文：廖晧宇（大学地理资源环境学系硕士生）
1972年，Landsat-1卫星的升空让人类对于地球的探索与观测从地表挪升至太空。从影像中不同光谱下的能量资讯，我们得以监测地表型态，从土地分类、地物判识至生物量推估等，卫星遥测提供我们从更大尺度的视角来理解周遭环境。其中，水资源在自然环境中的定位不仅掌握了地球系统的循环，也是日常生活中不可或缺的要素。换言之，透过卫星影像来找到并绘製水文系统可帮助我们掌握生态与自然资源，在环境科学中具一定的重要性。另一方面，近年来面对极端气候的浪潮，历时短、强度高的降雨的发生也愈趋频繁，当透水地表或都市聚落排水系统来不及排解短时间的强降雨时便可能导致淹水。
去年（2018）八月，颱风外围环流配合西南气流的引入产生剧烈降雨，南仅一日的累积雨量便高达600毫米以上，并有上百处的淹水通报。嘉义、台南及屏东等部分临海低洼地区的淹水甚至近乎一週，为继八八风灾后另一场造成严重损伤的大规模水患。其中，透过淹水时期的遥测影像，我们能够快速地掌握淹水地区以缩短灾害应变与介入措施。
雷达影像作为主动式遥测系统，不仅在夜晚中也能纪录地表，同时，也因雷达波的长波长特性得以绕射（穿透）云层，使得影像品质不会受到天气条件的限制（参见上图）。此特点对于灾害相关的应用上，更能补足光学影像的短缺。 其中，合成孔径雷达（Synthetic aperture radar，SAR）技术的出现平衡了天线长及影像的空间解析度，也成为现今普遍使用的雷达影像之一。同时于2014年，太空总署在哥白尼卫星地球观测计画（Copernicus Programme）下发射了首颗卫星－Sentinel-1A SAR，当中有四个拍摄模式可应用于不同类型的地球监测，如地表位移变化、海洋监测等。配合其绕行週期，Sentinel-1每12天便可提供一张飞行、拍摄角度及拍摄系统参数一致的影像。2016年4月25日，第二颗规格相同Sentinel-1B SAR也紧接地升空，并与Sentinel-1A卫星以差距180度的飞行距离观测地球，更是将影像周期缩短至六天！而最棒的是，Sentinel-1 SAR的卫星影像为全球公开、免费的影像资源，大大降低了过去以SAR影像作研究与应用的资料蒐集门槛，也使得近年SAR影像相关的学术应用更如雨后春笋般地出现。
SAR影像不仅能提供昼夜、全天候的影像资料，水究竟如何从影像中辨识出来呢？概念很简单，还记得小时候学的入射角等于反射角的反射定律吧！由于水的表面平滑如同镜子一般，使得斜视入射的雷达触及地表后多会依循反射定律，让水体在影像中收到的后向散射能量（或称「回波值」）较少。
相反地，乾燥陆地因表面没有水那么平滑，雷达波便容易在表面上向四面八方散射，让SAR卫星可收到较多的回波能量。因此，SAR影像中的水通常会是深色、近乎黑色的（回波能量低），其他陆地则因有较高的回波能量，影像中呈现灰色至白色的色阶。这样的特徵其实往往从肉眼就可以大略圈出水体的轮廓。
不过，要如何以比肉眼更客观、更科学家式的方法来找到水体呢？设立回波能量的阈值，将水体与陆地一分为二是过去最常见的使用方式。联合国外太空总署（UN-SPIDER）便在网路上公开提供了Sentinel-1 SAR影像校正的参考参数，及设立阈值的参考作业流程，让我们仅透过单张SAR影像便可以快速地建立一张水体地图。而在学术社群中的讨论中，研究者为了提高水体判识的準确度，有从资料端及方法端上来精进。
以资料端出发，因水的出现与聚集通常会遵循一些规则，像是人类聚落的土地规划、水于低处汇集等，故一些研究者会搭配地真资料或结合其他图资，如土地利用资料、数值高程模型（DEM）等来增加判识条件。
在方法端上，有些研究则会採用较複杂的模式，如机器学习中的支援向量机模式（SVM）、随机森林（Random Forest）等，训练出预测表现更好的判识模型。而在灾害治理与应用上，我们经常关心一场剧烈事件后造成的洪水範围，这时，变迁分析（change detection）也是另一种常见的取径。利用比对灾害前、后的影像并找出差异，我们能够捕捉到这段时间地表有显着变化的位置，并进一步讨论此变化是否符合SAR影像水出现的特徵。
使用SAR影像判识水体已不稀奇，然而，城市中的建物结构使水体的特徵变得有些複杂，也造成都市水体的判识面临一些挑战。因都市地区中有许多建物，当雷达波从地表反射后，会因周遭的垂直楼面产生二次以上的反射，使得SAR影像中的回波能量比一般情况下高。以灰阶呈现SAR的回波能量时，城市往往是影像中亮亮的地方（如下图的大台北地区）。而都市水体的回波能量容易在经由表面反射后，再碰撞周围的建物产生二次反射，使得都市内的水体回波能量反而是高的。
许多都市地区的淹水研究便会透过变迁分析找出事件后回波值升高的地区，以推论淹水範围。目前，我们在台大地理系的研究团队尝试在使用SAR影像判识都市水体时，以更细緻的地表高程资料来量化都市型态及其结构特徵，捕捉城市内部不同建成环境特徵下所造成的二次反射效果与强度差异。从我们的模式结果发现，都市内的水平方向密度与二次反射的发生有显着的正相关性，而在垂直高度上，超过一定的高度阈值后，二次反射效果便会发生。
换句话说，在水平密度高的地方如，路窄、建物密集度高的商圈中，水体的回波能量会比一般状态下来的高。但若在都市中较开阔的户外空间或周围楼高低的地区，我们对于水体判识的条件反而不需做特别的调整。透过这样的模式训练规则，我们针对都市地区建立了一个考量二次反射与都市结构异质性的水体判识模型架构，预期可以透过SAR影像更细緻地讨论都市内部的水体特徵。
SAR影像得以突破光学卫星影像中最大的天候限制，在判识地表水体的时间断面上更加具有弹性，尤其是极端气候下的洪患治理与应用。虽然上述介绍的资料与方法已尝试增进地表水体的判识能力，但在实作面上，判识结果的细緻及準确度也会受制于影像的拍摄日期、影像解析度等因素的影响。不过，在遥测的技术面及应用面持续的激荡与进展下，相信未来我们能够在目前的科学基础之上，创造更多水体判识、应用的可能及想像。
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