太空中的漁船監視器!海洋衛星影像技術
近年來，世界各國不斷在制定如何有效打擊非法、隱匿、管制外的船隻，但是除了法律與條文的制約之外，一套對於海洋的遙測技術是不可或缺的。試想:若是沒有監視攝影機及警察，那再滴水不漏的法律條文也是毫無用武之地。隨著科技進步，且2012年資料開放政策推動之後，天時地利人和下，國際上漸漸有許多的衛星資料穩定且無償的開放給全世界進行海洋環境監測或研究的需求，。也有些企業將衛星資料為特定機關或是其他企業有償提供資訊，海洋衛星影像技術在其中扮演著最重要的角色。以下介紹的ICEYE就是利用這項技術營利的機構。
圖 2 : 來自 ICEYE 的示例 SAR 數據。 圖片來源
ICEYE是一家為特定機關客制所需衛星遙測資訊的一家企業。目前，該公司根據市場需求的SAR數據與信息服務而製定發射新衛星所搭載的系統規格，已成功地通過系統商業衛星群向全球客戶提供數據。其所使用的SAR衛星所搭載的光學雷達為合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar, SAR），屬於一種微波成像雷達，也是一種可以產生高解析度影像的機載雷達或星載雷達，可搭載於飛機或是衛星上，使用上需要用到高複雜的雷達數據合成後處理過程，藉此獲得極高空間解析度的光學雷達影像。合成孔徑雷達衛星為不受日夜天候影響，現已被廣泛應用於環境與災害觀測上。SAR的首次使用是在20世紀50 年代後期，搭載在RB-47A和RB-57D 戰略偵察飛機上偵查地面情形。經過近60餘年的發展，合成孔徑雷達技術進趨成熟，各國都建立了自己的合成孔徑雷達發展計劃，各種新型體制合成孔徑雷達應運而生，在民間、企業與政府間扮演不可或缺的重要角色。
SAR與其它大多數雷達一樣，透過發射電磁脈衝和接收目標回波，測量兩者之間的時間差測定距離，其解析度與脈衝寬度或脈衝持續時間有關，脈寬越窄解析度越高。合成孔徑雷達通常裝在飛機或衛星上，分為機載和星載兩種。按照平臺的運動航跡來測距和二維成像，其兩維座標資訊分別為距離資訊和垂直於距離上的方位資訊。方位解析度與波束寬度成正比，與天線尺寸成反比，就像光學系統需要大型透鏡或反射鏡來實現高精度一樣，雷達在低頻工作時也需要大的天線或孔徑來獲得清晰的圖像。由於飛機航跡不規則，變化很大，會造成圖像散焦。必須使用慣性和導航感測器來進行天線運動的補償，同時對成像數據反覆處理以形成具有最大對比度圖像的自動聚焦。因此，合成孔徑雷達成像必須以側視方式工作，在一個合成孔徑長度內，發射波段信號，接收後經相關處理進而得到一幅電子鑲嵌圖。雷達所成圖像圖元的亮度正比於目標區上對應區域反射的能量。 總量就是雷達截面積，它以面積為單位。後向散射的程度表示為統一化雷達截面積，以分貝（dB） 表示。地球表面典型的統一化雷達截面積為：最亮+ 5 dB，最暗-40 dB。合成孔徑雷達不能分辨人眼和相機所能分辨的細節，但其工作的波長使其能穿透雲和塵埃，使其不管白天夜晚，都能不受天氣系統阻礙地進行觀測。
一般而言，船隻定位最好的方式是透過船舶自動識別系統AIS (Automatic Identification System) 所提供的船隻定位資訊。然而，一些進行軍事活動或是走私活動的船隻，通常不會主動開啟AIS系統，在這種情況下就可以透過衛星遙測偵測海面船隻分布的方法輔助。這時就需要海洋衛星影像技術來偵測海面上的船隻，以Sentinel-1衛星影像反算海水表面船隻為例，藉由地表粗糙度，根據地表地物與雷達波間之交互作用關係，主要可分為表面散射 (surface scattering)、二次散射 (double bounce scattering) 以及體散射 (volume scattering) 三種。表面散射為雷達波接觸地表後產生之回波訊號，水體及裸露地多屬表面散射，其回波訊號強度較弱。二次散射為雷達波接觸地表後折射至一垂直物體後再沿雷達入射角方向折射回雷達天線。二次散射幾乎是將雷達入射波完整散射回雷達天線，因此其回波訊號強度最強，建物等人造物體多屬二次散射。體散射發生於雷達波接觸到形狀較不規則的物體後，產生多次散射或折射，僅有部分的回波訊號可被雷達天線接收。三種散射機制的回波訊號強度，以二次散射最強，體散射次之，表面散射最弱。
而船隻等物體多為二次散射，相較於海表面的表面散射，有較強的雷達回波，於雷達影像上將呈現一亮點。在經過影像復原(Image restoration)、校準 (Calibration) 之後，設定目標視窗 (target window)、守衛視窗 (guard window) 與背景視窗 (background window)，其中目標視窗大小為欲偵測之目標物的最小尺寸，守衛視窗為欲偵測目標物的最大尺寸，背景視窗需大到足以準確的估算該區域之統計值。首先須計算背景視窗中像元的平均值 (µ_b) 與標準差 (σ_b) 以及目標視窗中像元的平均值 (µ_t)，並由使用者自行定義參數t，若偵測範圍之中心像元滿足公式，則該像元為目標物的一部分，若不滿足則非目標物，並移至下一個像元重複上述步驟。
當影像中所有目標像元皆完成適應定限的篩選後，即可進行物件辨識的步驟，將被判定為目標物之相鄰像元組合為一物件，並計算每個物件的長寬資訊，將大於或小於欲偵測之目標物尺寸範圍之物件刪除後即完成船隻偵測。
第18屆亞太經濟合作 (APEC)企業/私人部門參與海洋環境永續性圓桌會議，在「海洋環境保護(Marine Environmental Protection)」及「糧食安全與海洋資源(Food Security and Marine Resources)」兩大議題中，涵蓋了推動沿岸環境監測系統、推動海洋垃圾管理、漁業廢棄物資源化及公眾意識、非法捕撈漁業管理等主題。會議最終綜合討論研提建議，將提供2018年APEC海洋及漁業工作小組(OFWG)會議參考。但是沿岸環境監測系統及非法捕撈漁業管理尚未完善，當前的監控系統不足以應對這些事件。因此可以藉由ICEYE的新技術補足監控系統的不足。Automatic Identification
System (AIS)是一種自動跟蹤系統，所有超過一定尺寸的船隻都必須裝載，而帶有AIS收發器的船隻航行途中經由沿線的AIS基地台與支援的衛星系統，能有效進行監測及管理。
而近地軌道合成孔徑雷達SAR技術可用於檢測全球任何地點的船隻，檢測到的船隻可以與AIS軌跡相比對，以掌握先前不受監控的暗船。
1. 船隻檢測
船隻具有高雷達反射率並在SAR中顯示為明亮目標，光滑的海面會引起鏡面反射，因此大部分能量來自雷達直接從傳感器反射出去，產生的效果是船隻和海面之間的亮度差異通常非常大，然而必須注意的是，風對海面的影響會導致亮度變化稱之為海雜波。暗船檢測的預先處理包含多視、校準SAR、數據的橢球校正和投影以生成地理編碼雷達反向散射光柵。使用相關技術可減少暗船覆蓋的區域需要的檢測演算法，進而減少計算時間和誤報的數量。
雷達應用中船隻檢測的標準方法是用恆定誤報率(CFAR)算法，用於搜索圖像像素與背景的不同。海雜波通常使用K分布和自適應閥值用於保持CFAR。還有一種方法是訓練卷積神經網路(CNN)，區分船隻的重要特徵，非常適合船舶檢測，因為暗船目標的方向大小和形狀是不變的但對檢測精度影響不大。基於CNN的模型可以擴展到分類不同的船隻類型。該領域的一個正在進行的研究領域是利用可見的船隻尾流檢測和確定船隻航向和速度。
2. 方位角模糊
SAR成像可能包含方位角模糊，出現「幽靈船」，真實船隻兩側的公里數。距離和亮度模糊度是SAR成像參數的函數，包含脈衝重複頻率(PRE)。 通常，歧異出現在亮度級別的海面雜波下方但對於強目標，模糊性可能導致錯誤的檢測。
3. AIS相關性
AIS消息包含有關單一船隻的廣泛信息的包括GPS的精確船舶位置、國際海事組織(IMO)編號、海上移動服務標誌(MMSI) 和其他信息，如名稱、船型、尺寸、速度、航向等。AIS訊息的內容因為其訊息類型在條目本身並不總是可靠的，因為不法船舶可能偽造其AIS消息中的字段甚至通過切換緯度和經度提供預編程的路線。為了識別暗船，利用來自單個船舶的AIS位置信息構成執行AIS相關的AIS軌跡序列。這些AIS軌跡可以通過內查或外推來預測船隻的位置，使用匹配算法(雙菱鏡搜索/基於分數的匹配)以及沒有匹配可以標記為暗船。
除了檢測暗船之外，衛星影像技術同樣能夠為陸地、城市等地區提供大範圍高精度的光學雷達影像，藉由持續、全面性地觀測及分析，根據觀察物件的不同，搭配專業的第三方數據輔助，將圖像與輔助數據相結合，進行最精準的分析。能夠應用的範圍包括洪水觀測、海面浮冰、海面漏油、農業用地監測、非法捕魚業者管制、檢測未經許可的暗船、導航等等，涵蓋了經濟、生態、政治、安全等，以頻繁和持續的全球覆蓋以進行持續監測。
海洋衛星影像技術不只可以看海洋，透過衛星遙測及光學影像分析技術，應用於天氣、地形，連洪水、土石流潛勢都能透過衛星影像技術實現。過去科幻電影中「天眼」這個只存於想像中的技術系統，也許在不遠後的未來，都將成為現實，衛星影像這項產業在臺灣雖然一直都沒有躍上大舞台大放異彩，但在國際趨勢的推動下，相對弱勢的臺灣該如何發展衛星產業，進一步提升國際地位與實力，是對於身在台灣的我們而言，值得思考的議題。
撰稿者：陳智賢 （成功大學地球科學系大學部暑期工讀生）指導老師：劉正千 特聘教授
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