(2020年成果)
子計畫十一：農業地景生態監測及復育
主持人：楊明德
團隊成員：陳樹群、蔡慧萍、柳婉郁

一、計畫推動重點、成果與特色亮點

透過研究農業生產、人類開發、及環境因子的交互關係，運用不同尺度之遙測資訊進行臺灣農業地景之生態監測，進而提出兼顧農業經濟發展與環境生態平衡之復育管理建議。針對生態、生活與生產之永續農業基本元素，分為五子題執行，探討涵蓋藍帶與綠帶的議題，108-109年成果分述如下：
  • 分析示範區農業地景單元與西部淺山生態綠網及生態資源之關係。(蔡慧萍老師)
依據行政院農業委員會「國土生態保育綠色網絡建置計畫」107至110年度，於西部淺山生態綠網之主要議題為強化連結山脈及海岸之間主要河川、水庫湖泊及兩岸生態綠帶；結合交通道路兩旁綠帶及農田水圳網絡，建立動物通道減少路殺；結合社區營造友善農田棲地環境；串聯苗栗、台中、南投等地保安林、溪流、淺山丘陵、農田。關切的物種有石虎大田鱉及八色鳥。
   再者，2018年林務局委辦研究計畫「台灣中西部淺山廊道生態保育策略與架構的實踐」中指出，台灣中西部淺山的面積最廣，且依其生態系統服務、人為干擾、森林完整性與開發壓力而言，此地區有最急迫的保育需求，也建議淺山生態保育應從棲地及生態系之觀點切入。因此，本計畫蒐集國土測繪中心於2006年及2016年所完成之全台土地利用調查資訊，並以南投縣名間鄉作為示範區，探討其農業地景單元與生態綠網之間的關係(圖1)。
圖1 台灣土地利用調查: (a) 2006年，(b)2016年，及(c)研究示範區域-南投縣名間鄉
 
本計畫以台灣中西部區域-苗栗、台中、彰化、雲林、南投五個縣市，進行2006年至2016年十年間的土地利用變化探討。由於兩個年份國土利用調查之項目略有不同，因此以面積占比較高的六個類別進行分析，分別是農業、林業、交通、水利、建築與其他，其面積與占比如圖2所示。在面積變化方面，農業面積降低；其中發現部分區域變動為建物和森林。另外建物與交通兩者面積加總在此十年間沒有明顯變化。水利方面由於2016年的資料中河道分類的較為完整，因此水利面積稍微增加(圖3)。

圖2中西部區域-苗栗、台中、彰化、雲林、南投五縣市土地利用面積與占比

圖3中西部區域-苗栗、台中、彰化、雲林、南投五縣市土地利用變化
為了更詳細探討示範區-南投縣名間鄉之農業地景單元變遷本計畫透過收集Sentinel-2衛星遙測影像，並採用監督式影像分類之最大概似法(Maximum Likelihood Classifier)，對衛星影像進行地景單元分類(圖4)。Sentinel-2衛星影像具備多項優點，最重要的是其為免費開放資源，且具備10公尺空間解析度及5天再訪率的優勢。初步獲得之影像分類成果，再採用地理資訊軟體ArcGIS，計算各分類類別面積。本計畫選用2018年3月12日及2020年2月25日之兩張衛星影像進行分類，係因此季節之影像較無雲層遮蔽且氣候雷同，其亦有相似的農作生產週期，且此地區海拔低於500公尺屬於淺山生態綠網範圍。依名間鄉之地景單元初分為5個典型之地景類別，包含農耕區 (Agri. Area)、裸露地 (Barren Land)、森林區 (Forest)、人工建物 (Built-up Area)及水體 (Water Bodies)。

圖4 Sentinel-2衛星遙測影像-南投縣名間鄉地景分類初步成果

圖5 南投縣名間鄉地景分類各類別面積比較
 
針對2018年與2020年進行之初步地景分類，成果達成整體準確率(Overall Acc.)分別為87.4%及87.6%。同時發現在農耕地區面積呈現微幅下降趨勢(圖5)，自102.8 km2下降至82.2 km2；而裸露地面積則呈現增長趨勢，由12.9 km2成長至26.4 km2。由於想探討此一現象與人為活動及氣候變遷是否有所相關，因此進一步收集農委會統計南投縣旱田耕作面積資料，發現在2019年旱田耕種面積較2018年低，再次印證了衛星影像判釋的正確性，但實際導致2020年旱田耕作面積下降之主要原因仍需多方收集資料進行分析(圖6)；此外森林區覆蓋面積有上升的趨勢，從65.7 km2增長至75.8 km2，此與農委會統計造林面積增加相關(圖6)；而在建築物面積亦有增加的現象，比對地政司住宅統計資料，發現南投縣設有戶籍住宅數有逐年上升趨勢(圖7)，以上數據皆與本計畫以衛星影像分析地景分類之成果吻合。

圖6南投縣10年內旱田面積及造林面積(擷取自中華民國統計資料庫)
 

圖7南投縣設有戶籍住宅數統計圖(擷取自內政部不動產資訊平台)
 
由於「國土生態保育綠色網絡建置計畫」中特別強調地景中綠色資源之串聯，農田棲地環境、保安林、淺山丘陵等之相互之間的關聯性為研究重點，未來將收集更長期之衛星影像資料，進行長期之地景單元變遷分析，並可依衛星影像之光譜特性，探討其地表植被狀態之變化和土地利用類別之間的關係。
  • 開發適用於台灣淺山區域特色之生態檢核表。(蔡慧萍老師)
自從1992年地球高峰會簽訂了國際性的《生物多樣性公約》，意識到自然對於人類健康生活和經濟都密不可分的人們越來越多。而後於2010年第十屆生物多樣性公約的締約國大會中，日本政府與聯合國大學高等研究所（UNU-IAS）更進一步提議《里山倡議國際夥伴關係網絡（The International Partnership for the Satoyama Initiative, IPSI）》。《里山倡議(IPSI)》中，特別關注農業生物多樣性保育、傳統知識保存以及鄉村社區發展等議題，著眼全球重要性之農業文化地景，更關注鄉村社區之生產、生活和生態之永續性。於今年度(2020)9月30日所舉行的聯合國生物多樣性峰會，再度重申了生物多樣性的持續喪失和生態系統的持續退化對人類的福祉和生存有深遠影響。
台灣自1970年代起便逐漸重視環境保育，持續推動保育措施，包含建立自然資源及生態資料庫、設立自然保護區系統，也於陽明山八煙及花蓮石梯坪等地，依《里山倡議》(IPSI)推行農業文化地景倫理關係之重建，期望保護台灣寶貴的生態環境。目前雖然淺山區域尚未有明確範圍定義，但根據2018年林務局委辦研究計畫「台灣中西部淺山廊道生態保育策略與架構的實踐」，淺山區域為海拔800公尺以下，平均坡度大於5%之低海拔山區與丘陵地，也為人類生活及土地利用密度最高的區域。據此，淺山區域正為農業活動繁盛之處，人為活動和自然交互依存，依《里山倡議》(IPSI)之精神，如何將台灣淺山區域的生態環境保育落實，是台灣重要課題，也是本計畫推動之主要重點項目之一。
關於淺山區域的生態環境保育，近年來台灣並無針對淺山區域訂定之生態檢核表，但在工程領域面向，行政院公共工程委員會於2017年4月25日，訂定了「公共工程生態檢核機制」，並於2019年5月10修正為「公共工程生態檢核注意事項」。訂定此事項的目的為，減輕公共工程對生態環境造成之負面影響，秉持生態保育、公民參與及資訊公開之原則，以創造優良之環境。此「公共工程生態檢核注意事項」中也明確規範了公共工程生態檢核自評表與作業流程，如圖8所示。
國際間有相關訂定類似生態檢核表之國家甚多，名稱也相當多元，因此本計畫以Ecological/Environmental checklist為關鍵字進行搜尋，經過篩選，以日本國際協力機構JICA(Japan International Cooperation Agency)所發展之Environmental Checklist、英國特許生態與環境管理協會CIEEM(Chartered Institute of Ecology and Environmental Management)之Ecological Impact Assessment Checklist與貝里斯環境部checklist for agricultural projects為例說明如圖9至圖11。
本計畫選用日本國際協力機構JICA(Japan International Cooperation Agency)所發展針對農業、灌溉和畜牧項目之Environmental Checklist作為參考。該組織為獨立行政法人國際協力機構，成立於2003年，隸屬日本外務省。JICA在全球54個國家設有事務所，和各國合作的領域甚廣，涵蓋環境保護、農林水產業、醫療保健、教育、工礦業、能源、運輸、交通、通訊等領域；相關發展的Environmental Checklist尚有採礦、石油和天然氣開發、鋼鐵、石油化工、水壩和水庫、機場、灌溉專案、其他基礎設施專案。其針對農業、灌溉和畜牧，提出六個大方向的檢核，內容包括許可證、汙染控制、自然環境、社會環境、其他與備註，此檢核表也包含了各方向內檢核項目是否有無法達成的環境因素，對應是否有緩解措施等進行檢核。詳細內容請參考圖9。
本計畫選用英國特許生態與環境管理協會CIEEM(Chartered Institute of Ecology and Environmental Management)之Ecological Impact Assessment Checklist。此協會成立於1991年，成員組成包含地方當局、政府機構、行業、環境諮詢、教學/研究和非政府組織，目前有6000多名成員。CIEEM於2013年獲得英國皇家特許，以其高水平的專業素養獲得認可，目前也是聯合國2011-2020年生物多樣性十年合作夥伴關係的成員，並且是幫助保護生物多樣性的Countdown 2010協議的簽署方和2010年國際生物多樣性年英國合作夥伴的成員。此Ecological Impact Assessment (EcIA)檢查表提供了審查生態影響評估報告時要考慮的標準。此EcIA於2019年由CIEEM和地方政府生態學家協會(ALGE)開發。CIEEM建議生態顧問在檢查/審閱EcIA報告時將EcIA檢查表納入其質量保證程序。詳細內容請參考圖10。
本計畫選用貝里斯環境部checklist for agricultural projects，為一針對農業計畫所研擬的環境檢核表(Environmental Checklist)，此檢核表適用於評估此農業計畫需不需要進行更進一步的環境影響評估(Environmental Impact Assessment, EIA)。此表的設計特別強調填寫時並不需要聘請專家，因此本計畫以此範本做為參考，希望研擬之適用於台灣淺山區域的生態檢核表也可以降低使用門檻。此Environmental Checklist分為五部分，分別為影響的來源、受影響的對象、環境的影響、調適策略以及備註。詳細內容請參考圖11。
綜合以上，發現台灣與國際間之生態檢核表皆是希望任何工程都能以「最不影響環境生態」的狀況下進行。國外之生態檢核表較屬於通則之樣貌，對於計畫是否通過環境影響評估、是否會造成汙染(包括水、空氣、土壤)、是否會影響動植物生態環境、是否影響人文社會等面向進行評估。然而，台灣國內之「台灣公共工程生態檢核自評表」將檢核項目依工程規劃、設計、施工、維護管理四個階段中，對生態物種是否會造成影響、是否有相對應措施作為檢核重點。未來將規畫綜合兩者之優點，針對台灣淺山區域的特徵，包含自然及人文特徵，研擬適用於台灣淺山區域的生態檢核表，落實生態環境保育之目標。

圖8台灣公共工程生態檢核自評表與作業流程

圖9 日本國際協力機構JICA(Japan International Cooperation Agency)所發展之Environmental Checklist資訊

圖9(續) 日本國際協力機構JICA(Japan International Cooperation Agency)所發展之Environmental Checklist資訊

圖10 英國特許生態與環境管理學會CIEEM(Chartered Institute of Ecology and Environmental Management)之Ecological Impact Assessment Checklist資訊

圖10(續) 英國特許生態與環境管理學會CIEEM(Chartered Institute of Ecology and Environmental Management)之Ecological Impact Assessment Checklist資訊

圖11 貝里斯環境部checklist for agricultural projects資訊

圖11(續) 貝里斯環境部checklist for agricultural projects資訊
  • 進行淺山區域藍帶(水系)空間結構多時期變遷分析。(陳樹群老師)
利用兩溪流功率點位的相減探討不同河川型態其土砂運移特性，方法為將該河川型態範圍內，某里程點位減去其上游點位，如圖12所示，當相減的總溪流功率是正值，則表示本地輸砂能力大於上游輸砂能力，負值則反之；相減的單位溪流功率為正值，則表示本地可夾帶粒徑大小大於上游夾帶粒徑大小，負值則相反。
圖13為台灣18條主要河川每兩溪流功率點位相減之成果，從溪流功率於兩點之間的增減可以了解其泥砂的淘刷與淤積，以及如何形成該河川型態的推論:
1.   蜿蜒/順直河川:從圖中可發現分布大多落在第三象限，表示其河川型態可能因坡度平緩，導致流速緩慢，因此泥砂容易淤積，並產生漫灘地，且於凸岸更加明顯，且沖刷力低，導致河岸植生穩固不被破壞，因此於衛星影像中，蜿蜒/順直河川兩岸植生茂密旺盛。
2.   辮狀河川:辮狀河川於圖中的分布狀況約一半點位在第三象限，第一與第二象限也約占了一半數量的點位，表示辮狀河川坡度陡、流量大，因此能量較為充足，在洪水來時，能帶來大量泥砂外也造成河幅的展寬，在洪水退去時，則會因為河幅廣闊導致泥砂的大量淤積以及單位溪流功率降低使得大顆粒的泥砂沉積。
3.   山區河川:山區河川於圖中的分布狀況大多於第一象限，表示沖刷能力充足，原因為河寬受到山谷的侷限，且坡度陡峭，水流湍急，因此將大量泥砂夾帶至下游，河床常可見塊石、巨石或岩盤，而不見漫灘地等細小泥砂。
分析結果表示出不同河川型態於溪流功率的表現的確有所不同，而利用溪流功率代表土砂運移特性確實可清楚的說明各種河川型態的土砂粒徑大小以及淘刷與淤積，尤其辮狀河川其多股河道且河道時常變換的特色，可以從圖中更清楚的表現出來。

圖 12 兩點間之總溪流功率、單位溪流功率變化

圖 13不同河川型態溪流功率兩點相差分布圖
  • 森林生質能技術應用之成果。(柳婉郁老師)
1.   森林生質能與二代生質酒精共構生產
森林生質能源為可再生資源，具有儲存時間長、不影響糧食供給且用途廣泛等好處。森林生質能源發展至今，遇到許多問題如轉換率太低、原物料供給不穩、運送成本高、處理成本高、原物料品質參差不齊等，要解決上述問題，需要一個系統性且效率的森林生質能源供應鏈管理。過去森林生質能供應鏈管理研究大多考慮單一產出的供應鏈系統，缺乏探討兩種以上的產出，且對於發電而燃燒森林生物質產生的碳排放亦未加以考慮。近來興起二代生質酒精與熱電共生設備結合的新技術，本研究提出兩種產出的森林生質能發電與二代生質酒精共構之戰略層級供應鏈最佳化問題，進一步利用混整數線性規劃模型決定最佳決策，追求最大利潤下，考慮環境成本下及燃燒森林生物質的碳排放等因素。其次，過去關於生質能源廠之選址相關研究多僅考慮成本與污染兩因素，鮮少考慮因廠址設立而增加鄰近區域就業人口增加的社會福利與環境不確定因素，根據上述，本研究結合能源發電與生質酒精廠進行實證模擬分析驗證所提之理論方法，並進一步運用情境分析與敏感度分析探討生質酒精與電力價格對供應鏈策略決策之影響，以及是否比獨立運作更能降低風險，其次透過地理資訊系統獲得地理資訊模擬工廠候選位置與原物料生產地，再以模糊多目標線性規劃建構模型進行實證分析，模擬森林生質能源之選址決策。本研究之數據分析結果可提供綠色能源產業經營之參考，協助作綠色能源與資源配置之最有效用，並提供政府進行制訂綠色能源策略之參考。
 2.  森林生質能源廠位址選擇
森林生物質為有機物質，具有產量大、可再生、且清潔燃燒的優點，因此，世界各國紛紛將森林生質能取代化石燃料，森林生質能是近來全球永續發展之綠能發展重要趨勢。森林生質能源生產發展至今遇到不少阻礙，如轉換率太低、原物料供給不穩、運送成本高、處理成本高、原物料品質參差不齊等，造成森林生質能源效率及資源利用率無法和其他能源競爭。本研究目的在於建立森林生質能源生產規劃完整體系，包括選址、生產與碳排放三大問題。「選址問題」係指在建廠前要如何找最佳永續發展的廠址來建森林生質能源廠；建廠後，「生產問題」係指要如何考慮上下游供應鏈來最佳化森林生質能源廠之生產效能；為最佳化森林生質能源廠之碳排放之決策，本計畫進一步設計能源廠生物質燃燒之「碳排放之預測模型」。過去關於生質能源廠之選址相關研究多僅考慮成本與污染兩因素，鮮少考慮因廠址設立而增加鄰近區域就業人口增加的社會福利；其次，過去森林生質能供應鏈管理研究大多考慮單一產出生產系統，缺乏探討兩種以上的產出，且對於發電而燃燒森林生物質產生的碳排放亦未加以考慮。再者，本研究亦將近年興起二代生質酒精與熱電共生設備結合的新技術納入決定最適森林生質能生產模式。本研究建立考慮鄰近區域就業與環境不確定性之多目標廠址設立模型，包括天候因素會影響工廠營運天數不確定、石化燃料價格變動會影響生質能源需求、工作能力與人力需求變動會影響工作機會量，亦即考量生質能源廠營運天數、生質能源需求、工作機會量等三要素來分析環境不確定性。本研究透過地理資訊系統獲得地理資訊模擬工廠候選位置與原物料生產地；接著以模糊多目標線性規劃建構模型以決定我國最佳森林生質能源廠選址地點。本研究分析我國森林生質能發電與二代生質酒精之生產方式與可行性，進一步利用混整數線性規劃模型決定最佳決策，追求最大利潤與極小環境成本，運用情境分析與敏感度分析探討生質酒精與電力價格對供應鏈策略決策之影響，以及是否比獨立運作更能降低風險。本研究將分析森林生質能源廠燃燒森林生物質碳排放與環境成本，並探討影響森林生質能源廠碳排放相關因素，提出整合型預測方法模擬，分析不同情境下森林生物質燃燒之碳排放預測量與森林生質能源廠設置之相關環境成本。

圖14 森林生質能源廠位址選擇發展階段之研究流程示意圖

圖15 台灣16個淺在森林生質能源廠位址示意圖

二、學術研究面向推動重點、成果與特色亮點

水保系陳樹群教授致力於推廣會呼吸的防砂壩概念，打造可隨土砂環境變遷而做出改變的調整型防砂壩，具有兼顧防災及生態永續功能。因其可依不同時期的輸砂量變化而調整其型態，故可具有以下優點：1.因應不同時期的防砂量2.保持河道土砂量的均衡性3.維護溪流生態的連續性4.延長防砂壩使用年限。

1. 中央社新聞 – 不讓防災犧牲生態 會呼吸的防砂壩誕生(中央社新20200623)
2. 中央社新聞 – 棄專利推廣新式防砂壩 陳樹群保育初衷公益為先(中央社聞 20200623)
3. 科學發展月刊 – 會呼吸的防砂壩(科學發展月刊 2019年8月)
楊明德教授開發的「陸空協作之水稻最佳收穫模式」，發展陸空協作之水稻最佳收穫模式，以雲端平台提供視覺化採收決策服務，基於無人機與行動裝置，透過巨量資料與深度學習演算法推估含水量，整合天氣資訊推估未來含水量變化。平台供準確且全面性之農地最適收穫排程，減少農機具及穀倉烘箱損耗，並保障米品質及最大化農民收穫效益，全台每期作將能夠延伸17億以上產值。土木系 楊明德教授以「陸空協作之水稻最佳收穫模式」榮獲「2020臺灣創新技術博覽會－未來科技館」之「2020未來科技獎」、「最佳人氣獎」及「AI及IOT應用亮點技術」。

楊明德教授團隊開發「最佳口罩配置AI模式」 榮獲AI創意競賽第二名，透過大數據與人工智慧計算出口罩的最佳配送模式，彙整多筆政府開放即時資料，套系統亦可套用適用全國的藥局，未來更可應用在關鍵物質的配送，如疫苗等災情發生時極需的關鍵物質。


圖16 楊明德教授指導博士生許鈺群、曾信鴻與碩士生陳柏安，開發最佳口罩配置AI模式，參與財團法人中技社2020「AI與健康照護」榮獲創意競賽第二名，獎金30萬。


圖17 2020研究成果海報(子計畫11)
 
封面圖說：楊明德教授榮獲2020未來科技突破獎