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2024-12-09從外太空看向內太空？ 應用衛星影像做鯨魚研究！
660 期
Author 作者
胡潔曦 | 自然名叫「飛魚」，曾擔任黑潮專職研究員、調查員及海上解說員。
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• 歐洲太空鯨計畫使用高解析度的衛星影像尋找鯨魚的蹤跡，並透過飛機拍攝的鯨豚影像訓練AI，辨識衛星影像中的鯨豚。
• 鯨豚的生態研究相當困難，利用衛星影像將能探索更多偏遠海域，有助於建立鯨豚的物種分布、族群數量等基礎資料，進行後續的保育研究。
• 目前從商用衛星取得高品質衛星影像的成本仍高昂，且AI 辨識衛星影像的能力也有待提升，期待未來能更廣泛使用在鯨豚的研究和保護。
▲ 東部海域拍攝抹香鯨母子對空拍影像。
（黑潮海洋文教基金會）
相信讀者們都曾有過使用Google 地圖的經驗，當我們將畫面切換至衛星影像，就能透過上帝視角看見陸地上綠油油的樹林、五彩繽紛的屋頂和湛藍的汪洋，再放大一些甚至可以數數街道上有幾臺車子經過。近年來，愈來愈多的光學衛星被送上太空。回顧1972 年美國太空總署發射的陸地衛星1 號（Landsat 1）影像衛星，拍攝到的影像解析度僅約80 公尺。然而，隨著科技的飛速發展，商用衛星的解析度已經提升至30 公分，這使我們有機會以更清晰的衛星影像觀察地表上發生的大小事。近期美國太空影像公司Albedo，甚至發展出了解析度高達10 公分的影像衛星，預計明（2025）年開始陸續發射至太空，未來將有助於協助監測森林火災、野生動物、碳和甲烷測繪等工作。
衛星影像的進步也引起生態學家的好奇心――能否透過商用衛星影像尋找大型鯨〔註〕？而目前世界上約有八成的海域尚未被人類深入探索，有些位在極度寒冷的極區，有些則位在距離各國都很偏遠的角落。自由穿梭於各大洋的鯨豚，有許多種類長期缺乏基礎資料，如果大型鯨能透過衛星影像被觀測，是否就有解呢？
〔註〕此處的大型鯨在本文中是指個體長度超過12公尺的鯨豚。
▲ 1972 年由美國太空總署發射的Landsat 1（NASA）
▲ Landsat 1拍攝到的第一張影像。（NASA）
太空鯨計畫
在2018 年，歐洲一群學者啟動了「太空鯨計畫」（Spacewhale），開始嘗試從近代的商用衛星影像找尋大型鯨。由於鯨豚是用肺呼吸的哺乳類動物，需要每隔一段時間到水面上換氣。因此理論上，只要找的對象「夠大隻」且出沒在靠近水面的地方，就有機會從衛星影像中看見牠們。
▲ 大翅鯨，攝於花蓮賞鯨航程。（江文龍拍攝）
從衛星上觀察鯨豚
太空鯨計畫使用馬薩爾科技（Maxar Technologies Inc.）和空中巴士（Airbus SE）兩家有經營商用光學衛星公司的影像，解析度為31 公分，清晰程度足以用來辨識大型鯨魚，甚至可以量測鯨魚的身長。至於到底可以多清楚的看見大型鯨呢？以團隊展示的影像來看，除了可以看到整隻鯨魚外，牠們高舉水面的尾鰭、雌鯨身邊的幼鯨都有機會看見，也可以觀察到鯨魚較大動作的行為。但因為解析度仍有限，實際上無法每一次都準確的辨識物種，例如動物的特徵不夠鮮明，或是當日的衛星影像品質不夠好等，就可能會有部分影像中的物種無法被確定。目前太空鯨計畫能夠辨識的鯨豚種類包含長須鯨（Balaenoptera physalus）、大翅鯨（Megaptera novaeangliae），以及世界上最大的生物―― 藍鯨（Balaenoptera musculus）等。若未來累積更多的資料能用來訓練人工智慧（artificial intelligence, AI），也將有機會能準確辨識更多的種類。
加入AI 幫忙找鯨
隨著衛星影像的畫質愈來愈高，進一步使「從外太空數鯨魚」的構想化為可能。然而海洋太大、人力也有限，在茫茫大海中要找到大型鯨魚實屬一件非常耗時的事。太空鯨計畫的成員也曾分享，在一片100 平方公里的海面要以人工數完所有鯨魚，大約需要花三小時以上。於是，他們採用AI 來自動辨識海面上的大型鯨魚，希望可以大幅度降低人工辨識耗費的時間成本。
團隊從北歐跟英國海域的過往飛機調查影片中，擷取了許多不同種類大型鯨魚的影像，包含在不同的浪況、鯨魚行為和狀態下，以及可能會被誤判的影像均被納入訓練。因為飛機拍攝的高度僅距離海面500 多公尺，解析度相較於衛星影像反而太高，為確保訓練能對AI 帶來正向的幫助，影像在訓練前也經過降級的處理，盡可能與衛星影像畫素同等級再放進AI訓練。同時，AI的訓練也需要搭配人工校對，透過人工的確認來提高系統辨識的精準度。
在太空鯨計畫目前的辨識模型中，效能最好的模型只要有大型鯨出現在海面上，加上夠好的影像品質，都可以順利的辨識。為了驗證模型的準確程度，太空鯨計畫團隊也把同一片海域經由傳統調查，與透過衛星影像辨識的資料進行交叉比對，發現這兩種方法算出的大型鯨數量幾乎一致，也進一步證實了衛星影像應用在鯨豚研究的可行性。
保護海洋行動－鯨豚生態研究
生態研究往往耗時、金錢花費較高，因此早期就有許多學者嘗試透過衛星影像做生態研究，例如北極熊（Ursus maritimus）、灰海豹（Halichoerus grypus）、信天翁（Diomedeidae）、非洲的大型動物等研究。
其中，鯨豚的生態研究特別具有挑戰性。由於鯨豚的活動範圍極大，加上有些鯨豚一次的潛水時間就長達幾十分鐘以上，因此至今科學家對牠們的全球族群量和分布範圍仍所知不多。不過，若能透過衛星影像抵達偏遠或少有研究的海域，或許就能把這些長年的謎題給一一解開。
目前世界上多數的鯨豚研究主要調查近岸海域，並非科學家不想了解遠方的鯨豚狀況，而是大海實在太大了！想要研究鯨豚的族群量、活動範圍、族群的組成等問題，必須投入大量的資源和多年的時間進行研究。雖然有些學者會將資料蒐集器（data TAG）裝在鯨豚身上，以研究牠們曾到過哪些海域、做了哪些事，但儀器價格昂貴，目前取得的資料量仍然相當有限。
2022 年，聯合國召開了第15 屆聯合國生物多樣性大會（COP15）， 並在會議中達成了「30 ×30」的共識，目標是在2030 年前保護全球30％的自然資源。鯨豚生活在許多極度偏遠、難以到達的海域長期缺乏基礎資料，若能透過衛星影像辨識出這些海域有多少鯨豚、活動範圍有多大，對於後續規劃海洋保護區，以及達成30％的目標都能提供非常珍貴的資訊。
同時，國際自然保育聯盟（International. Union for Conservation of Nature, IUCN）於2016 年開始推動海洋哺乳動物重要棲息地（Important Marine Mammal Areas）的概念，不分國界以全球海域為尺度，彙整瀕危海洋哺乳動物的棲地分布、移動路線、生存威脅等資料，有助跨國海域間的串聯整合。但有些潛址缺乏基礎資料，需要更多的調查數據，若未來能應用太空鯨計畫盤點出更多大型鯨的潛在棲地，將會有助於推進這項計畫，讓跨國界的鯨豚保育能在更短的時間內實現。
突破衛星影像的限制
鯨豚現今面臨到的人為威脅非常多元，包含漁業混獲、水下噪音、棲地破壞等狀況，已逐漸成為了牠們的日常，也因此我們更需要加緊腳步，盡快拼湊出牠們在海洋中生活的樣貌。衛星影像目前雖還在成長的階段，AI 的訓練也尚需要更多影像，以提高辨識精準度與種類。不過這項研究方法將有效累積偏遠地區的生態資料，也可以省下出海調查要花費的大量人力與物力。然而，目前若要從商用衛星取得高品質的衛星影像所費不貲；未來若要探索更大範圍的海域，也需要有合作的商用衛星，才能在相對有限的成本下取得更多的生態資料。另外值得一提的是，現今衛星涵蓋影像以陸地為主，並不是各大洋都有機會可以取得影像，加上衛星影像可能會被雲層、白色的浪花所干擾，在實際運作的過程中還是有些需要突破的困境。
不過對於鯨豚圈來說，能從衛星影像辨識鯨豚確實是件非常有趣且振奮人心的消息，而且這或許是未來突破過往研究瓶頸的好方法，也期待隨著未來光學衛星、AI 的進步下，我們能夠對生活在茫茫大海中的鯨豚有更深入的認識！
▲ 海洋研究不易，往往耗時、也花費很多金錢。（黑潮海洋文教基金會提供）