遥测技术及地理资讯系统应用於水库集水区崩塌地调查.doc

遙測技術及地理資訊系統應用於水庫集水區崩塌地調查鄭錦桐1、張玉璘1、顧承宇1、邱顯晉1、陳錦清1、趙芳成2、余勝雄3、楊勳得3、焦中輝3、黃連通31中興工程顧問社2中興工程顧問公司3台灣電力公司一、前言台灣地區大部分的水庫集水區位於地形險峻且交通不便的山區，地面地質調查工作困難且危險性高，所以不易獲得全面性的集水區崩塌地調查成果，同時也不易監測崩塌地在不同時期的變遷情形，因此對集水區全面的崩塌地調查極為困難。為改善傳統集水區崩塌地調查方式，本研究將以遙測相關技術使用航空照片與SPOT衛星影像兩種遙測資料，並利用地理資訊系統(Geographic Information System, GIS)配合數值地形模型(Digital Terrain Model, DTM)，建議一經濟且有效率的水庫集水區崩塌地調查方法。本文將以台電目前進行的大南澳抽蓄水力發電計畫上下池集水區崩塌地調查計畫為例進行說明1，以下首先簡介該計畫。台灣電力公司為有效的電源利用與發展，擬評估大南澳抽蓄水力發電計畫可行性，自1984年以來相關研究顯示1,2,3,4，上下池水庫之淤砂、排砂及上游崩塌地等課題實為關鍵，尤其納莉風災(2001年9月中旬)之後更甚。鑑於計畫上下池集水區域面積達50平方公里，因地處海拔300至2000公尺間，部分舊有林道已廢棄或崩塌不通且崩塌地為數可觀。受限於人力與經費的條件下，台電積極引入先進的遙測影像進行該計畫區的崩塌地判釋與變遷研究，並配合現地崩塌地重點踏勘，以確認崩踏地判釋成果。另外，利用GIS配合DTM分析地形地貌的差異，以進一步推估納莉風災前後集水區內崩塌地與河床面的土砂沖蝕量與堆積量，以提供該水力發電計畫可行性評估參考。由於該計畫尚在進行中，所以本文僅就部分成果進行示範說明。二、區域自然環境介紹該計畫位於宜蘭縣大同鄉及南澳鄉之交界處，主要係利用羅東溪(又名番社坑溪)及南澳北溪，兩條溪流間之水位高低差約500餘公尺進行抽蓄水力發電。在地質分區上，屬中央脊樑山脈帶之東北端，岩性以板岩及千枚岩組成之厚岩系為主，偶夾薄層變質砂岩(1986，何春蓀)(地質圖如圖一所示)。板岩及千枚岩係由泥質沉積物經輕度至中度變質作用所形成，由於此類岩性較為軟弱，且具有較高之可塑性，故受地體構造運動擠壓之影響，許多複雜的褶皺構造因而形成。氣候方面，屬於典型之亞熱帶季風氣候，因受地形影響，夏季高溫悶熱，冬季寒冷而多雨，因海風易隨溪谷灌入南澳北溪至海拔2050公尺之望洋山，形成雨量豐沛、多濃霧之氣候型態，年雨量可達5000公釐以上。該計畫的集水區分布如圖一所示，共有三個集水區，分別為甲乙案上池、甲乙案下池及丙案下池，其中甲乙案的上池與下池為該計畫主要候選壩址。二、航照影像與DTM製作由於計畫區中既有的DTM資料是由內政部農林航空測量所利用民國67年的航照立體對所完成，其解析度僅40X40公尺，而且資料時間太早，無法提供該計畫進行集水區風災前後的地形地貌差異分析，所以本研究必須重新挑選納莉風災前後兩期的航照影像立體對，透過空中三角測量作業製作風災前後兩期的DTM。對於航照影像資料時間方面，該計畫區中納莉風災發生前的航照影像資料，當時僅有黑白航照，航照拍攝年份介於民國81年至86年；而風災後，已有彩色航空照片，航照拍攝年份介於民國9091年。對於DTM製作上，採用風災前後航照各自全區一次平差方式實施空中三角平差作業。先以風災後航照影像實施空中三角平差作業，並將空三連接點轉測至風災前航照影像上，再進行風災前航照影像的空中三角平差作業，同時建置同一座標高程基準，以更精確比較風災前後地形之變異。總之，其目的是將前後兩時期的DTM控制在同一的座標系統，以避免DTM相減時，因為座標系統誤差影響土方估算偏差。本研究製作的DTM解析度則提高至5X5公尺，可以提升本研究推估風災前後沖蝕與堆積的土方估算的準確度。三、 遙測影像崩塌地判釋崩塌地在野外現場由於視線阻隔或觀察點不佳等因素，常無法一窺崩塌地之全貌，因此，初步從航照影像觀察崩塌地比赴現場觀查，可更容易定出其分布範圍與地形特徵。表一是各種遙測影像的基本資料比較表，目前國內常用於崩塌地判釋的遙測資料以SPOT衛星影像以及航照影像為主，該計畫亦是採用此兩種影像進行崩塌地判釋，不過衛星影像則是採用解析度較高的SPOT5衛星影像。本研究遙測影像判釋崩塌地作業流程如圖二所示。首先蒐集計畫區的遙測影像資料，包含納莉風災前後航照與近期SPOT5衛星影像，並將遙測影像資料匯入GIS系統中，再以GIS系統進行崩塌地判釋成果的數化。崩塌地判釋時，因為裸露地、河床與崩塌地色調接近，所以必須搭配由5X5公尺DTM所製作的5公尺間距等高線套疊於GIS系統中或是藉由影像立體對，提供地形起伏與崩塌地地形特徵的資訊，使崩塌地判釋有較佳的成果。崩塌地判釋完成後的初步成果，必須經過野外現地調查確認，一旦有判釋錯誤則進行崩塌地的GIS圖層修改，另一方面，崩塌地發生的機制、岩性、崩塌型態、岩層位態、不連續面位態等資料，也可藉由野外實地勘查瞭解，並登錄於崩塌地的GIS屬性欄位中。為探討納莉風災前後該計畫集水區內崩塌地的變遷情形，共蒐集彙整四個時期的崩塌地資料，作為崩塌地變遷之分析研判，以追蹤舊崩塌地是否持續惡化，及是否有新的崩塌地形成。資料時間及來源分別為：(1)73年比利時TEE顧問公司之崩塌地調查資料1，(2) 8186年納莉風災前的航照判釋成果，(3) 91年納莉風災後的航照判釋成果，(4)近期93年的SPOT5衛星影像判釋成果。其中第(1)項TEE調查的崩塌地分布圖是早期的紙面報告，先掃描成為影像檔，再以GIS進行座標控制，而後以GIS系統逐一數化報告中的崩塌地。第(2)(3)項為正射航照影像已於上節中介紹，分別為納莉風災前與後的航照影像資料，其影像解析度可達25cm，是判釋崩塌地最佳的資料。第(4)項是近期(2004/2/21)SPOT5衛星影像資料，其解析度2.5m，資料解析度雖不如航照影像，但為計畫區近期唯一可得的遙測資料(近期計畫區無航拍資料)，而且衛星週期約1個月即可取得新的影像資料，該計畫希望藉由此SPOT5衛星影像的崩塌地判釋成果，以瞭解近期在計畫區中是否有新的大型崩塌發生。在上述各期的崩塌地判釋成果，本文舉納莉風災前後兩期的航照判釋成果為例(如圖三所示)，圖中可顯示計畫區的崩塌地在風災後已明顯增加，尤其是甲乙案上池集水區之大元山崩塌地(A5區)與望洋山崩塌地(A3, A4)等，經過納莉風災後，該計畫區的崩塌面積有明顯增加的趨勢，A4區內的崩塌尤甚。A6區中的崩塌地在風災後期特別明顯，大部分是溪溝沖蝕所形成的小崩塌地。甲乙案下池古魯溪支流與溪溝的沖蝕狀況在納莉風災後變得明顯。丙案下池兩期資料並無明顯改變。四、 風災前後DTM差異分析圖四為納莉風災前後兩期的DTM差異成果，圖中暖色系屬於沖蝕的區域，冷色系屬於堆積的區域。圖中顯示大元山崩塌地(A5區)與望洋山崩塌地(A3與A4區)有明顯的崩塌發生，並造成土方減少，同時也在大型崩塌地下游河道部分形成堆積區域。然而整體而言，不論是甲乙案上池、下池或丙案下池在河道上土方大多已搬運流失，其中甲乙案上池沖蝕最為明顯。本文以甲乙案上池壩庫區為例進一步說明納莉風災前後的地貌變化，圖五是風災前後的崩塌地與河道分布變遷圖，再搭配圖六的風災前後DTM差異圖，發現南澳北溪左岸支流的大元山崩塌地有惡化情形，並且崩塌土方已造成南澳北溪左岸支流河道淤積，同時河道也改變了。以圖六的區域而言，崩塌地常發生於河流轉彎的攻擊側，並且堆積於坡趾的崩積碎屑亦被沖蝕流失。整體而言，上池壩庫區附近的崩塌地在納莉風災後相較於風災前有惡化的情形，而且庫區河床沖蝕的量多於堆積量。五、 三維虛擬實境應用利用虛擬實境技術可將計畫區的地形地貌呈現於電腦螢幕上，其原理是利用DTM資料表現地表起伏，同時在起伏的地形面上套疊衛星影像、航照影像、地質圖等GIS圖層，讓人宛如駕馭飛機鳥瞰計畫區的地面景觀，可任意變換視野角度，同時讓人對計畫區有身歷其境的感覺。野外調查前，虛擬實境成果可協助規劃野外勘查路線，尤其可以預見野外調查路線過程中可能的障礙；野外調查後，可藉虛擬實境成果更清楚且詳細的與計畫相關人員介紹野外調查狀況。以該計畫在大南澳山區的三個集水區地表崩塌地調查為例，大區域範圍的地表調查工作，調查人員無法一一接近調查，然而虛擬實境可提供接近調查地點觀測的機會，尤其搭配解析度較高的航照影像。圖七為大南澳計畫區地質三維立體圖，讓調查人員能瞭解地表地質的立體空間分布情形，進一步對於崩塌地的發生機制進行探討。圖八為望洋山崩塌地的立體視覺模擬，影像為納莉風災後之正射航照，讓人有身歷其境之感，在調查之前確實可以預見野外勘查路線的可能障礙，以該計畫經驗而言，原規劃由望洋山的山脊進入南澳北溪河床進行崩塌地調查，後來由圖八的虛擬實境成果發現望洋山崩塌地的山壁陡峭，若貿然前往則有安全顧慮，因此否決了先前的規劃路線，並改由甲乙案下池集水區的古魯溪下游翻過集水區分水嶺，再進入甲乙案上池集水區的南澳北溪集水區。六、 結論與建議(1)進行水庫集水區的現地崩塌地勘查之前，可藉由遙測影像判釋崩塌地，先掌握集水區全面性的崩塌地分布情形，並可有效率的規劃出調查路線，同時亦可避免深入地形險峻的區域。(2)歷年不同時期的衛星影像或是航空照片所完成的遙測崩塌地判釋成果，可藉由GIS系統進行數化並儲存為GIS圖層，長時間持續累積後可對於水庫集水區的崩塌地進行變遷研究資料。(3)由遙測影像進行崩塌地判釋仍無法明確知道崩塌地所處的岩層、岩性與崩塌的發生的機制，所以野外地質調查工作仍不可偏廢。(4)由現勘與航照判釋結果顯示，大南澳抽蓄發電計畫的集水區內崩塌之類型以平面破壞、楔型破壞及坡面表層風化岩屑滑落為主，其岩屑堆積於坡趾常形成崩積丘。另外，豪雨造成陡坡上溪溝沖蝕與小規模崩塌亦常見於計畫區的集水區中。該計畫集水區岩性多屬板岩或片岩，其劈理與節理發達，加上年降雨充沛，岩石風化嚴重，因此造成計畫區內的崩塌地眾多，而崩塌地常發生於地下水出水處或河道攻擊側，所以多呈不穩定狀態。由於該計畫區的劈理傾角不大，位於順向坡之崩塌地通常坡度較緩，常見平面型滑動，加上節理發達，因而提供持續崩塌之可能性；反之，坡面與劈理面傾角不一致時，常見坡度陡峭的楔型破壞。(5)以目前技術由航空照片立體對影像製作的DTM仍然較任何衛星影像立體對所製作的DTM精度高。另外，目前農林航空測量所公布的40X40公尺DTM，其解析度無法滿足該計畫的地形地貌差異分析，所以該計畫製作5X5公尺的DTM，確實提高計畫區在風災前後的DTM差異分析成果品質，並使該計畫更能瞭解區域的地形地貌的變化情形。建議未來水庫集水區值得定期拍攝航照與製作DTM，並進行前後時期的DTM差異分析，以瞭解因為邊坡崩塌或河流沖蝕、堆積所造成的土石方量變化情形，尤其是特定事件之前後的差異，如該計畫探討納莉颱風前後的地形地貌變異情形1。(6)遙測影像判釋時，由於崩塌地、裸露地與河床影像色調相近容易造成混淆，尤其是早期的黑白航照影像，過去判釋是以立體鏡觀看立體對數化，本研究建議以GIS系統將航照正射影像為底圖，搭配地形等高線的GIS圖層資訊來協助崩塌判釋，因為崩塌地有一定的地形特徵，所以不易誤判，所以在GIS中進行判釋並同時數化是相當有效率的判釋方法。(7)該計畫以SPOT5衛星影像所數化的崩塌地數量明顯比用航照影像判釋的少，其關鍵在於航照影像的解析度比較高，能辨釋出較小的崩塌地，因此對於水庫集水區的崩塌地判釋，本研究建議以定期拍攝的航照為基準，如此崩塌數量才能估算較準確。若是必須探討多時期且時間密集的集水區崩塌地變遷情形，本研究則建議採用SPOT5衛星影像，或是中華衛星二號影像。(8)三維虛擬實境立體模型製作可以預見野外調查路線的可能障礙，調查區域中的各式影像資料皆可套疊於DTM之上呈現虛擬實境的效果，可協助調查團隊的工作溝通。(9)前後期的DTM差異分析成果可計算出整個集水區系統的土砂輸出情形，此土砂輸出成果，可以用來檢驗根據集水區