計畫名稱：「109年土砂災害空間資訊蒐集判釋與變遷分析」

委託單位：行行政院農業委員會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，而透過多時期(multi-temporal)、多尺度(multi-scale)與多感測器(multi-sensor)平台所蒐集之各種遙測空間資訊，已證明對於知災、避災、減災、救災等工作都有莫大裨益，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，為政府相關單位首要工作之一。本計畫於本年度災害應變期間，同步蒐集相關災情，並整合應用Landsat-8、SPOT-6/7及Sentinel-2等多元衛星影像，完成0225地震、0521暨0528豪雨、1016豪雨與閃電颱風等4場事件之崩塌判釋工作，並於災後針對每一場災害事件提出完整的「山坡地災後區域災害判釋成果報告」。此外，本計畫亦應用無人飛行載具於災害潛勢區實施空拍，產製嘉義縣阿里山鄉豐山村等5處的正射影像與數值高程模型，並將所有成果發布於水保局之巨量空間資訊系統 (BigGIS)。

為提高防減災能力，並作為緊急應變時的決策依據，本計畫亦藉由分析過去崩塌區域之動態變化情形，建立預警模式，以快速而有效的方式，評估大範圍之崩塌潛勢。有鑑於台灣許多地區迄今尚未有詳盡之事件型崩塌目錄，本計畫使用水保局既有之多時期、多尺度與多感測器平台所蒐集之各種遙測空間資訊，建置99年至100年事件型崩塌目錄，提供土砂災害相關研究重要的基礎資料。此外，亦完成3處土石流潛勢溪流或鄉鎮地區（嘉義縣大埔鄉、臺南市南化區、高雄市甲仙區）於民國105年尼伯特颱風事件與民國105年莫蘭蒂颱風、梅姬暨艾利颱風事件期間之崩塌預警分析及驗證工作，結果顯示正確性約在61%~86%之間。透過無人飛行載具取像建置前後期數值地表模型，探討土石流潛勢溪流投縣DF226與高市DF072之土砂運移變化，並評估研究區內土砂安定性，分析後續可能造成土石流災害的土砂料源分布。本年度更進一步應用中央氣象局降雨之臨近預報資料，於颱風豪雨期間進行全台崩塌危害指標(Landslide Hazard Index, LHI)之臨近預報工作。此外再根據全台1,726條土石流潛勢溪流集水區之歷年崩塌資料，分析整理其變動趨勢。本年度亦完成1場國內研討會海報展示、1場國內研討會口頭報告與1場支援水保局防災應用能量推廣展示口頭報告，並將主要成果製作成中英文海報各1份，以提升本計畫研究成果之國際能見度。

本計畫長期且有系統地蒐集重點防災地區空間資訊，持續提升並精進坡地防災資訊之蒐集與分析研判能力，透過快速整合與應用圖資的機制，成功應用於崩塌危害指標之臨近預報工作，發揮各種空間資訊之最大效益。

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

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108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0225地震、0521暨0528豪雨、1016豪雨與閃電颱風等4場事件之災後衛星影像緊急處理與發布工作並產製判釋報告，共計判釋災點16處；並利用災前與災後衛星影像，製作災後衛星影像判釋報告(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38,917平方公里（無雲影像面積35,698平方公里），空間解析度均達15公尺，其中6,008平方公里空間解析度優於5公尺，如表1所示。

表1     109年已處理災後區域之衛星影像處理面積統計

項次	災害事件	遙測影像	影像日期	影像面積(km2)	無雲影像面積(km2)	發現災點(處)	判釋報告(份)
1	1090225地震	Sentinel-2	1090225	144	144	0	-
			1090301	144	144
2	1090521暨 1090528豪雨	Sentinel-2	1090505	9,568	8,833	16	16
			1090515	9,568	8,657
			1090604	9,568	9,044
		SPOT-6/7*	1090221	359	359	7	0
			1090223	57	57
			1090301	502	502
			1090326	986	986
			1090401	241	241
			1090420	311	311
			1090505	441	441
			1090515	107	107
			1090602	134	134
			1090605	710	710
			1090612	705	705
			1090618	830	830
			1090719	368	368
			1090721	257	257
3	1091016豪雨	Sentinel-2	1090907	1,165	961	0	-
			1091002	1,165	947
			1091101	1,165	600
4	1091106閃電颱風	Sentinel-2	1091101	211	211	0	-
			1091111	211	149
總計		Sentinel-2		32,909	29,690	16	16
		SPOT-6/7*		6,008	6,008	7	0
※註1：此處影像面積計算是以土石流紅黃警戒區域內影像或地震震度五級面積，而無雲影像面積以上述區域內經排除原面積後計算無雲面積得到。 ※註2：於衛星名稱後加註*為空間解析度優於五公尺之衛星。

 

圖1     109年0521暨0528豪雨之Sentinel-2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。

計畫中分別針對南投M108-1土石流潛勢溪流、豐山村0521與0528豪雨災點、豐山土石流觀測站、豐丘土石流觀測站與花縣DF166土石流潛勢溪流等5處，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    南投M108-1土石流潛勢溪流之正射影像處理成果

四、年度崩塌地圖層建置及資料分析

在高解析度衛星影像逐漸普及後，發展如何快速自動判釋土砂災害的技術，成為數位影像處理的重點方向，結合既有的圖層及本計畫初勘率定之判釋準則，利用比值影像可快速產製全島崩塌地圖資的優點，達到重大事件後全面掌握災情及快速應變之需求；再者，結合專家輔助半自動判釋系統，產製達到精度要求之崩塌地圈繪結果。年度崩塌地圖層使用水保局提供之SPOT影像進行建置，本年度已完成108年全島崩塌圖層，如圖 3所示。

圖 3    本計畫產製之108年全島崩塌圖層

五、年際崩塌變化事件分析

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災後崩塌判釋成果，建置99年至100年與109年事件型崩塌目錄，提供土砂災害相關研究參考。

圖 4    本計畫產製之99年事件型崩塌目錄

六、以無人飛行載具建置數值地表模型探討土石流潛勢溪流之土砂安定性

參考衛星影像建置多年期崩塌目錄成果，以無人飛行載具進行高解析度取像，製作數值地表模型，透過前後期數值地表模型據以探討土石流潛勢溪流之土砂運移與坡面崩塌變化之關聯性，並評估研究區內土石流潛勢溪流之安定性，分析後續可能造成土石流災害的土砂料源分布。投縣DF226集水區在莫拉克颱風期間產生大量的崩塌，大部分的土砂已經由土石流與洪水運移出集水區，少部分殘留土砂也因持續侵蝕或被植生覆蓋而逐漸安定。舊崩塌發生擴大或持續侵蝕的現象，產生的土砂堆積形成崖錐地形，而成為潛在土石流災害的土砂料源，應針對這些堆積土砂持續進行監測。

圖 5    投縣DF226之2017-2020年間土砂變動量分析成果圖

六、重要土石流潛勢溪流崩塌危害預警監測

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。本年度計畫以嘉義縣大埔鄉、臺南市南化區與高雄市甲仙區為主要研究區域，配合民國105年尼伯特颱風事件與民國105年莫蘭蒂颱風、梅姬暨艾利颱風事件期間，進行完整崩塌預警的分析評估驗證(如圖6)，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 6    研究區域崩塌潛勢分布圖與實際崩塌(白色區域)

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1,726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1,726條土石流潛勢溪流自2004年~2019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7所示。

圖 7    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「「行政院農業委員會水土保持局防災應用能量暨設施」進行相關業務演講。並且於「2020水土保持學術研討會暨論文宣讀」與「TGIS 2020 台灣地理資訊學會年會暨學術研討會」，進行研討會論文投稿以推廣本計畫研究成果。本計畫並完成中英文成果海報。

圖 8    山坡地災後區域衛星影像製作及災害判釋演講活動現場照片

八、結論

本計畫對於今年度等4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。建置99年與100年事件型崩塌目錄及108年全台崩塌目錄，並完成三個土石流潛勢溪流鄉鎮於二場歷史災害降雨事件之崩塌危害預警分析。最後完成分析全台1,726條土石流潛勢溪流集水區於2004年~2019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.