測量工程研究領域之簡介
一、現況分析
新科技的加入使得測量領域快速發展，其內容從“測量”進化為“空間資訊(Geospatial Information)”，涵蓋的範圍亦從原本之土木與測量專業延伸至地球科學、森林、海洋、防災、都市及區域規劃等等。目前國內提供空間資訊相關課程之大學院校，超過35所，涵蓋系所甚為廣泛，設有大學部及研究所專業者包括成功大學、政治大學、逢甲大學，及清雲大學，另設有研究所專業分組者包括台灣大學、中央大學、交通大學、中興大學，其他尚有甚多院校從事測量與空間資訊研究並提供碩博士學位。從1990年至2005年是國內空間資訊領域成長最快的階段。目前(2012年)已趨穩定，國內之研究成果也從量變到質變。在供應方面，測量領域因有新的元素加入，使得研究的內容有了前所未見的改變。這些新的元素包括光電、導航、行動通訊、網路、強大的資訊服務平台(如Google)，以及速增的創新概念。在需求方面，訊息整合以利多變時代之快速因應均與“空間”有關，因此空間資訊技術已從科技走向生活，也造就了空間資訊跨領域的廣及性。故來自不同領域的研究者日益增加，研究生來源日趨多元。
1.國內測繪領域研究發展之優勢與機會概略如下：
(1)需求：災害防治是國家的重要工作，其中以測量為核心之資料/資訊提供是災害監測之必要工作。此外，環境監測與國土調查亦須測量科技。因此，測繪是國家現代化及永續發展之必要科技。國土經營與都市規劃與管理亦需空間資訊以提供決策支援。在民間應用方面，需求隨網路、行動通訊、資訊平台及定位技術之發展日益提升。
(2)供應：國內有自主的人造衛星持續提供衛星影像以利研發。空載影像及光達資料來源甚為充沛並易於取得。在人力方面，從事相關研究及應用的學者亦分佈於各學校：從研究型大學到技職院校均有。這些人力對測繪科技之研發提供了數量上的支撐。
2.國內空間資訊相關之教研人員雖眾，但研究成果與國際相較，尚有不足。研究環境不良之主要因素包括：
- 研究經費不足，研究人員不易從國科會獲得足夠之支援以進行長時間，大格局之跨國合作研究計畫。
- 從事理論基礎研究者日益減少。
- 博士生人數日漸減少，博士學位之誘因不足。
- 學者為應付評鑑(或升等)，對SCI論文發表以量為優先而非質。
- 一般大學與技職體系的教師在國科會專題研究計畫競爭時在相同的框架及標準下評審。
- 此領域容易獲得其他政府部會所提供學術價值較淺，但經費明顯較高的服務型計畫，導致分散學者對研究之專注。
- 國家安全管制對空間資訊應用之普及化有相當的阻礙。
國內學術環境若能將一般大學之研究引導至深耕理論，強化基礎；技職院校以應用技術開發為目標，而不是將技職院校定位為全體研究社群之後段班，方有可能發揮全體最大的潛力。學者之研究亦需有較長時程之規劃，不僅著眼於短期計畫之通過，或產生SCI論文之數量，畢竟，研究應是質重於量。國科會專題研究計畫近年已朝此方向發展，未來宜誘導研究人員更長的規劃期程。現分別就(1)大地測量與導航科技，(2)攝影測量與遙感探測，(3)地理資訊與製圖技術，及(4)行動測繪與應用測量之現況略述如下。
(1)大地測量與導航科技
大地測量是度量地球大小，形狀，自轉，及重力場的科學。因觀測技術之進步，量測精度的提高，加上衛星觀測能力之精進，空間與時間解析度快速提升，大地測量成為提供動態地球觀測不可或缺的工具。地球質量分布微變化之動態研究對地殼變動，全球變遷的影響均是人類生活環境的重要資訊。以板塊運動造成國家坐標系統改變為例，即是甚為理論的大地測量進入實用之重要契機。
自1980年代美國全球定位系統(GPS)的興起，測量技術已可將定位參考點移至外太空中。精密的定位能力加上其特殊的空間位置，將專業的測量定位成為人類生活中之一部分。當此定位科技與大地測量結合，其發展已大幅躍進；從大尺度地球科學之地殼變形觀測，到較小尺度的工程上，大型構造物的變位監測，使傳統微觀的測量技術提升為宏觀且無所不在的生活科技。全球定位系統已演進成全球導航衛星系統(GNSS)，除現有GPS外，歐洲的Galileo，俄羅斯的GLONASS及中國大陸的北斗星系，將提供更多元，精密的地位功能。
定位技術另一重要進展是慣性導航系統之精進與普及。它不但可提供導航之資訊，同時其所屬之慣性量測系統提供定位技術中重要的參數：姿態。其精密度之提升配合高精度的GPS使得動態的測量平台成為定位科技極為重要之發展。因此，不但在人造衛星之遙測影像定位，空載之影像與雷射掃描儀，到地面上之行動測繪技術，此種組合慣性系統與GPS所構成之直接地理定位技術均使測量技術飛躍。
(2)攝影測量與遙感探測
攝影測量的資料來源依其載體略可分為衛星，空載，及近景等三類。衛星攝影測量就光學影像而言，以共線條件式出發建立光束法以進行方位求解。由於衛星所載之GPS定位儀及姿態觀測工具(含慣性量測系統及恆星追蹤儀)之精度提升，以直接地理定位法進行物空間定位已是實用的技術。超高(優於1m)解析度之光學衛星提供有理函數模型可達成極佳的近似化，以連結影像與物空間坐標。因該模型之標準化及處理簡單，已成為廣為使用的模式。雷達影像之方位模式以都卜勒方程式及測距方程式取代光學影像所使用之共線條件式。近年來亦有使用有理函數模型者。
以航空攝影取得影像後進行量測以獲取地形與地物之空間資料是測量製圖的重要方式。因影像數位化之趨勢，數位式的航空攝影機所提供之影像已逐漸成為航測技術的主要資料來源。在研究方面，解析式的空中三角測量逐漸統一以光束法為基礎的幾何模式且趨成熟。在近景攝影測量方面其幾何處理的基礎亦以光束法為核心。
在資料來源方面，無人載具成為一項重要發展趨勢，其機動性可快速提供影像資料供攝影測量處理。攝影測量在傳統上極為重視的幾何模式已趨成熟。研究之標的逐漸轉移至影像分析，匹配，及地形與地物之立體建模。近年來航測與遙測領域最顯著的定位能力精進當屬雷射掃描技術。雷射掃描儀結合了衛星定位系統及慣性導航系統所提供的直接地理定位功能提升了航遙測三維定位之效率與效能。此種稱為光達的工具可以置於飛行器上，亦可車載以直接取樣的方式進行離散點之三維坐標量測。近年來測深光達提供了淺水區的水底地形測量，使水下光學遙測成為可行。此外，全波形光達之研究亦提供對目標物識別之能力。光達資料由離散點組成，欲對目標物完成三維重建仍需分析與處理。依目標物的類別，例如地形、建物(房屋、道路...)、林木等都需不同的處理方式，後二者經常搭配影像進行整合處理。如何以自動化方式重建三維目標物是光達處理之研究核心。
使用遙測影像除可對地表進行三維量測外，亦可對目標物進行質的分析：地表物判識。近年來數十或數百個頻道之高光譜影像較傳統數個或十餘個頻道之多光譜影像，提供更強大之土地覆蓋物偵測潛力。如何在鉅量資料間尋找有用的訊息且降低分析時資料相關性所造成之劣態，是高光譜儀影像分析中重要的任務。
(3)地理資訊與製圖技術
地理資訊科技整合資訊軟體、資料、及方法以提供使用者亦於蒐集、儲存、管理空間資訊、產製地圖及分析空間關係等應用。此科技之空間廣及性，使其向多元領域延伸，包括測繪、主題分析、資料庫、製圖，並導向各種應用領域如防災、都市與變遷、土地管理、水資源、環境監測、氣候變遷、農林、公共安全衛生，等等。隨網路普及，行動通訊之需求，地理資訊領域之發展更向互通性，多元且異質感測網的整合。此領域已從政府機關所關心之公部門資訊系統建檔逐漸邁向新的且具多樣化之創意應用。
地理資訊系統內的空間資料不但可供查詢及應用模型化等應用，更可依其內容提供資料探勘之分析以及知識工程之重要訊息來源。地理資訊系統與定位技術結合後所提供的適地性應用，城市數位化，並使各類應用的模擬能在執行決策前提供更充分的支援。此領域應用將是最富創造力的待開發部分，未來與雲端科技結合，其應用發展不可限量。
(4)行動測繪與應用測量
整合定位科技，航測與遙測，及地理資訊系統以進行目標區高效能的測繪與圖資更新之行動測量範疇是測繪領域最為典型的跨領域整合。在資料來源部分它結合了全球定位系統，慣性導航系統、影像、光達，及現存圖資。在資料處理及分析部分，它包括了多元資料之套合、匹配、特徵萃取與分析、目標物識別、三維重建、屬性連結及變遷偵測。此外，它與通訊科技結合，利用雲端即時更新資料成為未來重要之發展。行動測繪技術在國外發展多年卓有成效，在台灣地區則因道路環境條件之差異，需克服更多的困難。
測繪科技的多元化使工程相關的測量可更有效且高精度。傳統的施工可採用新的工具(例如固定式或行動式光達)，工程構造物的變形監測更可利用全球定位系統的高精度特性予以落實。淺水區地形測量可使用空載測深光達，地表物的三維量測亦可藉由近景攝影測量完成。因此，傳統上工程測量的單一選擇方案將逐漸被更多元的工具、方法，甚至概念取代，使工程測量具更多的創新。
二、重點研究主題
茲就測量工程領域發展，較受國際社群所關切的方向，依：1.大地測量與導航科技，2.攝影測量與遙感探測，3.地理資訊與製圖技術，及4.行動測繪與應用測量等四部分建議如下。此建議以研究方向為主，並不考量過細的研究題目。
1.大地測量與導航科技
(1)大地測量
- 大地基準之精進與地殼板塊運動之動態因應，
- 高精度高解析度重力測量，
- 大地起伏模型精進，
- 衛星重力測量技術，
- 地殼板塊運動量之監測，
- 全球變遷所生之大地觀測影響量分析，
- 氣候變遷所生地球質量分佈改變及海平面改變，
- 太空大地測量於全球變遷研究之應用，
- 全球大地技術包括超長基線干涉科技，衛星測高技術，衛星雷射測距，衛星對衛星追蹤科技，及衛星重力梯度科技。
(2)導航科技
- GPS定位技術精進
- Galileo及GLONASS導航衛星之定位
- 整合全球導航衛星系統(GPS，Galileo，GLONASS)之衛星訊號分析，誤差處理，及定位精度與效能提升
- 建立即時動態之定位系統
- 慣性導航系統處理技術之研發
- 慣性導航與衛星定位技術之整合以精進直接地理定位之效能
- 導航衛星於電離層電漿濃度之量測
- 導航衛星各電波頻段之大氣延遲分析
2.攝影測量與遙感探測
(1)攝影測量
- 衛星/航測/近景影像方位模式，包括光束法，直接地理定位，
- 多元感測器資料套合、匹配及整合分析處理，
- 地貌(DEM)人工建物(房屋與道路)三維重建，
- 影像線型特徵萃取及分析，
- 影像真實正射校正，
- 攝影測量與電腦視覺演算法之結合，
- 多尺度三維重建與視覺演算，
- 攝影測量與應用領域及相關資訊科技之結合，
- 攝影測量與雲端技術之結合。
(2)遙測
- 高光譜影像分析與應用，
- 光譜資訊萃取，
- 地表物變遷(二維或三維)偵測，
- 陸域與測深光達資料處理與分析，
- 全波形光達資料分析及應用，
- 雷達干涉技術，
- 多極化雷達影像分析及應用，
- 雷達與光學影像之整合處理與應用。
3.地理資訊與製圖技術
- 地理資訊於防災之應用，
- 地理資訊於決策支援系統之整合，
- 資料探勘與知識工程，
- 多尺度三維地理資訊系統之應用，
- 地理資料建置，製圖及主題訊息萃取，
- 地理資訊與資料庫模式最佳化，
- 開放式互通地理資訊系統及共享，
- 異質感測網之地理資訊系統整合，
- 雲端科技及行動地理資訊，
- 地理資訊系統與相關空間資訊之整合。
4.行動測繪與應用測量
- 直接地理定位，多元感測器之整合，
- 結合攝影測量及遙測技術提升行動測繪之自動化，
- 光達於工程測量之應用，
- 多元感測網與衛星定位於工程測量之應用，
- 多元感測網與衛星定位技術於人工建物變位監測，
- 高精度工程測量。
三、結語
國內學界發展過度重視SCI論文的量是普遍的現象，測繪領域亦不例外。為了創造數量，國內此領域之研究者對研究之思考逐漸以“生產論文”為唯一考量。因此，雖非全數如此但國內測繪領域之學者在領域內之主流期刊論文發表不足的現象卻日益明顯。對SCI論文之質量並重或可思考下列兩個方向，(1)SCI論文是必要的但做為評定一個研究者是否傑出則不充分，(2)鼓勵國內學者將國際上測繪領域之主流期刊(或具傳統的古典期刊)設定為目標。國科會近年來鼓勵多年期計畫是甚佳的做法。將此鼓勵成為常態可使研究者有更長期的研究佈局，研究深度可期。
國科會測繪領域所呈現的另一個問題是技職院校教師申請之通過率太低，以致申請者人數日減。這可能與兩個因素有關：(1) 技職院校的教師自我定位不明：在研究資源不足的條件下試圖與研究型大學教師競爭，(2) 國科會專題研究計畫審核標準單一，致使無法與研究型大學競爭。建議鼓勵技職院校的研究與實務結合，導向專利及實用的發展，以領域垂直分工，使下游的科技大學的研究更具附加價值。
國立中央大學土木系 陳良健教授 撰稿