2023/08/14 | 電子報No.0197期 | Sally 楊皓雲
隨著科技的發展，地球資源觀測衛星儼然成為現代地球科學研究和資源管理的重要工具，對人類認識和保護地球環境別具重要的意義。雖然衛星的研發與製造會根據其任務需求而有所差異，但依循著時間的洪流，可以觀察到：小型衛星數量增加、多光譜及高光譜需求增加，且朝向高重返率及高解析度的方向發展。由於光學衛星受天候影響較大，且無法全天候監控地表，因此限制了地表的監測活動，而合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar, SAR）衛星正好可補足光學衛星的不足，達到全天候觀測的優點，近年來SAR衛星在製造與資料處理技術上的突破，亦在衛星產業界掀起新一波的革命。本文將透過實際案例來介紹衛星的發展趨勢以及帶給人類的影響。
趨勢一：小型衛星數量增加
小型衛星在近年來的發射數量急遽增加(圖1)，主要有以下四個原因：第一，因近年來先進的電子元件、輕量化材料和微型化技術使得在小型空間內實現複雜的衛星功能成為可能，技術的進步使得開發小型衛星更具經濟效益。第二，相較於傳統的大型衛星，小型衛星因體積較小，其製造和發射成本更低，且可以通過共乘方式與其他衛星一同發射來分擔發射成本。第三，小型衛星通常具有模塊化設計，可使用標準化的元件和系統，來節省開發和製造成本。第四，因小型衛星具有靈活性和快速部署的優勢，可以滿足日益增長的應用需求，例如地球觀測、通訊、科學研究等領域，同時小型衛星也為新創企業和學術機構提供了參與太空任務的機會，推動了創新和合作。儘管小型衛星有諸多的優勢，但亦受到能源限制、載荷限制且壽命較短，因此會透過不斷製造及發射的方式來維持衛星群的規模。如Planet Labs公司的PlanetScope衛星群(亦稱為Dove衛星群)，從2013年起至今已發射3-4百顆，目前正在運行中的衛星共有180顆以上，且持續發射中，其拍攝面積可達一天2億平方公里，適合大範圍面積的監測。
衛星群(satellite constellation)：由三顆以上之衛星所組成的星座。
趨勢二：朝向更多波段的衛星發展
越多的光譜帶能夠提供越豐富的地球觀測資訊，以進一步深入了解地球表面特徵。在過去衛星能提供的波段以4波段為主，其應用面相包括：植生率覆率分析、海岸線萃取等。然而當我們想看得更多，亦需要更加客觀的分析地表資訊，勢必需要更多的光譜來進行辨識，例如想了解水底下的暗礁分布、特殊植生的分布狀況、以及了解農作的健康度狀況，以實現精準農業之應用，因此衛星的波段數量逐漸不敷使用，故衛星的設計正朝向更多波段的方向發展，如Planet Labs自2013年將4波段的Dove衛星群送至太空後，至2022年底已將所有的鴿子衛星升級成SuperDove，可提供8波段的光譜資訊，除原本的R、G、B、NIR外，還新增Green 1、RedEdge、Yellow、Coastal等波段，可應用於農業監測，如甘藍生長總量管控、農地污染對植物健康偵測、病蟲害防治等；而美國Landsat系列衛星亦朝向此方向發展，自1972年第一顆Landsat-1發射升空，後續的系列衛星波段數量亦逐漸在增加，預計至2030年將發射擁有26波段的Landsat Next衛星(圖2)至太空中。
當波段數增加至數百個到數千個之間的衛星又稱為「高光譜衛星」，相較於多光譜衛星其優勢在於能夠捕捉到更多的波段(圖3)，因此具有更強的物質識別能力，可進行細微的環境特徵檢測、物質識別和成分分析，例如區分不同的地表材料、植被物種、水質特性、土壤中礦物質含量、植物化學成分等。由於近年來技術進步及應用需求增加，推動了高光譜衛星的發展。現行運行的高光譜衛星如德國航空太空中心所營運的EnMAP，提供244個波段進行科學研究任務以監測地球的環境變化，而Planet Labs公司也計畫於今年開始建置Tanager衛星群，將提供超過 400個波段的數據，除了支持更多地表資源監測外，亦可追蹤甲烷、二氧化碳等氣體排放狀況，由此可觀察到衛星之服務亦朝向綠色應用領域邁進。
趨勢三：高重返率及高解析度同時滿足
早期之衛星設計難以同時滿足高重返率及高解析度這兩個需求，但隨著地球變化越來越快速，衛星影像可應用的面向也越來越多元，為了獲得即時且詳細的地理資訊，監測頻率提高及高解析度的影像需求可說是勢在必行，現行運行之衛星重返率及解析度關係如圖4所示。
在重返率部分，衛星公司可透過調整衛星軌道傾角以及軌道高度來增加單顆衛星之重返率。
「軌道傾角(Orbit Inclination)」代表「衛星軌道平面與地球赤道面之間的夾角」(圖5)，早期的衛星軌道設計多為大傾角，目的是要讓衛星的拍攝範圍可涵蓋高緯度地區，以實現更廣域的監測，像是Landsat、Sentinel系列衛星軌道傾角皆接近99度；而軌道傾角小的衛星相對於繞極衛星，對人類主要活動範圍的監測頻率較高，如SkySat衛星群中配置了軌道傾角僅53度的衛星。
而「軌道高度(Satellite Altitude)」代表「衛星距離地表之高度」，當軌道高度越低重返時間也會越快，如Planet Labs公司就將原本發射高度為600公里的Skysat衛星群軌道高度降至400公里，下降了有200公里這麼多！調降軌道高度除了可增加單顆衛星的重返率外，亦大幅提升了影像清晰程度，使Skysat衛星群的真實地面解析度從0.86公尺調降至0.58公尺，可說是一舉兩得呢！除了調整單顆衛星的參數外，衛星公司亦會透過發射多顆小型衛星來提高監測頻率，或是將衛星放置於同軌道，並利用其角度差設計來達到此目的，如AirBus公司的Pléiades Neo衛星，將兩顆衛星放在同一軌道上，讓彼此相差180度(圖6)，使其可在全球範圍內每天進行兩次重訪。若搭配多組軌道傾角設計(影片7)，亦可讓衛星每天可在不同的時間到訪，以隨時掌握地表的變化，如Planet Labs公司的SkySat衛星群，共有21顆衛星同時拍攝，包含15顆太陽同步衛星以及6顆非太陽同步衛星，一般太陽同步衛星都是在上午拍攝，SkySat因為其靈活的軌道，除了上午外，下午也可以拍攝，因此該衛星群一天重返單一位置的次數可達6次以上。
解析度部分，隨著衛星本體設計與感測技術的進步，優於50公分解析度的商用衛星在近十年來已逐漸普及，例如Maxar、Airbus、Planet Labs等現有商用光學衛星供應商，亦持續研製更高解析度的衛星，將有助於提高飛機或無人機難以到達地點的影像拍攝能量。
在早期要取得較高解析度之影像，皆要透過大型衛星拍攝，因為大型衛星有更多空間可容納大型和複雜的高解析度鏡頭，隨著技術的發展與革新，較低成本之小型衛星亦可獲取高解析度之影像。例如解析度同樣為0.3公尺之衛星，Maxar公司於2016年發射的WorldView-4衛星建置成本為10億美元，而2022年Planet Labs開始建造的Pelican衛星僅花了300萬美元，成本降低了333倍(McKinsey & Company, 2022)，可見科技的進步促進了衛星朝向高解析度的方向發展，另外值得注意的是，較低成本所打造的Pelican衛星未來實際營運後，所獲取的影像品質是否與傳統大型衛星能旗鼓相當呢？真是讓人期待。
除了衛星本體設計外，近年來AI蓬勃發展，提供了新的解決方案來增加影像解析度，該技術稱為「超解析度成像（Super-resolution imaging, SR）」，是透過機器學習來建立精確的物體邊界並增強長線性特徵，雖然沒有提高衛星影像的實際解析度，但卻能夠顯著提高其視覺效果，以生成高解析 (High Definition, HD) 影像，可應用於所有的光譜帶。如Maxar 的HD影像加值服務技術，將旗下的衛星影像解析度加值至30公分，原本解析度為30公分的WorldView-3衛星，解析度更可以提高至15公分，衛星影像的品質已達到航照之水準(圖8)。
另外融合(Fusion)技術也是常用來提高衛星影像時間解析度及空間解析度的方法。該技術可將不同波段的影像結合，以獲得更高解析度之衛星影像，常見的案例為：將保有高空間解析度的全色態影像(Panchromatic)和豐富色彩資訊的多光譜影像(Multi-Spectral)結合，以獲得同時具有高解析度和多光譜特性的全色態銳化影像(Pan-sharpened)，此外亦可將不同衛星的資訊整合以獲得更豐富、全面的地球觀測資訊，如Planet Labs將PlanetScope衛星群之資訊，融合了如Sentinel、Landsat等其他衛星數據，以提供更全面、時序連續和高解析度的地球觀測產品(圖9)。
上述之技術在影像處理方面掀起了一波新的革命，未來透過多顆小型衛星群再搭配上AI的影像演算技術，更多高解析度的影像服務可謂指日可待。
綜整三個衛星趨勢，未來之衛星應用面相包括智慧城市管理、精準農業監測等領域。在智慧城市管理部分如：萃取車輛以進行數十分鐘的車流量監測，透過高重返率且高解析度之衛星可即時、準確的記錄交通資訊，以幫助城市管理者更有效地規劃和管理交通系統。在精準農業監測部分可了解農作物生長狀況，以提高產量並節省成本，而現今因解析度高的高光譜衛星發展尚未成熟，無法達到精準農業所需的解析度與波段數，因此多以高光譜儀搭載無人機為主，若未來高光譜衛星發展更蓬勃，且解析度提升、重返率增加，可以更快速又清楚地讓農民了解土壤中營養之空間分布(圖10)，針對作物生長週期也能掌握得更準確，以實現精準地投放與監測。
不過光學衛星在地球觀測方面受天候和光線條件所影響，無法實現全天候對地球的連續監測，而SAR衛星屬主動式雷達系統可克服該困難。早期SAR影像資料複雜度高需要專業處理技巧，但缺乏相關技術的人才，加上空間解析度低，對於地表的細節較無法真實呈現，使得發展較為緩慢，不過近年來由於SAR影像處理技術提升、空間解析度提高，不僅讓影像的使用門檻降低，亦能清楚地呈現地表之細節，因此有許多新興衛星公司致力於SAR衛星的研發與發射，亦朝向小型衛星、高解析度及高重返率的趨勢發展(圖11)，例如芬蘭ICEYE公司及美國的Capella Space自2018年起至今持續發射的衛星群，皆可應用於油汙、海岸線監測等領域。在油汙追蹤方面，若SAR衛星之重返率及解析度能夠再提升，則可做到即時追蹤油汙的擴散方向(圖12)，而海岸線監測方面，在光學影像中呈現之浪裂線可能會影響海岸線邊界的判釋，但透過SAR衛星影像則可清楚分辨該邊界之差異(圖13)。
值得注意的是現行的SAR衛星之波段以X band及C band為主，由於主動式雷達所發射的微波範圍內(表1)，較長波長之微波受到電離層影響較大，而較短波長之微波受到對流層影響較大，介於微波波長中間的X band 及C band使用上較為方便，因此其數量也最多，不過實際應用上仍需考量監測項目來決定所使用的波段。
近期有顆眾所期盼的SAR衛星即將問世，它是由NASA和ISRO組織共同開發的NISAR衛星，其任務為追蹤地球表面的細微變化，如提供火山將爆發的警告訊號、追蹤冰蓋融化速度與海平面上升狀況以及監測地下水供應狀況，並觀察世界各地植被分佈的變化等，是一顆擁有L波段及S波段雙頻雷達衛星，預計於2024年發射升空，期待為地表帶來更多豐富的資訊。
總合上述，在新太空時代下為了適應快速市場變遷，快速量產衛星成為首要關鍵，除了以量取勝外，技術創新也是重要的課題，相較於傳統的大型衛星，小型衛星使用年限較短，在精確度上仍有發展空間，故若能提高其性能，並有更精確的太空軌道部署將成為新創衛星公司之取勝關鍵。此外，未來若能將高性能的光學影像與SAR影像資料進行多元整合，將帶來更多的優勢和應用潛力，在自然災害監測方面，如地震事件中光學影像提供受災區的視覺現況，而SAR影像則提供地表變形之訊息，這兩者的整合可更全面地進行災害監測及評估；在資源管理面向，光學影像提供植被覆蓋狀況和植物健康狀況等訊息，而SAR影像則提供土壤濕度和植被結構等資訊，因此將兩者結合可幫助管理者更了解資源現況。技術的發展和應用需求將持續推動「新太空」時代的地球資源觀測衛星發展，為我們揭示更多的地球奧秘。
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