯示自 1978 年 SeaSAT-1 升空以來，已有超過 15 具不同的星載合成孔徑 雷達(Spaceborne SAR) 先後在軌道上運轉
9、。使用的微波從 L 波段(15-30cm)、S 波 段(7.5-15cm)、C 波段(3.75-7.5cm)，不斷推進到 X 波段(2.5-3.5cm) 鑑於 X 波段之雷達波在淹水範圍判釋與較高空間分辨率之優勢(Martinis et al., 2011)，將使用目前可以達成較高再訪率之合成孔徑雷達衛星影像，表 2 中可見選 定位雷達衛星的比較，包括：TerraSAR-X、COSMO-SkyMed、以及 RadarSAT-2， 並事先建立聯繫管道與緊急排程 機制。藉由雷達衛星 24 小時全天候取像之特性 ，透過完善取像規劃、超前排程佈署、以及快速判釋發佈等工作，達成在災中關 鍵時刻獲取多尺度
10、遙測關鍵時空訊息之目標。 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 3 圖 1 雷達衛星發展表，改編自(Lillesand et al., 2004) 表 2 現役雷達衛星比較表 在西元 2001 年已有人使用合成孔徑雷達衛星資訊，大規模的對淹水地區做檢 測(Horritt et al., 2001)，不過受限於當時雷達衛星的再訪週期，無法即時的運用其 資訊。目前世界各國最短再訪週期的雷達衛星為義大利 COSMO-SkyMed 衛星，約 12 小時的再訪週期時間，搭配運用各國雷達衛星，如德國的 TerraSAR-X 等雷達衛 星，可以獲得近即時的雷達影像，以供處理及發布資訊。 2012 台灣
11、地理資訊學會年會暨學術研討會 4 雷達回波訊號主要受水氣含量、介電常數(Dielectric Constant)與表面粗糙度等 地形因素影響，一般寬闊且靜止之水面會鏡面反射任何入射能量，在雷達影像上 呈現極易分辨的黑色調，再加上雷達衛星穿透雲霧與塵埃 24 小時全天候運作特性 ，在洪澇災害緊急應變工作上極具實用價值。Martinis(2011)詳細整理回顧了應用 星載合成孔徑雷達資料於快速偵測淹水範圍的相關工作，並將其區分為人工判釋 與全自動判釋兩大類別。 使用雷達影像判釋水體範圍的主要誤差來源包括：(1)機場跑道或高速公路等 平坦光滑表面亦會產生鏡面反射，而與實際水體範圍混淆；(2)水面如有
12、風或其他 因素所誘發的表面漣波，將會提高水體背向散射量，降低與其他地表地物之對比 強度；(3)浸水而未完全淹沒的植被區會因部分散射的訊號被水面二次反射而形成 亮點，必須另定閥值以將這些亮點判釋為淹水範圍；(4)淹水之都會區房屋與地表 相互垂直的光滑表面會形成角反射體，引起雙重或三重反射，導致影像上出現非 常明亮的光點，而高樓背面的遮蔽效應又會造成許多暗區無雷達回波訊號。 本研究提出以區域閥值自動選定技術來處理偏極化合成孔徑雷達影像，以達 成快速而準確地判定淹水範圍的目標。 研究方法研究方法 一般作法，選定高分辨率的合成孔徑雷達影像，使用閥值法來自動判別淹水 區域，以達成快速而準確地判定淹水範圍
13、的目標(Martinis et al., 2009)。有學者使用 模擬的雷達衛星影像加上數值高程模型(Digital Elevation Model, DEM)，可自動判 釋或半自動判釋的模擬地區淹水情況，雖然無法精準評估實際的受災地區，但是 在數值高程模型的輔助下，避免掉許多雷達影像誤差而判定為水體的地方 (Pulvirenti et al., 2011)。 許多都市建築會造成遮蔽產生陰影造成判釋水體上的困難，所以無法直接使 用閥值法來自動判別淹水區域。不過使用上述方法來模擬討論都會區域，可以提 升判釋水體的準確度(Mason et al., 2010)。 其中全自動判釋的作法因誤差較大且不
14、易掌握產生誤差的主要區域，較少被 實際採用。鑑於全人工判釋耗時費力又流於主觀，全自動判釋誤差較大又不易控 制，本研究的作法是整幅影像分區塊求取局部最佳閥值進行自動分類，結合人工 輔助判釋以確保精度的作法被提出，稱為半自動判釋，或專家輔助判釋系統。 針對應用星載合成孔徑雷達資料快速偵測淹水範圍工作之需要，本研究以崩 塌地與陰影區專家輔助圈繪系統為基礎，發展了一套合成孔徑雷達影像水體範 圍專家輔助圈繪系統(Expert Synthetic Aperture Radar Imagery Waterbody Delineation System; ESARIWDS) 。這套系統先將已經完成幾何改正與輻
15、射校正的同 極化(Like-Polarization)與正交極化(Cross-Polarization)標準影像產品輸入，套用增強 型李氏濾波器(Enhanced Lee Filter)以去除斑點雜訊(speckle noise)，再自動將濾波後 的影像分區求取同極化與正交極化局部影像的直方圖，據以自動選定可以區分靜 止水面之局部最佳低閥值，以及可以區分浸水植被區與淹水都會區之局部最佳高 閥值，以圈繪出疑似水體範圍。再與近期福衛二號高空間分辨率光學影像交互比 對，並套疊於數值高程模型上做立體檢視，便可以快速結合判釋人員之專家經驗 ，準確地率定出水體範圍。本系統之工作流程圖可參看圖 2。 2012 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會 5 完成幾何校正與輻射校正之雷達影像增強型李氏濾波器 (Enhanced Lee Filter)分區求取局部影像之直方圖選定可以區分靜止水面靜止水面 之局部最佳低閥值選定可以區分浸水植被區浸水植被區與淹淹 水都會區水都會區之局部最佳高閥值判釋人員之專家經驗判釋完成淹水範圍判釋圖 2 合成孔徑雷達影像水體範圍專家輔助圈繪系統工作流程圖 結果結果與討論與討論 茲以台灣南部阿公店
