儀科中心研製之伏羲高光譜儀 FUHSI 及智慧光譜影像儀 ISIS

全球化貿易交流下，生物無國界，各地區原生物種正面臨外來物種的威脅，破壞原來生態穩定，台灣也不例外：原產中南美洲的銀合歡正大舉侵佔南台灣恆春半島，剝奪經濟作物生存空間，人稱「綠癌」的小花蔓澤蘭也正肆虐台灣中低海拔山區，形成經濟及生態上嚴重的危害。在 WTO 國際貿易體制下，台灣農業正面臨嚴峻的生存挑戰，唯有發展特色/休閒農業或提高效率的精準農業才能免於競爭威脅。台灣大大小小 24 座水庫，目前提供 2300 萬百姓民眾飲用水，唯有完善水質監測計畫，才能確保民眾飲用水之潔淨。這些都是與社會大眾息息相關之民生問題，亦是政府施政重點之一。

儀科中心智慧光譜影像儀 ISIS

。所謂工欲善其事，必先利其器，欲有效解決上述問題，必須有相對應的監測儀器；由於物體(含生物及非生物)都有其特徵光譜可供監測分析，因此可以擷取光譜解析影像的「高光譜儀」即為一非常合適的監測工具。然而目前國內仍無高光譜儀，學界雖能取得少數衛星影像進行研究，但受制於國外衛星之時空限制、取得不易與空間解析度不足等問題，研究難有突破，國家實驗研究院儀器科技研究中心(儀科中心)為解決此困境，研製出國內引頸企盼的機載高光譜儀，可應用於精準農業、水質監測、外來物種等研究，讓台灣農業科技與生態監測發展擁有嶄新利器。福衛二號的遙測酬載及儀科中心 2003 年研製成功的「植被與國土變遷觀測儀 VCDi」均為「多光譜儀」，提供四個光譜波段(紅、藍、綠及近紅外)資訊，利用這些光譜波段的訊號，可辨識地面上的水、植物、建物或砂土等不同特徵。有別於多光譜儀，儀科中心高光譜儀可同時擷取得二百多個頻道之光譜訊息，分辨出「綠中有綠、藍中有藍、紅中有紅」不同程度的顏色，進而將各物種的微小光譜差異分辨出來。例如藉由銀合歡及小花蔓澤蘭與周遭植物的光譜差異，標示出這些外來物種的分佈，依據這些分佈現況，政府可擬定政策與防制對策，以回歸生態平衡。

儀科中心智慧光譜影像儀 ISIS 機載取像

儀科中心機載高光譜儀儀科中心已研發二套機載高光譜儀，取其在農業貢獻，分別以埃及女神「ISIS」(Intelligent Spectral Imaging System 智慧光譜影像儀) 及傳說神祇「伏羲」(FUHSI，Farming-Use HyperSpectral Imager) 命名。「智慧光譜影像儀」ISIS 使用面型 CCD 為感測器，裝置於固定翼螺旋槳飛機，內建電控穩定平台及位置姿態感測器，波長範圍包括藍光至近紅外 (435–950 nm)，光譜解析度為 3–5 nm，光譜頻道數高達 218 個，航高 1 公里時幾何解析度為 1 公尺，刈幅為 1.1 公里，視角為 58 度。除提供足夠光譜解析度外，ISIS 的幾何解析及刈幅亦為國際同類型儀器的佼佼者。伏羲高光譜儀為 ISIS 研發成功後，由國立中興大學申雍教授委託儀科中心研製的高光譜儀，其重量更輕，可搭載於無人遙控飛機上；目前裝置於輕航機，由飛行員駕駛，地面操作人員使用無線傳輸控制取像，主要進行農林研究。

儀科中心伏羲高光譜儀 FUHSI

伏羲的光譜範圍及光譜解析度與 ISIS 相同，幾何解析能力雖為 ISIS 的 1/3，但由於輕航機航高較低 (150–500 公尺)，故可取得相同的地面解析度，且此儀器成本較低，取像更為機動，對於學術研究為一方便有效的工具。 高光譜儀的應用高光譜影像儀結合成像及光譜分光二種技術，擁有成像及光譜解析功能，分析這些影像就可知道當季稻作量、水庫水質、外來物種入侵等現況。精準農業講求適時、適量、適地的施作，目的在於節省生產成本並減少過多施肥與農藥對環境的危害，尤其是台灣加入 WTO 後，各國農產品均可自由進入我國市場，利用精準農業提高農產品品質與降低生產成本已成為發展趨勢。研究顯示，在同一農地中肥料及各種物理與化學特性變異性極大，然而農夫利用經驗施肥，無法精確了解農田局部施肥需求，因此常過度施肥，造成土地污染；若利用傳統現地採樣精密分析方式，為時至少二週，大面積調查分析則需時更久，無法滿足精準農業適時適地的要求。利用儀科中心開發之 ISIS 航拍影像，中興大學及農委會農業試驗所的學者專家已可即時推算出稻田中各個區域的氮含量，做為局部有效施肥的依據，減少土地汙染，並進而預估當季稻作產量。

儀科中心伏羲高光譜儀 FUHSI 使用輕航機取像

水庫水質一直為國人相當重視的議題，環保署及水利署每年均針對各水庫進行現地水質採樣監測。當水體中因各種因素造成營養鹽過多時，水藻容易增生致使水中溶氧量降低而不適魚類生存，水中溶氧降低也使得水體產生厭氧反應而產生惡臭，此現象被稱為優養化。研究證實 ISIS 可以獲得葉綠素 a (一種優養化的指標) 及濁度的分佈，在某些人為污染較高之特定地點即發現較高之觀測數值。現行水庫水質分析採人工作業，無法廣佈採樣點，這些有限點的資訊難以窺得水庫水質全貌，利用 ISIS 高光譜儀則可獲得大面積水質分佈資訊，可針對汙染源進行後續偵測及控管，由於使用方便，更可增加觀測頻率，有效監控水質。 未來展望高光譜儀除應用於精準農業、水質監測及外來物種搜尋外，對於河域環保及生態濕地保育等方面亦有其功效，並可利用光譜資訊量得水果甜度。此外這種光譜影像也可應用於材料檢驗、布料顏色快速品管、醫藥品管檢定，最近也應用於臨床腫瘤檢驗。高光譜儀結合影像和光譜做為影像密碼的解讀工具，潛力無窮，日本政府正籌劃發射一枚搭載高光譜儀的衛星，應用於國防、礦產探測等，足見高光譜儀重要性。儀科中心為使其應用更加廣泛，也積極推廣，於 2008 年起研提高光譜儀影像服務平台計畫，規劃提供全面光譜影像機制，包含影像提供、儀器委製及光譜分析處理，希望與國內產官學研各界聯袂合作，共創雙贏。