測繪科技發展計畫

壹、計畫緣起
測繪是建設的先鋒，提供了各項國土三維空間的資料及訊息，對於政府各項施政建設有重大的幫助，世界各先進國家如美、德、英、加拿大、日本、新加坡及澳大利亞皆非常重視國土測繪作業。測繪科技日新月異，本計畫之目的在藉由引進新的測繪科技提升國土測繪的精度與效率。衛星定位技術、空載光達技術、精密重力測量至衛星影像製圖等新的測繪技術發展，對於未來測繪領域將造成重大的技術突破與改革，在此一時刻，政府部門更應投入於相關領域的研究與發展，以達成「強化知識創新體系」、「創新產業競爭優勢」、「增進全民生活品質」、「促進國家永續發展」、「強化自主國防科技」及「提升全民科技水準」的國家科學技術發展總目標。

在測繪技術領域上，美國國防部從1980年發展的全球定位系統（GPS）已對測繪作業產生重大突破與改變，將高科技的定位技術更貼近一般人的日常生活。但是GPS獨尊的現象已受到挑戰，除了俄羅斯重啟GLONASS現代化計畫外，歐盟的GALILEO定位系統計畫影響將更為鉅大，對測繪領域勢必有新衝擊。對於台灣地區，除台灣本島外尚有其他眾多離島，對於跨越長距離海域之島嶼間高程連測是一重要且困難度高的課題，現在由於精密海上重力量測的技術發展及引入，採用大地測量法應是可行的方式。另沿海地形測繪方面，新的空載光達系統，配合瞬間低潮位線及近岸小型載具的技術，可發展低成本高精度且作業快速的完成潮間帶測繪方法，對於我國逐漸面向海洋立國理念，維繫海洋資源的永續利用，確保國家海洋權益與社會發展，將有重大助益。

貳、計畫內容
本計畫擬分以下三項子計畫辦理包含全球導航衛星系統資料聯合處理技術發展子計畫、台灣本島與離島地區高程系統連測技術發展子計畫及潮間帶基本地形測量技術發展子計畫等。預計執行本計畫發展新技術包含（1）結合GPS、GLONASS及GALILEO三種定位系統，發展全球定位系統技術，此技術除可滿足未來發展全方位高精度行動定址服務的需求外，透過結合三種不同定位系統的高精度觀測，對於地球板塊運動、電離層變化、地球重力場、…等等科學性問題，均有可能提供更好的解決方案。（2）透過大地測量技術，在各島間的潮位站附近陸地及海面實施高密度及高精度的重力測量，以測定島與島間海面地形差異，達到高程連測之目的，並藉由蒐集海洋水溫、潮汐、鹽度等資料，以海洋動力法進行資料驗證以及藉由辦理台灣地區諸島之高程連測工作，參與國際高程的連測作業，提升國際學術研究參與度。（3）發展空載光達技術，研究快速精確達成潮間帶大比例尺高精度地形測繪作業能力，提供台灣國土地形基本資料，以作為發展海洋政策的永續經營的基礎。

1. 球導航衛星系統資料聯合處理技術發展計畫：
   內政部自82年度開始已運用GPS衛星科技建置國家基本測量基準及各級控制點，供後續各項測量使用，測量成果精度較傳統三角三邊網測量方法已有大幅提升，顯示應用衛星測量技術於測繪業務已得到良好成效。
   
   GPS原本設計目的為從事國防軍事使用，在兩次波灣戰爭均已顯露出優異性，美國國防部為因應民間使用及保有軍事領先優異，擬訂「GPS現代化」計畫，已於2000年5月先行取消SA效應，提升一般人士使用GPS從事單點定位精度，另從2004年起在 Block IIM型GPS衛星之L2上調制軍用電碼（M-code）及一般俗稱L2C（L2 civil）的民用電碼，從2006年第四季開始，將在 Block IIF型GPS衛星上增加第三種載頻（L5），經由現代化計畫執行可增加GPS觀測量種類，強化資料處理。但雖然GPS已增加開放部分訊號資料給一般人士使用，但本質上仍是一個以國防軍事為優先考量的定位系統。下一個的現代化計畫則是設計及發射新一代的衛星(GPS III)以提供從2010年至2030年符合高精度軍用及民用系統之需求。
   
   GLONASS為俄羅斯於前蘇聯時代所發展的衛星導航系統，其系統架構及定位方法與GPS系統類似，亦是一全球性、全天候24小時使用之定位系統。惟因維持一個衛星導航系統所需經費甚為龐大，俄羅斯近年經濟大不如前且數次歐盟談及太空計畫合作均無共識，另外GLONASS所使用衛星編碼調制技術與GPS不同，無法打開民用市場，而使GLONASS較GPS處於劣勢。原本日漸式微的GLONASS系統，近年重獲俄羅斯政府重視已仿照美國GPS擬定現代化計畫，希望至少在2007年前發射18顆衛星，迄2004年12月26日止，GLONASS在天空中衛星顆數已增至14顆。
   
   歐盟基於建立自主性導航衛星系統，且有別於美國及俄羅斯以軍事用途為目的之衛星系統，進而加強歐盟各國之間的聯繫與合作，擴展各國就業市場與經濟發展之規模，發展出以民用導航為主且涵蓋全球範圍的衛星系統，稱之為伽利略(GALILEO)衛星系統，為了達成與GPS訊號的相容性，歐盟太空局（ESA） 於2002年修正GALILEO的訊號與頻率(Hein et al., 2002)並於2004年完成最終的衛星軌道設計並由歐盟交通運輸委員會於同年12月正式公佈。第一顆GALILEO衛星(GIOVE-A)已於2005年12月28日成功發射升空；至此，未來多系統的GNSS發展正式展開。GALILEO定位系統的出現，將對測繪定位及人身安全定位服務產生新的衝擊，並藉由GALILEO定位系統的出現，可作為倘GPS系統出現人為干擾或其他問題時的備援方案。
   
   完整GNSS全球衛星導航系統至少須包含GPS、GLONASS及GALILEO三個衛星定位系統資料，三種系統使用相關技術及規格彙整如下表：
   
   
   
   表2 GPS、GLONASS與GALILEO衛星系統之比較
   

   項目	GPS系統	GLONASS系統	GALILEO系統
   衛星數	24	24	30
   軌道面個數	６	３	３
   軌道高度	20200公里	19100公里	23616公里
   運行週期	11小時58分	11小時15分	14小時04分
   軌道傾角	55度	65度	56度
   載波頻率	L1:1575.42 MHz	L1:1602.56-1615.50 MHz	E2-L1-E1:1560-1595 MHz
   	L2:1227.60 MHz	L2:1246.44-1256.50 MHz	E5:1164-1214 MHz
   	L5:1176.45 MHz		E6: 1260-1300 MHz
   傳輸方式	碼分多址(CDMA)	頻分多址(FDMA)	碼分多址(CDMA）
   調制碼	C/A碼、P碼和M碼	S碼和P碼	代碼1-10
   時間系統	UTC	UTC	UTC
   坐標系統	WGS-84	SGS-E90	GTRF(ITRF)

   
   本子計畫即是配合GALILEO衛星的發射時機，先行建置全球導航衛星系統（GNSS）衛星追蹤站，評估GNSS衛星定位精度與效益，並對歐盟所宣稱GALILEO資料於公開服務、商業服務、生命安全服務、公共管理服務等定位相關功能方面測試及分析，進而在台灣地區對於前述功能可應用領域提出研究說明。此時刻投入GNSS衛星追蹤站的建置及相關理論技術的投資，為一恰當時間點，台灣可藉由此項先期研究的投入，成功參與國際合作聯測等活動及交流，進而取得技術優勢與領先技術，並可促進台灣與歐盟國家的實質合作，增進測繪技術的交流與創新。
   
   
2. 台灣本島與離島地區高程系統連測技術發展計畫：
   台灣位處太平洋西緣，歐亞大陸板塊與太平洋交界處，又受西太平洋親潮、黑潮等洋流經過及會合影響，整體氣候受海洋影響甚鉅。依據海洋動力學的研究及大地測量實際經驗，大陸沿海長海岸線或離島之間平均海水面並不會在同一等位面上，且各不同地點其平均海水面(MSL，Mean Sea Level)與大地水準面(Geoid，理論上之全球靜止狀態之重力等位面)之差值均不相等，此平均海水面與大地水準面差值稱之為海面地形(SST，Sea Surface Topography)。由於各地海面地形高程差異，對重力異常、海洋洋流及海域工程…等影響甚大，此等資料的研究搜集在台灣本島與離島高程系統連結、衛星科技、海洋開發、海域資源探勘、海洋工程建設、氣候研究...等領域都有甚為殷切之需求。
   
   設有跨越海域之A、B二島，A島上水準點的高程(H'A)為自該島驗潮站觀測之平均海水面起算，其與自大地水準面(Geoid)起算的正高高程(HA)有一差值稱為海面地形(SSTA，Sea Surface Topography)；B島高程(H'B)同樣由在B島驗潮站觀測之平均海水面起算，其與自大地水準面(Geoid)起算的正高高程(HB)有一海面地形(SSTB)差值，詳如圖一。由於SSTA 、SSTB 不相等，A、B島的高程系統是各自獨立的，要使兩島高程系統一致，就必需測得SSTA 、SSTB。以大地測量方法為例(參考圖1)，於A島驗潮站附近之水準點辦理GPS衛星定位測量，可測得該點之橢球高(hA)，再辦理該點附近一定範圍(30km-50km)之重力測量，以物理大地方法解算大地起伏值(NA)，即可得到正高值(HA= hA-NA)及A島驗潮站之海面地形SSTA(SSTA= HA-H'A)。同樣方法亦測得B島之海面地形SSTB，即可將B島高程系統改算到正高(HB= hB-NB)或A島的高程系統(HB- SSTA = H'B+ SSTB - SSTA)。
   
   
   
   內政部自88年度開始辦理「國家基本測量控制點建立及應用計畫」，於90、92年完成台灣本島一等一級、一等二級水準測量，復於93年完成澎湖、金門、馬祖、小琉球、蘭嶼、綠島等離島一等水準測量。台灣本島水準測量成果係以基隆驗潮站平均海水面為高程起算點，構成2001台灣地區高程基準(TWVD2001)。各離島之高程基準則因海域的阻隔，未能採用台灣本島之TWVD2001高程基準，而係以各離島驗潮站觀測推算之平均海水面作為高程起算點，因此目前各島均為各自獨立之區域性高程系統。
   
   若能將上開已辦理完成一等水準測量之離島，使用精密重力測量技術進行連測作業，以得到將全國水準網均歸算到一致的TWVD2001高程基準，配合衛星測量技術之進步、國家基本測量各項作業辦理完成後所提供高精度之大地水準面模型 (Geoid Model)等有利條件，快速精確的將GPS測量所得高程化算轉換為TWVD2001正高高程，大大提升高程測量之便利性。
   
   
3. 潮間帶基本地形測量技術發展計畫：
   國土包括海域、陸域以及海陸交接地帶的潮間帶區域，其中陸、海域地理資訊測製皆可以大範圍且有計畫性地執行，潮間帶區域因為傳統測量技術的限制，海測不容易測到淺水地區，陸測無法在濕軟的退潮地區觀測，致測量作業實施困難，只有少數機關因特殊業務需要而進行小區域測製，歷來此區域間地形資料欠缺，造成國土圖資不完整。
   
   近年來，環保及生態保育議題漸受重視，因填海造地不當開發、藉堆疊泥石消波塊及串建海堤、漫無限制地超限抽取地下水，導致海岸侵蝕、河口淤積、海岸內縮、影響陸域排洪、沿岸地層下陷及海水倒灌等災害，並造成大自然賜給人類美麗的海蝕平臺、沙灘、潟湖…等多樣化地理景觀受到嚴重破壞，棲息其中數量豐富的海岸生物迅速消失或死亡滅絕中，惟藉透過有計畫測量建立潮間帶基本地形資料，來進行環境監測與生態保育。對於海岸經濟開發、縣市行政區域劃分及養殖、採礦、海底電纜鋪設、海洋博物館、海岸資源合理利用、海域觀光資源及提昇遊憩品質等整體海岸經濟開發有實質的助益，並同時減緩地理環境急速衝擊，藉透過有計畫測量建立潮間帶基本地形資料，提供海岸規劃與經濟建設開發之應用。
   
   空載光達（Light Detection And Ranging ，LIDAR）測量技術利用空中雷射掃瞄搭配慣性導航儀及全球定位系統（GPS）定位功能（如圖2），可快速獲得陸、海域三維地形資料，對於地形模型與地表模型的建立、地形變化的分析等，為一非常快速而有效的方法。本計畫引進新科技空載光達（LIDAR）測量技術，以其具備高度機動性，在低潮位出現的瞬間，能快速及有效率辦理潮間帶地形測量，優於其他測量方法的特性，並配合高度機動性飛航規劃，施測中潮系統水深8公尺以上潮間帶範圍，將陸、海域統一在同一坐標系統，銜接並延伸陸域數值地形模型（DTM）至海域，填補陸、海交界圖資，避免測量空隙產生，完整國土測量。
   
   
   

參、未來發展

配合各項子計畫的技術發展如衛星測量、離島連測及空載光達等技術的縱向及橫向的技術關聯及未來發展性，預定自97年以後陸續引入及發展新的測繪技術如（1）發展台灣地區平均海水面監測技術、（2）台灣附近海域海底大地測量技術的發展及（3）多功能e-GPS應用系統建置計畫。

平均海水面監測作業乃利用潮位站長期潮位觀測資料，結合GPS衛星長期觀測、重力測量及水準測量等，進行長期平均海水面監測，並提供高程基準率定之依據、海岸變遷之參考及國家各項建設之用。將整合內政部、內政部國土測繪中心、交通部中央氣象局、中央研究院、經濟部水利署既有資源，進行規劃及實行，並與國際觀測接軌。

臺灣地區近年GPS之普及化與政府之重視並投入經費研究，研究成果包含在921 地震事件中，觀測地震前、同震與震後之地殼變形，及臺灣地區沿海之地層下陷。然而，這些大地監測網大多布設在屬於大板塊的臺灣島上，是屬於板塊邊界之觀測。可是這種板塊邊界是"單側"的，僅限於大陸板塊上；而海洋板塊處則因板塊多位於海下，除少數島弧系統外，全球的板塊邊界處大多位處深海處之觀測，要更精確了解地殼運動之現象與影響，有必要投入探討較少被研究的海洋板塊運動與地殼變形。在臺灣東部及外海附近恰好有大陸板塊和海洋板塊交會，地質條件對板塊邊界研究而言是全球首屈一指的環境，可以應用海底大地測量觀測 (Seafloor Geodesy)技術，發展遠距高精度GPS及音波海下定位等多感測器觀測方法，藉由海底大地測量觀測資料之分析，彌補海洋板塊處觀測資料之不足，對板塊邊界之碰撞、隱沒、聚合等情形有較深且廣的瞭解，以致因用"單側"的觀測資料所解釋分析的板塊模型或物理現象而有所偏差或錯誤，達到對板塊運動造成地震先期預警的效果，並對地震可能造成災害有防災減災的目的，更進一步可了解板塊運動對國家基本控制網框架的影響。

本中心自93年度起建置全國性e-GPS即時動態定位系統，其最主要功能係透過網際網路及無線數據通訊傳輸技術，快速提供使用者高精度公分級之TWD97坐標。上開定位因受限於系統軟體定位解算模式限制，目前僅可提供具有即時動態定位（Real-Time Kinametic，RTK）功能衛星接收儀之使用者，不僅儀器設備較為昂貴，攜行亦較為不便，為使該系統能廣泛應用於社會民生、人身安全防護、載具導航監控及科學研究等多目標使用，本中心規劃就現有定位系統架構，配合高精度數值地形、電子海圖及3D數位都市資料等空間資訊，擴充建置D-GPS無線廣播導航系統、Web版GIS查詢監控系統、單頻RTK計算系統、研發高精度TWD97動態基準計算處理系統及GPS氣象誤差計算分析等功能模組，並達到輔助相關單位進行地殼變動監測與地震氣象資料測報。另在研發過程中，期能透過與產界及學界合作機制，研發設計經濟、攜帶方便及於室內亦可使用之VBS-Based定位器(結合GPRS或無線網路)，提供各界運用及加強防救災之處理時效，以發揮其最大效益，朝e化政府邁進。



測繪科技發展計畫ROADMAP

肆、預期效益

1. 完成GNSS衛星定位成果計算及精度與效益分析，評估應用在環境監測、航空導航、車隊管理、電子地圖製作、測繪作業等等領域潛在使用價值。

2. 建置可同時接收GALILEO及GPS資料衛星追蹤站，並完成GPS坐標系統與GALILEO坐標系統間的差異比較，並藉以提供國際測量基準的管理與維護。

3. 提供都市地區衛星定位技術的應用，藉由GNSS系統觀測衛星顆數的增加，可大幅增加衛星定位精度。

4. 完成離島與本島高程連測，建立全國一致的高程基準與精密高程控制點網，提供後續航測製圖、利用衛星影像正射糾正製圖及海域基本圖測製等所需之ㄧ致的高程系統控制網。

5. 大地水準面的精化及一致的高程系統，提供利用GPS衛星定位測量橢球高，經大地起伏值修正後，改算為正高高程。

6. 由於各地點平均海水面並不在同一等位面上，本計畫可求得本島與各離島連測點驗潮站間之海面地形(SST)差異，提供海洋資源開發、海上工程建設及氣象研究等所需的海水面坡度等重要資訊。
7. 充實台灣地區海面地形(SST)資料、重力異常資料庫、大地水準面資料，提供大氣研究、衛星科技軌道分析等重要參考資料。

8. 修正及精化台灣地區大地水準面模型，並擴及各離島地區範圍，提供與全球大地水準面模型接軌之學術研究基礎。

9. 獲得LIDAR技術提升潮間帶地形測繪效益的實際作業經驗與成果評估，並研擬作業標準與規範，有助潮間帶全面測繪效率與品質之提升。

10.潮間帶測量成果對於海岸經濟開發、縣市行政區域劃分及養殖、採礦、海底電纜鋪設、海洋博物館、海岸資源合理利用與保育、海域觀光資源及提昇遊憩品質等整體海岸經濟開發有實質的助益。

11. 銜接並延伸陸域數值地形模型（DTM），提供政府政策研擬、決策分析、施政評估及其他公民營企業各種不同用途之參考。

12. 提供海洋科學研究發展資訊，提昇海洋工程研究水準。能有效提升國內測量科技發展並能與國際先進測量科技接軌，大幅提升作業效率及縮短作業時間。