成功大學全球觀測與資料分析中心

發展與應用多尺度遙測平台,在關鍵時空中進行觀測,並深入分析資料,將全球變遷引發的環境危機,轉為人類永續發展的契機。
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2016SWCR_DFDPC

計畫名稱:「105年多尺度遙測空間資訊資料建置及擴充維運」

委託單位:行政院農業委員會水土保持局

摘要

台灣地質條件特殊,且位於地震、颱風或豪雨等天然災害頻發區域,積極蒐集各種遙測空間資訊,並有效應用於災害防救工作,為保障民眾生命財產,最迫切而必要之積極作為之一。本計畫針對過去五年來已成功建置並穩定服務之「土砂災害空間資訊系統」持續進行圖資建置與功能擴充維護工作,更建置行動平台與災害應變任務系統;於災中進行緊急應變,提供土石流崩塌災害預警報告;災後透過衛星或無人載具空拍影像等各項資訊,掌握災害時空分布狀況。

受到福衛二號退役影響,本年度的災害緊急應變除了福衛二號之外,尚有Landsat-8、SPOT-6、SPOT-7、GeoEye-1與THEOS等衛星影像加入災害應變之行列,於0206地震等災害事件獲取資料後,24小時內進行衛星影像處理建置及地貌變異的判釋工作,並完成災後影像判釋報告。同時採用無人飛行載具針對水土保持關注區域進行空拍,並藉由空拍照片正射處理技術,完成新北市新店區平廣溪等10處的數值高程模型建置、正射處理與平台發布工作,提供歷史資料比對分析,其中3處更提供地表高程前後期變化,推估土砂量變化量化分析。

「多尺度遙測空間資訊系統」與「土石流歷史災害資料庫」進行系統整合開發,重新建置「土砂災害空間資訊系統」,以有效結合兩系統的優點,重新檢視各項資料,建置向量圖磚,提升資料瀏覽完整性等重要服務。同時,災害期間有許多防災相關人員都必須前往災害現場進行調查,為提高防災資訊傳遞效率,本計畫建置土砂災害空間資訊系統行動版,以OpenLayer圖層處理技術為基礎,排除Google API使用之局限。而人力資源分配也是提升防災效能重要的一環,新建之災害應變任務整合模組,可以協助提供事件資訊整合與傳遞,最重要的是整合人力資源分配,降低災點重複調查等問題。

此外,利用多年期歷史崩塌地資料,應用崩塌潛勢分析方法,建立崩塌危害分析模式,以進行崩塌災害預警之分析研究。再配合本年度莫蘭蒂颱風等事件,應用中央氣象局定量降雨預報資料進行演算分析,提出崩塌危害警示預報。最後針對新北烏來地區進行檢定驗證工作,蘇拉颱風等歷史事件之新北烏來重點災區為例,進行完整崩塌預警的分析評估驗證準確率約75%,進而確認應用分析方法的適用性。

本計畫透過快速整合與應用圖資的機制、及坡地災害的預測研究應用,確可提升坡地防災資訊之蒐集與分析研判能力,發揮網際網路空間資訊系統最大使用效益。

關鍵詞:多尺度遙測、空間資訊系統、土石流、歷史災害資料庫、福衛二號、無人載具、崩塌危害分析

 

一、前言

由於台灣地質條件特殊,加上位於地震與颱風頻發之區域;因此經常發生地震、颱風或豪雨等天然災害,造成民眾生命財產飽受威脅。為減少天然災害之損失,我國特於災害防救法第22條規定:『減少災害發生或防止災害擴大,各級政府平時應依權責實施下列減災事項:六、災害防救上必要之氣象、地質、水文與其他相關資料之觀測、蒐集、分析及建置』。因此,為做好整體治山防災工作,加強重點防災地區空間資訊蒐集,並提昇資訊整合研判能力與應變速度相當重要。

近年來於重大災害之評估經驗中,均顯現多時期(multi-temporal)、多尺度(multi-scale)與多感測器(multi-sensor)平台之資訊蒐集與判釋,在坡地災害管理上的重要性。此外,從過去的防災經驗亦發現,若要進一步提昇災害發生時的快速應變能力,應需特別加強在光學衛星及航空照片均不易取像之天候狀況下,仍能進駐災區取像及產製標準空間資訊之遙測技術,例如發展無人載具取像及其影像正射處理技術等。

行政院農委會水土保持局(水保局)曾於民國99年所委辦之「多尺度遙測空間資訊與雲端技術之整合應用」計畫中,運用Google Earth API技術,彙集台灣地區之福衛二號影像、航拍影像、全景照片、以及各種防災基礎圖資,建置一個以坡地防災為主之「多尺度遙測空間資訊系統」;並採用雲端儲存技術,將系統布置於雲端服務平台,而能於災害時提供穩定之圖資瀏覽服務。再於民國100年之「多尺度遙測空間資訊資料建置及擴充維護」計畫中,以「多尺度遙測空間資訊系統」為基礎,新增民國94年至99年所發生重大土石流災害地區之福衛二號影像,且針對該年發布土石流紅黃警戒之地區,進行災後緊急應變之影像處理工作;同時應用定翼無人載具完成四處取像與變異分析工作,藉以驗證定翼無人載具緊急應變之能力。

民國101年水保局持續針對「多尺度遙測空間資訊系統」進行功能擴充及維護之工作,完成了民國94年至100年所發生重大土石流災害地區福衛二號影像圖資之建置;並因應該年度重大災害事件,執行災後影像處理之緊急應變工作;同時亦完成定翼無人飛行載具之空拍取像,且針對水保局所提供之既有無人載具空拍影像,進行正射處理發布。更應用定翼無人飛行載具在高雄荖濃溪地區拍攝立體像對,成功產製數值地表模型(Digital Surface Model; DSM),並進行其精度評估。

水保局亦於民國102年依據「多尺度遙測空間資訊系統」需求,購置硬體設備;同時將系統各項圖資與功能擴充至水保局之Google Earth Enterprise平台上;以有效整合相關圖資,進而提昇系統效能。再針對水保局所公開之1,664條土石流潛勢溪流範圍,藉由多年期衛星影像資料,進行崩塌地判釋作業,完成多年期之崩塌地資料圖層;並配合崩塌潛勢分析模式,建立崩塌潛勢分布圖,藉以評估土石流潛勢溪流範圍發生崩塌之可能性。最後再利用多年期之衛星影像資料,配合崩塌潛勢指標等其它相關空間資訊,評估崩塌高潛勢之非土石流潛勢溪流範圍,探討災害發生前的細微徵兆。民國103年水保局則持續擴充多尺度遙測空間資訊(如衛星影像及無人載具整合資料等),同時針對「土石流歷史災害資料庫系統」進行維運;並完成「多尺度遙測空間資訊系統」與「土石流歷史災害資料庫系統」整合維運之可行性評估。再應用多年期之遙測空間資料,針對易致災區域進行預警評估研究;主要利用中央氣象局ETQPF雨量預測資料,配合以崩塌潛勢分析方法為基礎之崩塌危害分析模式,進行分析計算,藉以提出早期防災警示資訊。民國104年水保局則針對「多尺度遙測空間資訊系統」與「土石流歷史災害資料庫系統」,依據各系統特色與優勢,採用Google MAPS為平台核心,進行系統整合開發工作;建置「多尺度土石流資訊系統」,藉以有效整合圖資,進而提昇系統效能。再採用無人飛行載具,機動蒐集局部地區之遙測影像資訊;藉由影像處理技術,完成空拍照片處理發布及DSM產製工作。最後應用崩塌危害分析模式,配合水保局土石流警戒過程,針對年度颱風事件提出崩塌臨近預報,並採用蘇迪勒、蘇力與蘇拉颱風事件新北市烏來地區實際資料,進行模式完整驗證評估分析。

有鑑於為能持續擴充多尺度遙測空間資訊(如衛星影像及無人載具整合資料),同時應用遙測空間資料,針對易致災區域進行預警評估,有效提出早期防災資訊,藉以強化多尺度影像之快速整合應用機制,提升對坡地防災資訊之分析研判能力,爰辦理本計畫。

二、山坡地災後區域衛星影像製作及災害判釋

本計畫執行期間內若發生重大天然災害,計畫中乃依據水保局通知,進行災後區域之福衛二號2米彩色融合影像製作、災害判釋及資訊平台發布等工作。計畫中所採用之「福衛二號影像自動處理系統」(Formosat-2 automatic image processing system, F-2 AIPS),能因應各種快速準確監控環境變遷的需求(Liu, 2006),產製符合實際需求之高品質影像。F-2 AIPS不僅可直接讀取福衛二號原始Gerald格式的資料,進行基本的幾何與輻射校正,快速產製level-1A影像;更可進行嚴密的錯位修正,自動完成正射糾正,針對多年期影像幾何配準、彩色融合及影像增揚等影像處理流程,進而快速產製高階影像產品。

計畫中主要完成本年度0206地震、0611豪雨、0707尼伯特颱風、0913莫蘭蒂颱風、0927梅姬暨艾利颱風等5場事件之災後衛星影像緊急處理與發布工作;並利用災前與災後衛星影像,製作災後福衛影像判釋報告(如圖1),以提供災後區域發生變異之位置點。此外,本計畫並依據合約規定提交災後福衛影像資料,繳交面積約為10,062.50平方公里(如表1)。

表1、災後區域之福衛二號影像繳交面積統計

項次

災害事件

影像日期

影像面積(km2)

判釋報告

1

0206地震

20160208_2

20160209_3

20160222_4

5,411

4

2

0611豪雨

20160620_5

1,442

6

總計

6,853

10

圖1、民國105年0611豪雨之災後福衛影像判釋成果

三、使用定翼無人載具進行空間資訊蒐集

無人飛行載具擁有高機動性、快速拆裝與搬運的特性,可在雲層下方飛行,於光學衛星無法取像的天候,仍可獲得地表影像,且運作成本低於航空照片,維修容易,搭載相機後即可對各種災害進行取像監測,對於時效性高、需要緊急應變的事件極具應用價值,因此逐漸成為緊急災害應變系統中一項不可或缺的利器。

本計畫主要使用的無人載具為自動導航型式定翼滑翔機,翼展2.4公尺,淨重2.7公斤;以四顆鋰聚電池驅動可滯空20-25分鐘,巡航速度約50-80 公里/小時,視風速風向而定。透過機上1 Hz GPS接收器每秒接收衛星定位訊號,並以三軸陀螺儀獲取飛機姿態參數。紅外線遙控器觸發相機快門等裝置,可進行視距外長距離的取像工作。

計畫中分別針對新北市烏來區廣興里、新北市烏來區忠治里、桃園市復興區合流部落、台東縣太麻里鄉三和村、屏東縣霧台鄉吉露村、新北市汐止區水源路二段、南投縣水里鄉郡坑、南投縣水里鄉上安、台南市南化區羌黃坑、高雄市杉林區集來等10處範圍,進行無人載具之空拍取像作業;同時將空拍影像進行後製正射處理,並發布於「土砂災害空間資訊系統」(如圖2)。最後,再配合該區域之其它相關圖資,進行比對分析工作。

 

圖2、新北市新店區平廣溪之空拍影像處理成果

四、多尺度遙測空間資訊系統與土石流歷史災害資料庫系統維運及更新

水保局民國99年以Google Earth API自由軟體,架構「多尺度遙測空間資訊系統」,有效整合、應用及展示各種防救災相關地理空間資訊。民國100年應用雲端技術,提升系統服務能量。民國101年因應圖資擴充與操作便利,改版為Web版之GE操作介面。民國102年將系統各項圖資與系統功能移置於水保局之Google Earth Enterprise平台上;提供GE、GEE雙軌服務,有效提升系統效能。水保局現行之「土石流歷史災害資料庫」,自民國98年開始建置,首先針對致災因子調查資料與空間位置進行結合。民國99年起加入即時調查資料、歷史航拍影像、重大土石災例、土石流潛勢溪流調查、聚落安全調查等資料。民國100年起「土石流歷史災害資料庫」開始介接水保局內各項系統與資料庫之資料內容。而民國101年再納入其它相關資料,如UAV影像、工程管考資料等;並針對村里報告、工程管考等資料進行整合,完成各項調查資料之資料庫設計與建置工作;同時開發系統平台介面之瀏覽、查詢與管理功能,藉由線上服務方式發布成果,提供水保局內之其它系統使用。

計畫中持續維運「土砂災害空間資訊系統」(如圖3)主要及備援伺服器,擴充圖資及備援系統;同時亦更新「土石流歷史災害資料庫」(如圖4)資料,維護該系統之正常運作;並針對現有疏散避難地圖編輯圖臺API,進行維護與調整工作。

圖3、「土砂災害空間資訊系統」介面

圖4、「土石流歷史災害資料庫」系統資料架構

五、災害應變任務整合模組開發與土砂災害空間資訊系統行動平臺試作

有鑑於颱風豪雨事件期間,當災害擴大,同時會有多處地點的災害勘查任務進行,形式包含有:無人飛行載具空拍任務、緊急衛星影像處裡、以及災區現地調查等;為進行任務協調、或加強執行效率與追蹤進度,計畫中乃規劃於「多尺度土石流資訊系統」上建置一災害應變任務整合管理功能,藉以統一控管任務執行情形,並展示災害應變任務成果。離線版Google Map為基礎,再配合HTML5多媒體網頁的方式提供服務,亦可達到完整建置空間資料之服務概念。

圖5、「災害應變任務整合模組」介面

考量水保局業務需求,常需至山區進行現地勘查;若能於野外作業時,配合系統平台之相關圖資輔助判斷,實有其助益。然而,面臨到山區網路訊號不穩定,甚至無訊號使用;直接利用行動裝置透過網路連線,取得大量圖資內容,並非為一實際可行之作法。因此計畫中將整合Open Layer及GPS技術,測試開發一簡易版本之行動調查系統。水保局同仁於外業調查時,可透過行動裝置內建之固態硬碟SSD儲存現勘所需之常用圖層等資料,再經由XAMPP網頁伺服器架站工具建立離線版資料庫查詢功能取得資料;亦可利用行動裝置GPS功能,快速定位取得目前所在位置,進而查詢分析所選取之資料;並於離線狀態或沒有網路訊號的地區,同樣能提供既有系統功能。

圖6、「土砂災害空間資訊系統行動平臺」介面

六、重要土石流潛勢溪流集水區進行崩塌潛勢危害風險之預測模式驗證

台灣位於歐亞大陸板塊與菲律賓板塊交界上,屬環太平洋地震帶的一部分;再加上地質構造脆弱、地形陡峭,而成為發生複合型災害高頻率之國家。近年來由於全球氣候異常,水文極端現象明顯,受災範圍與程度均遠較過去劇烈。台灣地區地形陡峻、降雨強度集中,每年侵襲颱風平均約3.5次,豪大雨數十次,平均年損失約128億元以上。歷年山區大規模土石滑落與崩塌事件愈趨頻繁,實有必要瞭解台灣地區易發生崩塌之高潛勢區域。因此,藉由分析過去崩塌區域之動態變化情形,建立預警模式,以有效而快速方式,評估大區域範圍之崩塌潛勢概況;期可提高防減災能力,並作為緊急應變時的決策依據。

計畫中參考蘇苗彬(1998)等人所提出之不安定指數法(Instability Index Method),採用可辨識崩塌之潛勢因子,並配合多年期之崩塌地分布資料,建立崩塌潛勢分析模式。同時以崩塌潛勢分析模式為基礎,再行考量降雨因素之影響,提出崩塌危害分析方法,並進行崩塌災害預警之分析研究。本計畫首先針對南投神木地區進行兩場歷史事件之檢定驗證工作,再配合本年度的尼伯特颱風、梅姬颱風、以及艾莉颱風事件,應用雨量預報資料進行演算分析,提出崩塌危害警示預報。最後計畫中乃採利用蘇迪勒颱風之新北烏來重點災區為例,進行完整崩塌預警的分析評估驗證(如圖7),進而確認應用分析方法的適用性。由分析結果顯示,計畫中目前採用之評估方法,大致可呈現因強降雨所造成之崩塌危害趨勢,並能針對災點位置提出警示資訊。

 

圖7、新北烏來重點災區之崩塌危害警示成果

七、文宣製作及教育訓練

本計畫為加強使用者應用多尺度遙測空間資訊及災例資料,以輔助災害防治之整合應用機制;分別於台南、台中、以及台北等地,各舉辦1場「多尺度土砂災害空間資訊系統」教育訓練課程(如圖8),包含系統說明簡介、系統操作教學、以及系統實機練習等內容,以協助使用者熟悉多尺度遙測圖資之整合應用。此外,計畫中亦完成中英文成果海報(如圖9)及中英文解說講稿。

 

圖8、教育訓練辦理情形(台北場次)

  

圖9、計畫成果中英文海報

八、結論

本計畫主要針對「多尺度遙測空間資訊系統」與「土石流歷史災害資料庫」進行維運管理;並持續蒐集各種遙測空間資訊。計畫中應用福衛二號遙測影像,針對大範圍區域進行災後空間資訊蒐集與發布;並完成多次災後衛星影像緊急應變工作。本計畫採用無人飛行載具,機動蒐集局部地區之遙測影像資訊;同時藉由影像正射處理技術,完成空拍照片處理發布,提供可加值應用之影像。計畫中另針對「多尺度遙測空間資訊系統」與「土石流歷史災害資料庫系統」進行整合開發,建置完成「土砂災害空間資訊系統」,藉以有效整合圖資,進而提昇系統效能。最後,本計畫利用多年期歷史崩塌地資料,應用崩塌潛勢分析方法,建立崩塌危害分析模式,以進行崩塌災害預警之驗證分析工作。本計畫已提供災後各級單位緊急應變所需之多尺度遙測空間資訊,並建立快速整合與應用圖資之機制;藉以提升坡地防災資訊之蒐集與分析研判能力,發揮各項圖資之最大使用效益。

九、參考文獻

1. Liu, C.-C., “Processing of FORMOSAT-2 daily revisit imagery for site surveillance,” Ieee Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 44, pp. 3206-3214, 2006.

2. 蘇苗彬,“集水區坡地安定評估之計量分析方法”,中華水土保持學報29(2): 105-114, 1998。