土砂災害空間資訊建置分析(2/3)

執行單位：國立成功大學

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，因此積極蒐集各種遙測空間資訊，並有效應用於災害防救工作，保障民眾生命財產，為自然災害防治工作重要的作為之一。本年度計畫於水土保持局災害應變期間，同步進行相關災情蒐集並整合應用Formosat-5、Landsat-8、SPOT-6、SPOT-7及Sentinel-2等多元衛星影像，進行0206花蓮地震、0613暨0619豪雨、0709瑪莉亞颱風與0823熱帶低壓以及0909熱帶低壓等14場災害事件之災後崩塌判釋工作以及完成災後影像判釋報告。此外，應用無人飛行載具於水土保持關注區域進行空拍，完成了高雄市杉林區集來里等5處的數值高程模型，正射影像與平台發布工作。藉由分析過去崩塌區域之動態變化情形，建立預警模式，以有效而快速的方式，評估大區域範圍之潛勢概況，期可提高防減災能力，並作為緊急應變時的決策依據。然而台灣許多地區目前尚未有完整、客觀、大範圍且長期之事件型崩塌目錄，為提供完整事件型崩塌目錄，本計畫建置104年至107年的事件型崩塌目錄，提供土砂災害相關研究參考。再者，本年度計畫完成3處土石流潛勢溪流鄉鎮（台東縣延平鄉、卑南鄉、東河鄉）於2016年莫蘭蒂颱風以及2017年1012豪雨事件期間之崩塌預警分析及驗證，驗證結果顯示正確性約在69%~77%之間。本計畫並進一步應用中央氣象局降雨預報資料，於今年颱風豪雨期間進行全台即時崩塌危害指標 (Landslide Hazard Index, LHI)分析。根據歷年崩塌資料，本年度計畫亦分析全台1,719條土石流潛勢溪流集水區之歷年崩塌情況及變動趨勢分析。本年度計畫亦完成1場推廣展示活動、發表1篇國際研討會論文、1篇國際期刊論文並完成中文海報各1份，以提升本計畫研究成果之國際能見度。

關鍵字：土砂災害、空間資訊系統、衛星影像、無人載具空拍、崩塌危害分析

Abstract

The geographical condition of Taiwan is unique. Since Taiwan is located at a region where natural disasters such as earthquake, typhoon, and torrential rain occur frequently, actively collecting remote sensing data and effectively applying it to protect life safety and property are most significant purposes of disaster prevention. This project integrates disaster-related data and simultaneously applies the satellite images captured by Formosat-5, Landsat-8, SPOT-6, SPOT-7, and Sentinel-2 to interpret 14 natural disasters, including Hualien earthquake on February 6th, torrential rains on June 13th, torrential rains June 19th, typhoon Maria on July 9th, tropical pressure on August 23th, and tropical pressure on September 9th, during the emergency operation period of the Soil and Water Conservation Bureau. Additionally, unmanned aerial vehicles (UAVs) are used to take aerial photos of soil and water conservation areas. The digital elevation models (DEMs) and orthophotos of at least five areas (such as Jiali Village located in Shanlin District, Kaohsiung City) are created and published. Develop early warning model by analyzing dynamic changes of landslide areas to evaluate the situation of landslide areas and promote disaster prevention and mitigation for emergency response. Many event-based landslide inventories are incomplete; therefore, in order to provide complete event-based landslide inventories, this project builds event-based landslide inventory from 2015 to 2018 serving as references of sediment-related disasters. Furthermore, the analysis and verification of three potential debris flow hazard torrents (Yanping Township, Beinan Township, and Donghe Township) during Typhoon Meranti in 2017 and torrential rains on October 12th are accomplished. The results have revealed that the accuracy rate is about 69% to 77%. The project then further applies the precipitation forecast data from the Central Weather Bureau to produce Landslide Hazard Index (LHI). Based on historical landslide data, this project analyzes the landslide situation and variation trend of 1,719 potential debris flow torrents in watershed areas. To share the research results with the world, one exhibition will be held, one research paper will be published in international conference, and one research paper will be published on international journal. Both a Chinese version and an English version of poster will be made as well.

Keywords: sediment-related disasters, Geospatial Information System (GIS), satellite imagery, Unmanned Aerial Vehicle (UAV), landslide hazard analysis

一、前言

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。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。

水土保持局自民國99年委辦之「多尺度遙測空間資訊與雲端技術之整合應用」計畫中，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，建置以坡地防災為主之「多尺度遙測空間資訊系統」。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，同時應用定翼無人載具完成取像與變異分析工作，驗證定翼無人載具緊急應變之能力。民國101年及102年水保局完成了民國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。民國103年至104年則針對「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，建置「土砂災害空間資訊系統」。民國105年計畫建置行動平台與災害應變任務系統；於災中協助水保局進行緊急應變，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。以過去民國99年至民國106年執行計畫的經驗、研發技術的突破、資料處理的效率、地理資訊的應用、開放平台的掌握與遙測影像的展示為基礎，執行本年度計畫所需之各項能量皆已完備。為強化土砂災害空間資訊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建置及災害判釋

本年度執行期間，若發生重大天然災害，需透過光學衛星影像進行災情判釋調查之必要。本計畫依水土保持局通知，取得足堪判釋調查使用之光學衛星影像後，完成影像處理與判釋；並將崩塌地或受災區域之圖層，以Shapefile、KML、或KMZ格式呈現；最後再將衛星影像及成果圖層電子檔案送交水保局。此外，為因應緊急任務需求，若水保局提供其它相關衛星影像圖資，本計畫亦配合處理發布及判釋；藉以搭配輔助福衛影像之判釋作業。

本計畫中依據多次國內外緊急災害應變經驗累積，已能於影像處理完成後，在短時間內完成災區特徵判釋、圈繪、面積計算以及圖層套疊與發布調查報告等緊急應變工作。本年度計畫為主要完成107年0206地震、0613暨0619豪雨、瑪莉亞颱風以及0823熱帶低壓等14場事件之災後衛星影像緊急處理與發布工作，共計產製判釋報告36份，發現災點48處；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所示)，以提供災後區域發生變異之位置點。此外，今年度已處理土石流紅黃警戒區域內影像或地震震度五級區域影像之總面積更達到37,483平方公里，經計算其中開放衛星(Landsat-8或Sentinel-2)影像無雲面積達7,973平方公里、SPOT影像(空間解析度為1.5m)無雲面積達5,154 平方公里，總計無雲影像面積為13,127平方公里，如表1所示。

表1     107年已處理災後區域之衛星影像處理面積統計

續表1 107年已處理災後區域之衛星影像處理面積統計

圖1     107年鹿場堰塞湖事件衛星影像判釋報告

三、使用無人飛行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。

計畫中分別針對新北市樹林區三角埔頂山、高雄市杉林區火山橋、苗栗縣火炎山等5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「巨量空間資訊系統」(如圖2)。

圖 2     苗栗縣火炎山之正射影像處理成果

四、年際崩塌變事件分析

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，以有效而快速的方式，評估大區域範圍之潛勢概況，期可提高防減災能力，並作為緊急應變時的決策依據。對於發展預警模式而言，首要任務則是建立可靠的崩塌潛勢模型。然而，台灣許多地區目前尚未有完整、客觀、大範圍且長期之事件型崩塌目錄，為提供完整事件型崩塌目錄，本計畫擬合併林務局歷年「衛星判釋全島崩塌地圖」與水保局防災中心建置之災後崩塌判釋成果，建置104年至107年的事件型崩塌目錄，提供土砂災害相關研究參考。

圖 3     本計畫產製之104年事件型崩塌目錄

五、重要土石流潛勢溪流崩塌危害預警監測

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。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，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。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。本年度計畫以台東縣東河鄉、卑南鄉與延平鄉為主要研究區域，配合民國106年莫蘭蒂颱風事件與民國107年1011豪雨事件，進行完整崩塌預警的分析評估驗證(如圖4)，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。

此外，考量若能在實際雨場期間，即時接收中央氣象局之雨量，即時提供可能崩塌災害發生地區資訊，以配合保全對象以及人員疏散作業，始可達到防災預警之效益；若該崩塌災害地點附近並無人員居住，則無須進行警戒，亦以節省防災業務之人力成本。本年度計畫中計畫將崩塌危害預警即時分析結果連結於巨量空間資訊系統(data.swcb.gov.tw)。

圖 4     民國106年1011豪雨事件之崩塌危害分布與實際崩塌(白色區域) (a)台東縣東河鄉，(b)台東縣卑南鄉

六、土石流潛勢溪流歷史崩塌分析

水土保持局自民國81年開始公開劃定485條溪流為土石流潛勢溪流，至今已增加到1,719條土石流潛勢溪流。若能掌握土石流潛勢溪流集水區崩塌地實際動態變化，可以對於現行土石流潛勢溪流崩塌變動情況進行了解，以便水土保持局有效管理現行土石流潛勢溪流，作為土石流治理重點區選定時之重要參考指標，並可有效增加土石流防災業務之管理效率。本計畫已分析出全台1,719條土石流潛勢溪流自2004年~2016年之崩塌面積，並初步區分為崩塌面積為零(歷年崩塌面積均為零)、輕度崩塌(崩塌面積小於1公頃)、中度崩塌(崩塌面積小於10公頃)以及大規模崩塌程度(崩塌面積於10公頃)。不同崩塌程度土石流潛勢溪流分佈如圖5所示。

圖 5     全台不同崩塌程度土石流潛勢溪流分佈情況

七、成果推廣與中英文成果海報等文宣製作

本計畫為加強推廣本計畫相關產出成果，於中油大樓進行進行擺攤展覽(如圖6)，並且發表之國際期刊論文「Influences of the Shadow Inventory on a Landslide Susceptibility Model」，於「ISPRS International Journal of Geo-Information」 (IF: 1.723, Covered by SCI)以推廣本計畫研究成果。本計畫並完成中英文成果海報(如圖7)。

圖 6     行政院災害防救應用科技方案中油大樓研討會現場照片

圖 7     計畫成果之中英文海報

八、結論

本計畫對於今年度等14場地震或颱風豪雨事件進行災後衛星影像取像及變異分析，並採用無人飛行載具己進行5處無人飛行載具取像。同時為提供完整事件型崩塌目錄，本計畫建置104年至107年的事件型崩塌目錄，提供土砂災害相關研究參考，並完成三個土石流潛勢溪流鄉鎮(台東縣東河鄉、卑南鄉、延平鄉)於二場歷史災害降雨事件(莫蘭蒂颱風及1011豪雨事件)之崩塌危害預警分析，驗證結果顯示正確性約在69%~77%之間。最後完成分析全台1719條土石流潛勢溪流集水區於2004年~2016年之年度崩塌面積分析及變動趨勢分析。

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. Sona, G., Pinto, L., Pagliari, D., Passoni, D., & Gini, R. (2014). Experimental analysis of different software packages for orientation and digital surface modelling from UAV images. Earth Science Informatics, 7, 97-107.
3. 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。