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雷達技術在野生動物研究上的應用
鄭育昇
一、
前言
傳統的野生動物的研究，給人的印象總是辛苦、漫長而困難的。研究者非將自己置身於叢林深谷，是不可能獲取到自己想要的資訊。也因為如此的印象，許多難以親臨現場的研究，總是較少為人所瞭解。但隨著科技的進步，許多過去難以觸及的領域，漸漸的也可透過新的技術加以探索。雷達技術的運用，正是科技運用的代表之一。
二、
雷達的起源
早在十九世紀末期，英國數學家James
Clerk Maxwell在他所提出的《電磁學論文》(A
Treatise on Electricity and Magnetism,1873)中，即藉由數學預測出一種與光線具有許多相同特性的物質存在，稱為Radiation，也就是無線電波。之後，德國物理學家Heinrich
Hertz，更透過實驗的方式，成功的驗證無線電波是怎樣產生、接收和散射，並且具有James
Clerk Maxwell所預測的特性。1922年，義大利物理學家Guglielmo
Marconi進行了一項試驗，在完全沒有目視的幫助下，利用無線電為船隻導航，成功將船隻駛進港口。
隨著二次世界大戰的逼近，英國為防止德國空軍的侵略，實際將此一技術運用於防衛與偵測上，並將此系統稱之為Radio
Direction Finding，
簡稱RDF。而美國則繼續因應戰爭需求而進一步發展此一技術，並更名為Radio
Detection And Ranging，簡稱Radar。
三、
雷達應用於野生動物研究的開始
二次世界大戰期間，英國軍方在雷達偵測上，發現了許多類似小型艦艇的不明物體，之後經由目擊，確定了雷達所顯示的，正是飛行中的鳥類，也就意外的發現了雷達運用於野生動物研究上的巨大潛力，也開啟了雷達用於野生動物研究的序曲。
四、
雷達的原理
電波是由頻率及振幅所構成的。雷達的基本原理，即在於利用電波遭遇物體時會產生各方向的反射，而其頻率及振幅也都會隨著所碰到物體的狀態改變的特性，擷取其中的部份反射電波，以確認物體的存在。正如同在漆黑的夜晚開啟探照燈，透過探照燈所使我們看到的物體，正是光線碰上物體，反射至我們眼睛所產生的影像。因此，利用控制電波的頻率與振幅、計算所接收反射衰減與改變的情形以及Doppler
效應的運用，即可根據使用的目的，設計適合的雷達系統。
五、
各種雷達在野生動物研究上的應用
（一）
航海雷達（Marine
Radar）
航海雷達（Marine
Radar）一般是指裝設於船舶上，用以保障航行安全的雷達。它可用來追蹤其他船艦、偵測海上障礙物、海面氣象以及搜尋海面上的鳥群。航海雷達可以精確的記錄一群鳥的飛行位置、隊形、高度和數量，再加上價格不高、取得較為容易，因此成為一個常用以追蹤鳥類的雷達系統。
然而航海雷達的資料雖然容易取得，但它的設計原本是以在動態的海面上運作為主，當在地面時，容易產生大量的地面雜訊，並干擾資料的特徵。因此利用雷達進行野生動物研究者常將航海雷達進行修改以適合所需。為了強化目標物的特徵，減少側葉波（Side
lobe）和環境中的地面雜訊是最主要的。為了達到此一目的，野生動物學者常藉由提升天線高度、使用如鋁等反射材料構築雷達圍籬、接地線等方式，以減少雜訊的干擾。此外，為了配合各研究者的需要，航海雷達亦常被修改成不同的掃瞄角度，以獲取所需的資訊，可說是一個具有經濟效益並可信賴的工具。
（二）
都普勒氣象雷達（Doppler
Weather Radar）
都普勒氣象雷達（Doppler
Weather Radar）是用於大範圍的氣象雷達，它同時也是很好的野生動物研究雷達。此型雷達在鳥類學的研究運用上，正好與修改後的航海雷達產生對比。它的空間解析度較低，但有在固定地點高能量、長距離、高敏感的接收能力。它的造價比較高，但由於已被各國政府廣泛的採購而運用於氣象學上，因此資料的獲得並不十分困難。
都普勒雷達相較於其他雷達最重要的是可測量目標移動所產生的數據。當前的都普勒雷達一般都產生三個基本數據類型：回波強度（reflectivity）、徑向速度（radial
velocity）及頻譜寬（spectral
width）。回波強度是目標物反射回雷達能量的多少。在雷達回波圖上，越明亮的色彩代表雷達接收到越強的回波訊號。因此，當用於野生動物研究時，即可藉由回波強度的呈現而獲得野生動物的資訊。徑向速度所呈現的，則是物體接近或遠離雷達的瞬時速度。遠離是採明亮色系來代表，接近則是採暗色系。這些資訊對於野生動物學者來說是相當重要的，透過徑向速度的資訊，可以瞭解物體的運動速率及運動方向，藉以瞭解研究對象的活動模式。
六、
機場搜索雷達（Airport
Surveillance Radar）
機場搜索雷達（Airport
Surveillance Radar）是用以偵測和顯示飛機位置的進場管制雷達，可提供距離和方位的資訊，但並不提供高度資料。一般航空器的體積通常都很大，所以通常機場都會使用天線快速轉動的S或L頻雷達，這種雷達可以監測到很高的飛行物體。許多較為老舊但仍在使用的機場監視雷達常使用較高的能量，因此可以藉以偵測飛行的動物，特別是大型的鳥類。一些較新的機場監視雷達，則多專用於航空設備，而使用較低的能量來傳送微波訊號，因此，敏感度較低而無法用於野生動物研究。此外，因專門用於大型航空器而刻意清除其他較微弱的訊號，加上缺乏高度資訊，使機場搜索雷達在野生動物研究的運用上較為困難。
七、
追蹤雷達（Tracking
Radar）
軍事用的追蹤雷達較一般民用或研究用雷達都更為精密，它可以用來追蹤單一生物個體，或一群鳥類的路徑，因此可以用來瞭解鳥類飛行動態、路徑，甚至於是遠距離攝影。強大的追蹤雷達可以追蹤單一鳥類個體超過80公里，它們的連續的訊號可以顯示目標的大小，但要分析鳥類翅膀拍動的頻率則仍然不足。
軍事用的雷達功能相當強大，但是它們是最先進的科技，一般都只為軍事用途而少量生產。因此，難以預期其實際的功能，但這些設備在未來亦會漸漸的普及於一般的科學用途。
八、
其他類型的雷達
其他類型的雷達例如警用交通雷達和軍用搜索雷達都使用都普勒效應來察覺移動的目標，但無法提供目標的距離。因為它們連續的傳送接收一個固定的頻率，而不是有間隔的訊號。假若翅膀的速率和方向被精確的測量過，使用警用雷達測量鳥類的速度可以改變換算為飛行速度和體能狀態的評估。軍事搜索雷達則和警用雷達原理相似。而小型固定式雷達通常使用來監測交通流量，近幾年多數的交通工具也都配載了小型的雷達（波長短於K頻）在車前保護安全、速度控制和車後的停車功能，也就是我們一般通稱的“倒車雷達”。自動偵察雷達一般價格和體積都是現行其他雷達的一千倍以上，因此，野生動物研究人員也許可以使用較小的雷達，如照相機的感應器，來解決現在龐雜的問題，例如鳥類撞擊高大人造建築等問題。空降的雷達常被使用在監視昆蟲及察覺鳥類，部分較小的類型甚至可以安裝於如鳥類或昆蟲大小的小型飛行器中。
九、
使用雷達技術於野生動物研究可得到的效益
（一）
飛航安全
雷達是一個有效的工具，可以偵測到航線中具有威脅的鳥類和蝙蝠，而且已有幾個國家已在使用中。根據相關研究指出，全球每年因野生動物所導致的損失，估計至少在5億美元以上(summarized
in Dolbeer et al. 2000)。有少數的野生動物與航空器撞擊事件，導致了嚴重的後果。而這些嚴重的損失，多發生在軍事航空器上。因為軍方的航空器速度較高，但也較為脆弱。單就以色列空軍的估計，每年使用雷達監測野生動物，避免危安事件發生所減少的損失，平均就已達3千萬美元(Leshem
1995)。
飛行器和鳥衝擊的力量與質量成正比。鳥類幾乎整天、整年都在天空飛，因此要避開危險，航空器不能只以省油為思考，必須儘量避開鳥類的飛行路徑。而這樣的需求，正可利用雷達來進行全天候的監測，以降低飛航的危險。
所有的航空器，包括軍方或民用，都會經歷起飛和降落時鳥擊的風險。但民用和軍用航空器在鳥擊的風險上，有許多不同的地方。軍方戰鬥機常在低空高速的情況下做飛行訓練（每小時超過900公里），而民用航空器則在低空作業的情況下，通常是低速的，例如拍照、農藥噴灑、科學研究。因此，針對此等特性與需求，可進行不同的設計，以降低風險。
雷達系統可以在軍方進行低空訓練時提出預警，但是軍事訓練的範圍常橫跨數個長程雷達，因此並不可能由單一雷達來進行監測並提出警告。因此，美國空軍結合境內新一代氣象雷達系統，用以監測鳥類在低空的活動，並總稱鳥類危害顧問系統（Avian
Hazard Advisory System，AHAS）。而在歐洲也有相似的聯繫網絡，但規模較小。這些系統通常與地理資訊系統（GIS）結合，以及時呈現危險情形，並進一步追蹤鳥類活動路線。這些雷達掃視系統的掃瞄間隔特別快速（約2-3秒），是特別設計以預防鳥擊，而高度資料則直接的傳到飛機坐艙，減少因時間延遲所產生的風險。然而，預防鳥擊事件發生最好的方式，並非只使用單一的策略。安排航線與飛航時間，更應避開已知具有高風險的時段與區域，同時配合飛航時段與區域內的雷達搜尋資料，應可較有效降低飛航風險。
（二）
人類活動對野生動物的衝擊
雷達所具有的偵測效能與依賴光線的人類視力不同，可以不分晝夜，進行動物的監測，並且大量的超越人類視力的可及範圍。因此，雷達可以提供有用的重要資訊，用以評估、預防及減少野生動物對於預定建造的人造設施，例如電力線路、風力發電機和高大的人造建築所可能產生的影響。然而，在野生動物衝擊的研究上，飛行動物的高度資訊是非常重要的，因此，如航運雷達等缺乏高度資訊的機型，則較不適用於此類型的工作。
（三）
農業上的動物危害防治
大量的鳥群及昆蟲可能會損害農作物，造成農民的損失，甚至造成食物的短缺。吃穀類的燕雀目鳥類是最具有代表性的物種，此外，鸕鶿、燕鷗等以魚類為食的種類，亦可能衝擊商業性經營的漁業工作。而這樣的損失，若可事先獲得野生動物的資訊，則可將損失縮小到一定程度。
雷達正好提供這樣的一個監測工具，減少長短程飛行動物所造成的經濟損失。雷達收集的資訊，可以用來評估有效的經營技術和此一物種長期的經營模式。在美國，部分鳥類影響了稻米和向日葵等作物的產量，而這些鳥類日後被證實可在雷達上發現其飛行路徑。在雷達上，特定的棲息地是這些鳥類覓食活動出發的中心起點，之後便如同心圓向外擴散。當鳥類飛進周圍的農田覓食，同心環就會從雷達螢幕上消失，則可由此知道他們當時的覓食區域。
累積雷達監測鳥類棲息地的資訊，則可建立其覓食活動的移動模式，瞭解其覓食區選擇與分佈，進而設計經營管理的計畫，並可預先評估可行性與結果。實施之後則監測其活動變動的情形，以進行檢討與修正。雖然雷達並不能直接顯示物種的種類，但至少可以減少耗費大量的人力於監測上，特別是需要長距離觀察的時候。
（四）
族群監測
在族群監測上，雷達也可能是一個有效的工具。使用人力進行觀察，可能受限於天氣、視力範圍以及觀察者的技能。相對的雷達可以在任何光線下發現鳥類，即使是較為輕微的陰雨天，經過適當的訊號處理，依然能得到資訊。
Burger在1997年使用航海雷達來調查斑海雀(Brachyramphus
marmoratus)的研究是一個很好的例子，它證明了人類視聽能力的限制以及雷達力量的差別。在該研究中的雷達發現，斑海雀在日出前35-60分鐘就已集體出海，並被人力觀察者所遺漏。而人力觀察則發現了太陽升起之後90分鐘的另一個遷徙波段。從雷達上仔細觀察飛行速度和方向，並與地面觀察者比對，就可以從雷達上區別出海鳥與其他物體的不同。雷達的另一項特性就是可以進行遠距離觀測，減少對被觀測者的干擾。在之後的斑海雀研究更發現，雷達所能發現的數量，至少是人力觀測的四倍(Cooper
and Blaha 2002)。然而，雷達並無法發現低飛於樹冠層或多山地區的斑海雀，因此也無法斷定雷達所發現的數量，是否為全部的數量。
許多雷達系統都可以偵測到遷徙鳥類的出發、行進、中途停留、抵達渡冬地或前往覓食區的情形。因此對於一些數量較為龐大的種類，雷達提供一個新的監測工具，可監控移動及數量，監測起飛、通過位置和每日的覓食地點等，提供更多樣的監測技術選擇。然而，地理上的障礙與較為劇烈的天候狀況，是目前雷達野生動物研究者所需面對的難題。發現遷徙水鳥的中途休息點和渡冬地仍有許多的挑戰。“對照春季的遷徙，秋季的水鳥遷徙並沒有與任何天氣變異有關。”
水鳥通常在晚秋及早春遷徙，跟多數其他的遷鳥不同；因此，在大的雷達系統上比較容易鑑別出水鳥的活動。然而，地面的觀察在黃昏時可能會因為光線或突然的大量而產生不確定。在特定夜晚辨認特定種類的活動可能要依靠運氣，因為觀察者可能要在他開始進行遷徙的那個地面進行觀察。觀察者必須沿著他所認定的鳥類行進路線前進，藉而此而推論此一特定鳥種行進的路線、數量的變化及停留的距離。
如岸鳥和燕雀目的中途休息地已經變成一個重要的保育議題。最近使用繫放加強族群觀測的大尺度研究建議，80%特有的亞熱帶燕雀目鳥類遷徙的死亡，與遷徙有關更勝於繁殖或渡冬。大量的鳥類在遷徙終止以前依賴稀少而破碎的棲息地來補充食物和休息，雷達是一個有力的工具。
隨然雷達對於在地面或是植被群中的鳥類沒有作用，但幸運的，設置監視雷達則可在它們起飛時直接察覺到（通常在日落），而且可以確定實際使用的地點。然而，仔細的地面觀察和雷達回波的量化是必須在評估和分級不同棲地對遷鳥的價值前完成的。雷達觀察遷鳥的移動只限定在雷達範圍內的一部份。雷達影像有立即而可看見的作用，而且可以使大眾信服，而對於土地的經營者來說更比報告有效率的得到數量和密度。
十、
未來的展望
六十年前，科學家興奮的發現雷達這個新的工具來研究動物的運動和族群。在九０年代末期這樣的興奮再次因可親近的雷達技術而出現。在野生動物領域範圍內的作法多仍依賴基礎的方式如地面觀察，未來十年將會看到技術復甦後的成果。我們可以透過雷達的回波大小及變化更瞭解動物大小的關係、飛行模式、速度、數量和密度。這將導致關於野生動物和經營知識應用的新推論。推論雷達目標的生物種類將配合地面觀察資料的品質與數量，如地面觀察、小型地區雷達、聽覺辨識和紅外線感應。
都普勒氣象雷達網是大氣科學革命性的里程，同時也將會如衛星在近二十年來改變地理學的趨勢，突破性的改變生物學，從微小的花粉、昆蟲到最大的鳥。當這些強大工具所得到的數據混合GIS技術，就會出現在土地使用及野生動物經營等其他決定的有用資訊，並且可以將此一技術直接使用於課堂或自然中心的展示解說。這項技術將會快速的演進，而目前在美國的研究也改善新一代雷達系統使他增加額外的對立平面（3D影像）在不久的將來。這將使新一代雷達系統上的數據更充足。不久後，多數雷達鳥類學的研究的個別科學家將合作於遷徙昆蟲的危害研究上。或許野生動物學家可以改變危害的本源而找到更好的利用方式。
參考書目：
Larkin, R.
P.(2005) Radar Techniques for Wildlife Biology.
P448-464. In: Braun C. E., (eds) Techniques for wildlife
investigations and management. Port city press,
Baltimore, Maryland.
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