TWI474029B - 應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術 - Google Patents

Description

應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術

本發明是有關於一種應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，特別是有關於一種能夠以微波雷達測量海岸線位置及潮間帶地形之技術。

近年來，氣候變遷影響全球海洋表面溫度上升，海水位也有逐漸上升的趨勢，極端事件發生的頻率也有逐漸增加的趨勢，對海岸造成越來嚴重的災害威脅，其中以極端事件對海岸的衝擊較大。極端事件指不同於氣候平均態的變化，這些突發性天氣事件對所經過海域的海洋水動力、海洋水文、化學及生物等過程將產生脈衝式擾動，從而改變陸-海、海-氣、海水-沉積物等介面之間的物質和能量交換，對於海岸的自然環境同時產生物理性質、生物化學與生態性質的衝擊，極端事件的發生頻率或強度有關的任何變化都可能立即對自然環境和社會產生重大影響。其中物理性質的衝擊產生如海岸侵蝕和海岸溢淹可能對沿居民安全產生嚴重且立即性的威脅，為了提升海岸安全及保護，對於海岸災害的了解便顯得重要。

習知為了能夠了解海岸地形變化的情況，主要測量的方式係利用水準儀測量高程及GPS定位進行現場測量，但由於需要大量人力與時間，因此無法有效進行大範圍的調查。

更有習知航空測量方式係於飛機上裝載雷達、光達、多光譜儀和攝影機等觀測儀器，用來測量海岸線位置及繪製海岸地形，可觀測大範圍面積，惟出航時需配合天氣狀況，且無法長時間取得定點即時資訊。

此外，衛星遙測為近年來主要的地形測量方式之一。觀測儀器包括合成孔徑雷達、光達、多光譜儀等多項儀器，比起航空測量更容易取得大範圍資料，且不受天氣影響、不侷限日夜，惟不同衛星週期約24~44天，同樣無法於長時間取得定點即時資訊。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中之一目的在於提供一種應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，以即時且長時間地掌握海岸線及潮間帶地形的變化。

緣是，根據本發明之目的，本發明提出一種應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，用以對海洋及陸地交界之觀測區域進行觀測，此應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術包含下列步驟：擷取海岸線之觀測區域之雷達回波運算影像，其中雷達回波運算影像係對時間分散程度之運算；對雷達回波運算影像進行高反差處理以取得高反差影像； 對高反差影像進行雜訊過濾以取得濾波影像；對濾波影像進行邊緣化處理以取得邊緣化影像，其中邊緣化影像包含複數條等值線(Contour line)；以及擷取邊緣化影像中最靠近陸地之等值線，其中此等值線即為海洋及陸地交界之海岸線之位置。因此，藉由微波雷達對陸地、海洋之反射及散射特性差異以測量海岸線之位置。

前述之微波雷達為X頻段微波雷達或S頻段微波雷達，其中X頻段微波雷達之頻率範圍介於8GHz~12GHz，而S頻段微波雷達之頻率範圍介於2GHz~4GHz。

此外，此應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術更包含依據等值線對時間之關係以取得海岸線於時間區間內之位置變化值，進而將觀測區域於此時間區間內之水位變化值代入位置變化值後作時間之平均以取得潮間帶垂直高度變化。因此，藉由微波雷達設置於海岸線之觀測區域可定點且長時間掌握海岸線之位置變化及潮間帶垂直高度變化。

此外，擷取海岸線之觀測區域之雷達回波運算影像更可包含下列步驟：決定微波雷達之盲區(blind area)；對微波雷達進行回波強度校正；對微波雷達進行天線轉速校正；以微波雷達擷取觀測區域之雷達回波影像； 對雷達回波影像進行座標轉換以取得座標轉換影像；以及計算座標轉換影像之時間分散程度以取得雷達回波運算影像。

其中，以微波雷達擷取觀測區域之雷達回波影像後更可對雷達回波影像進行運算處理以取得觀測區域之空間浪場及流場。其中空間浪場及流場可藉由三維傅立葉轉換及波浪理論進行運算而取得。

前述之雷達回波影像之座標系為極座標系(Polar coordinates system)，而雷達回波運算影像之座標系為笛卡兒座標系(Cartesian coordinates system)。

承上所述，依據本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，其可具有一或多個下述優點：

本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術可藉由微波雷達對陸地、海洋之反射及散射特性差異以測量海岸線之位置。

本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術藉由微波雷達設置於海岸線之觀測區域可定點且長時間掌握海岸線之位置變化及潮間帶垂直高度變化。

本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術更可藉由觀測區域之雷達回波影像以取得觀測區域之空間浪場及流場。

茲為使 貴審查委員對本發明之技術特徵及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明如後。

S10、S20、S30、S40、S50、S60、S70、S80、S90、S100、S110、S120、S130‧‧‧步驟

10‧‧‧雜訊

20‧‧‧等值線

30‧‧‧等值線

第1圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術取得雷達回波運算影像之流程圖。

第2圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術測量海岸線及潮間帶地形之流程圖。

第3A圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術之雷達回波運算影像。

第3B圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術之第3A圖紅框範圍之雷達回波運算影像。

第3C圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術之高反差影像。

第3D圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術之濾波影像。

第3E圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術之邊緣化影像。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1圖及第3A圖，第1圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術取得雷達回波運算影像之流程圖。第3A圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術之雷達回波運算影像。其中，微波雷達可例如為X頻段微波雷達或S頻段微波雷達。X頻段微波雷達之頻率範圍可例如介於8 GHz~12GHz，而S頻段微波雷達之頻率範圍可例如介於2GHz~4GHz。

S10：在使用微波雷達觀測前，首先需決定微波雷達的盲區。由於雷達觀測時會受到雷達儀器本身的限制，在接近雷達處會有觀測不到的區域，稱之為「盲區(blind area)」，其中盲區為雷達至觀測目標之水平距離，而主要影響盲區的兩個因素為脈波長度(Pulselength)及波束寬度(Beamwidth)。

脈波長度為雷達打出電磁波所需之時間，且必須滿足2y/c=P₁，其中y為電磁波從雷達行進至觀測目標之距離、c為光速、P₁為雷達打出電磁波所需之時間。因此，藉由雷達距海平面之垂直高度及電磁波從雷達行進至觀測目標之距離即可利用三角函數關係式得到脈波長度所決定之盲區。

續言之，波束寬度則為雷達所發出之電磁波所涵蓋的角度，同樣利用三角函數關係式即可得到波束寬度所決定之盲區。得到由脈波長度及波束寬度所決定之盲區後，以距離較長者為決定盲區之距離。

S20：雷達強度之校正係為獲得絕對雷達回波強度，以避免距離雷達較遠之物體因回波強度的衰減程度高而不顯著。其中，回波強度係利用率定校正(Calibration Approach)方法，藉由雷達的電磁波傳播至以之截面積大小之目標物，以記錄目標物反射之回波強度。

S30：雷達在觀測的運作過程中，理想狀態之雷達天線係以等速度作旋轉，如此一來，雷達所發射之電磁波便能在空間上均勻的 分佈。但是，實際上雷達天線之旋轉速度會受到外在環境(如陣風)的影響。因此，依據雷達電磁波射線所分佈的角度作調整與線性內差後，便可將電磁波射線校正於正確的空間分佈，以排除因環境因素所導致雷達天線旋轉速度不同而產生的誤差。

S40：在決定盲區、雷達強度校正及雷達天線轉速校正後，以微波雷達對海洋及陸地交界之觀測區域進行觀測而取得觀測區域之雷達回波影像。

S50：對雷達回波影像進行座標轉換以取得座標轉換影像。由於雷達回波影像係以極座標(Polar coordinates)之方式呈現，因此必須將極座標轉換成笛卡兒座標(Cartesian coordinates)。如此一來才能夠與地籍資料套疊而得到經緯度之大地座標。透過大地座標之方式呈現便可清楚知道雷達探測範圍內實際位置之回波強度。

S60：計算座標轉換影像之回波強度對時間之標準偏差(standard deviation)以取得如第3A圖所示之雷達回波運算影像，其中縱軸、橫軸為經緯度，而色條(color bar)為標準偏差值。其標準偏差公式為：

其中，x_i為單位像元之回波強度值、為單位像元之平均回波強度值、N為資料筆數。

其中，雷達回波運算影像係對時間分散程度之運算，本發明實施例係以標準偏差之運算為例，亦可以方差(variance)或變異係數(coefficient of variation)等方式運算，惟本發明不限於此。

此外，雷達回波影像可例如藉由三維傅立葉轉換作為分析基礎並配合波浪理論(Wave Theory)作為運算法則之分析軟體，對雷達回波影像進行運算處理而取得觀測區域之空間浪場及流場。

第3A圖之雷達回波運算影像係以桃園新屋臨海工作站前之海灘為例。由第3A圖可發現，陸地部分之標準偏差值都非常小，而海面之標準偏差值則相對大的許多。因此，藉由陸地及海洋之回波特性不同(如鏡面反射、多重反射、雷利散射、米氏散射及布拉格散射等)，便可透過此雷達回波運算影像區別陸地及海洋之位置。

請參閱第2圖及第3A圖至第3E圖，第2圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術測量海岸線及潮間帶地形之流程圖。第3B圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術之第3A圖紅框範圍之雷達回波運算影像。第3C圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術之高反差影像。第3D圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之之濾波影像。第3E圖係為本發明之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術之邊緣化影像。

S70：以第3A圖之紅框範圍為例，擷取第3A圖之紅框範圍之觀測區域之雷達回波運算影像而得到如第3B圖之雷達回波運算影像。其中，第3B圖之雷達回波運算影像之縱軸、橫軸為經緯度，色條 為標準偏差值。

S80：對第3B圖之雷達回波運算影像進行高反差處理以取得如第3C圖之高反差影像。其中，高反差處理係將第3B圖之雷達回波運算影像作像元強度的機率統計分佈，以取得機率統計分佈中之鞍點(saddle point)作為區分陸地與海洋的門檻值作高反差處理。

第3C圖之高反差影像之色條為高反差強度，此高反差強度為0與1，而縱軸、橫軸為經緯度。

S90：對第3C圖之高反差影像進行雜訊過濾以取得如第3D圖之濾波影像。其中，雜訊過濾係可例如以中值濾波(median filtering)過濾雜訊10，其係將二維影像取觀察窗(3乘3的子影像)，將觀察窗中的9固數值作排列，並於觀察窗中間的像元以9個數值的中位數取代。

第3C圖之高反差影像可例如將雜訊10過濾以得到第3D圖之濾波影像。其中，第3D圖之濾波影像之色條為高反差強度，此高反差強度為0與1，而縱軸、橫軸為經緯度。

S100：對第3D圖之濾波影像可例如以Canny法、Laplacian法、Soble法等邊緣偵測運算子之方法進行邊緣化處理以取得如第3E圖之邊緣化影像，第3E圖之邊緣化影像之色條為邊緣化強度，此邊緣化強度為0與1，而縱軸、橫軸為經緯度。其中，第3E圖之邊緣化影像包含複數條等值線(Contour line)20、30。

S110：擷取第3E圖之邊緣化影像中最靠近陸地之等值線30，其中此最靠近陸地之等值線30即為海洋及陸地交界之海岸線之位置。因此，可藉由微波雷達對陸地、海洋之反射及散射特性差異以測 量海岸線之位置。

S120：由於海岸線之位置會受潮位的影響而隨著時間變化，因此依據等值線對時間之關係以取得海岸線於某一時間區間內之海岸線之位置變化值。

S130：將觀測區域於此一時間區間內之水位變化值代入位置變化值後，便可得到不同時間之海岸線位置及垂直高度資料。進而可於欲求得之時間區間內作時間之平均以取得潮間帶垂直高度變化，此潮間帶垂直高度變化係為不同離岸距離潮間帶地形之垂直高度的變化情況。因此，藉由微波雷達設置於海岸線之觀測區域可定點且長時間掌握海岸線之位置變化及潮間帶垂直高度變化。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

S70、S80、S90、S100、S110、S120、S130‧‧‧步驟

Claims (9)

1. 一種應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，用以對海洋及陸地交界之一觀測區域進行觀測，該技術包含下列步驟：擷取海洋及陸地交界之該觀測區域之一雷達回波運算影像，其中該雷達回波運算影像係對一時間分散程度之運算；對該雷達回波運算影像進行高反差處理以取得一高反差影像；對該高反差影像進行雜訊過濾以取得一濾波影像；對該濾波影像進行邊緣化處理以取得一邊緣化影像，其中該邊緣化影像包含複數條等值線；擷取該邊緣化影像中最靠近陸地之該等值線，其中該等值線即為海洋及陸地交界之海岸線之位置；以及依據該等值線對時間之關係以取得海岸線於一時間區間內之一位置變化值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，更包含將該觀測區域於該時間區間內之一水位變化值代入該位置變化值後作時間之平均以取得一潮間帶垂直高度變化。
3. 如申請專利範圍第1項所述之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，其中該微波雷達為一X頻段微波雷達或一S頻段微波雷達。
4. 如申請專利範圍第3項所述之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，其中該X頻段微波雷達之頻率範圍介於8GHz~12 GHz。
5. 如申請專利範圍第3項所述之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，其中該S頻段微波雷達之頻率範圍介於2GHz~4GHz。
6. 如申請專利範圍第1項所述之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，其中擷取海岸線之該觀測區域之該雷達回波運算影像更包含下列步驟：決定該微波雷達之一盲區；對該微波雷達進行回波強度校正；對該微波雷達進行天線轉速校正；以該微波雷達擷取該觀測區域之一雷達回波影像；對該雷達回波影像進行座標轉換以取得一座標轉換影像；以及計算該座標轉換影像之該時間分散程度以取得該雷達回波運算影像。
7. 如申請專利範圍第6項所述之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，更包含對該雷達回波影像進行一運算處理以取得該觀測區域之一空間浪場及一流場。
8. 如申請專利範圍第6項所述之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，其中該雷達回波影像之座標系為極座標系。
9. 如申請專利範圍第8項所述之應用微波雷達於海岸線及潮間帶地形測量之技術，其中該雷達回波運算影像之座標系為笛卡兒座標系。