蕭宇伸1* 郭耀駿2 論文收件日期：105.04.17
論文修改日期：105.07.07 論文接受日期：105.07.18
摘 要
本文利用自行發展之紅色地圖技術輔助判釋台灣太魯閣地區之地形特徵。本研 究紅色地圖成果乃結合地形開闊度與地形坡度而得到。用於產製紅色地圖之軟體為 Generic Mapping Tools(GMT)，而用於計算地形開闊度與坡度之數值高程模型為 40 公尺空間解析度。本研究主要目的為發展新的視覺化方法來表達地形特徵，以提供 相關使用者細微且重要地形資訊，並希望後續能對災害預防、水土保持、環境監測 與資源探勘做出貢獻。研究中依據不同地形開闊度計算之罩窗半徑值(200m~1600m)，
分為 8 個研究測試例。結果顯示，罩窗半徑 1000m 與 1200m 為最佳選擇。研究中 發現，自製之紅色地圖與傳統等高線圖或分層設色圖相比，更能夠清楚凸顯出山脊 線、山谷線與集水分區等地形特徵。
關鍵詞：地形開闊度、紅色地圖、地形坡度
1助理教授，國立中興大學水土保持學系
2碩士生，國立中興大學水土保持學系
*通訊作者，TEL:(04)22840381#101，E-mail: [email protected]。
Interpretation of Terrain Features by Self-Developed Red Relief Image Map: A Case Study in Taroko Area
Yu-Shen Hsiao1, Yao-Chun Kuo2 Abstract
We develop the red relief image maps (RRIMs) to help interpretations of terrain features in Taroko area, Taiwan. The RRIM is produced based on the combination of the terrain openness and the terrain slope. The software for generating RRIM is Generic Mapping Tools (GMT). A digital elevation model (DEM) with a spatial resolution of 40m is used for both terrain openness and terrain slope computations. The purpose of this research is to develop a new visualization method of topographic maps in order to provide users subtle and important terrain information, and further bring contributions to the regions of disaster prevention, soil and water conservation, environmental monitoring, and resource exploration. In this study, 8 test cases for deriving self-developed RRIMs are designed according to the use of the different search radii for terrain openness computations. The result shows that the cases with search radii of 1000m and 1200m are best recommended. In addition, the ridgelines, valley lines and terrain-based subcatchments are more clearly revealed by the self-developed RRIMs than by the traditional contour plots and color mapping.
Keyword：RRIM, Terrain Openness, Terrain slope
1Assistant Professor, Department of Soil and Water Conservation, National Chung Hsing University
2Master, Department of Soil and Water Conservation, National Chung Hsing University
*Corresponding Author, TEL:+886-4-22840381#101, E-mail: [email protected].
一、前 言
地形測繪的技術日新月異，數值地形模型的精度也隨之提升。早期製作數值表 面模型(Digital Surface Model, DSM)及數值高程模型(Digital Elevation Model, DEM) 模型，均採用航空攝影測量技術，以內政部全台 5m 空間解析度 DEM 與 DSM (網 精度甚高，可達公寸等級(Hodgson and Bresnahan, 2004)。上述兩種測量方式所產製 之 DSM 與 DEM 均能提供提供國內水土保持、土砂災害、國土規劃、防救災、環境
來呈現 DEM 之高度變化。後來(Yokoyama et al., 2002)提出地表開闊度的概念，分別 對於地形的凹陷與凸起計算地上開闊度 a 與地下開闊度 b，其中 a 凸顯山谷地形而 b 凸顯山脊地形，將兩者合併計算可進而得到尾根谷度值 c。其中 c=(a-b)/2。利用尾 根谷度值產製的圖即為尾根谷度圖。由於尾根谷度圖考慮到地形開闊度，故在山脊、
丘陵、窪地與山谷等地形判釋上有不錯的成果。(Chiba et al., 2008)進一步將尾根谷 度圖與地形坡度之關係，配合紅黑色階直接表現出紅色地圖，此技術已廣泛應用於 地形學、地理學與地質學等領域，並對地形判釋有不錯的結果。(Wang et al., 2015) 對於黃土高原研究地形開度和差值圖像閾值分割，更進一步提及關於紅色地圖相關 研究還包括(Lin et al., 2013)、(陳奕中等，2014)、與(李璟芳等，2015)。一張適宜的 紅色地圖，可表達出豐富且詳細的地表資訊，並提供有關單位防救災、水土保持、
環境監控與資源探勘與土砂災害潛勢之相關設計規劃與風險評估。故本研究以 GMT 軟體(Wessel et al., 2013)為發展基礎，自行發展製作紅色地圖之相關技術。並以太魯 閣地區為本文研究區域，分析紅色地圖在表現地形起伏與地貌判釋上，與傳統等高
線圖、分層設色圖與陰影圖相比之優缺點。本研究為台灣首次自行發展繪製紅色地 圖技術，可說別具意義，希望能提供有關政府學術單位做參考。
二、紅色地圖原理
傳統地形陰影圖原理是以模擬不同光線的入射角以建立陰影，此方法雖然能夠 輔助地圖立體化，但也容易因入射光線角度而造成地形判讀錯誤。紅色地圖呈現之 概念類似醫學手術燈，光線從全方向照射地形，山脊或山峰部分因地形較開闊，故 能接受的光照較多，顯得越亮；反之，山谷和窪地由於地形開闊度差，故顯得較暗 (圖 1)。進一步分析，如圖 2 地形示意圖所示，點A與A 之高程與坡度值均相同，但 地形開闊度不同，則點A與A 地形在等高線、分層設色或陰影圖表達上將無差異。
另一方面，對於紅色地圖來說，由於點A與A 地形開闊度不同，兩者於圖上將呈現 不同的彩度(詳細比較說明見第四章)，也較能夠表達出 DEM 之細微地形，這對於地 圖使用者來說，更有機會從地圖上判讀出山脊線、山谷線、地質斷層帶、順向坡、
岩層崩滑及土石流潛勢區域等區域。
本研究之紅色地圖即分別計算出研究區域 DEM 之地形開闊度與地形坡度，再 利用二者之關係去對應紅色色階與黑色色階來表達立體地形，若以此方式繪製地形 圖，陡峭地形將呈現較深彩度，平緩地形將以較淡的彩度表現，色階主要顏色選擇 紅色是因為此顏色對人眼有較佳的辨識度，相較於其他顏色，更能增進地形解讀與 地貌判釋。
圖 1 對於光源接收量之開闊度示意圖，其中黃色面積代表所在地形光源接收量，圖 中地形在山頂(山脊)處由於地形開闊度較佳，故光源接收量較多，在山谷處則光源 接收量較小。此圖改編自亞洲航測株式會社開闊度示意圖
( http://www.ajiko.co.jp/ )。
圖 2 地形示意圖，其中點A與點 之高程值與坡度值均相同，但地形開闊度不同。
三、研究方法
本研究發展紅色地圖所使用的主要軟體為 GMT 軟體。先撰寫程式來計算 DEM 地形開闊度，並利用 GMT 計算地形坡度、製作紅色地圖調色盤與繪製紅色地圖。
GMT 為一免費繪圖軟體，雖然其為免費，但繪圖功能強大，已廣為地球科學界採 用。
在地形開闊度方面，有別於過去研究所採取的計算尾根谷度值(Yokoyama et al, 2002; Chiba et al., 2008)，本研究所定義之地形開闊度乃計算待算網格點與周邊網格 點之水平距離與高程差所形成的縱角平均值。以圖 3(a)為例，待算網格點 A 位於山 谷中，點 A 與周邊較高處某一網格點 B 所形成的縱角為∅ 仰角 ，但若點 A 位於山 頂處(如圖 3(b))，則點 A 與點 B 所構成之縱角為 ∅ 俯角 。本研究計算以點 A 為中 心，罩窗半徑 r 範圍內所有網格點與點 A 所構成的縱角值總和(如圖 3(c))，再取其 平均值作為本研究之地形開闊度值(範圍介於 90°到 90°之間)；在坡度計算方面，
本研究以 GMT 軟體的 grdgradient 程式計算得每個網格點之坡度值，grdgradient 為 GMT 內建之計算規則網格微分之程式，若輸入檔為一 DEM，則輸出檔即為該 DEM 每個網格之斜率值，再將斜率值轉換為坡度(單位：度)，即為本研究所定義之地形 坡度值θ(圖 3(d))，θ範圍介於0°到 90°之間。
(a) (b)
(c) (d)
圖 3(a)正地形開闊度示意圖。(b)負地形開闊度示意圖。(c)地形開闊度計算罩窗半 徑示意圖。(d)地形坡度示意圖。
圖 4 為本研究之紅色地圖調色盤，其中橫軸為地形開闊度(單位:度)，縱軸為地 形坡度(單位:度)，顏色配置參考(Chiba et al., 2008)之研究，即地形開闊度 90°到 90°
的顏色配置為白色(灰階值 255)漸層至黑色(灰階值 0)，這代表地形開闊度越佳之網 格點，應具有較多之光照，故顏色偏白色，反之地形開闊度越差之網格點，由於光 接收量少，故顏色應模擬為偏黑色；另一方面，地形坡度0°到 90°的顏色配置從白 色漸層至紅色(RGB 配色: 255,0,0)，這代表地形坡度越陡之網格，其色彩越偏紅色，
而較平緩之地形則偏白色。
圖 4 本研究紅色地圖調色盤，其中橫軸為地形開闊度(單位:度)，縱軸為地形坡度(單 位:度)。
利用上述地形開闊度與地形坡度計算方式，即可得到研究區域每個網格點之地 形開闊度與地形坡度值，再以圖 4 之紅色地圖調色盤作為配色標準，即可將各點地 形開闊度與地形坡度值對應至調色盤所指定的顏色，進一步產製出紅色地圖。此外，
本研究依照地形開闊度計算罩窗半徑(圖 3(d))之不同，共分為 8 個測試例，其分類 如表 1 所示，各測試例所計算得到之紅色地圖成果將於第四章分析比較。
表 1 測試例 1-測試例 8 之地形開闊度搜尋罩窗半徑 地形開闊度搜尋罩窗半徑(m) 測試例 1 200
測試例 2 400 測試例 3 600 測試例 4 800 測試例 5 1000 測試例 6 1200 測試例 7 1400 測試例 8 1600
四、研究成果
本文研究區域初步選定台灣太魯閣及其周邊區域(圖 5)，研究範圍為經度 121.35oE~121.60 oE 與緯度 24.10 oN ~24.25 oN 之間約 25km x 17km 之區域，選擇此 區域的原因為太魯閣地形相當崎嶇，不論高程與坡度變化均相當劇烈，故更能比較 出傳統地圖與紅色地圖呈現上的差異。此外，本研究使用之 DEM 為內政部 40m 規 則網格(網址：http://gps.moi.gov.tw/SSCenter/Introduce/ApplyContent.aspx)。圖 6 為研 究區域採用傳統方法繪製 DEM 之成果，包括圖 6(a)等高線圖、圖 6(b)分層設色圖、
圖 6(C)分層設色陰影圖與圖 6(d)分層設色陰影鳥瞰圖。這些圖均能清楚表現出研究 區域高程變化資訊，研究區域最低位於東邊立霧溪河谷地區，高程低於 500m，而 西邊中央山脈最高可達 3000m。除此之外，經由圖 6(a)圖中等高線圖的疏密，與(b)~(d) 等圖陰影與高程的分布，亦可輕易判斷出研究區域坡度的緩傾程度。然而由於這些
1200m 時(測試例 7 與 8)，所製成之紅色地圖與測試例 5 與 6 相比，並無太大差 異。
若進一步比較分層設色圖(圖 6(b)~(d))與本文紅色地圖(圖 9)繪製結果，可發現 由於傳統地形分層設色圖是利用 DEM 高程值去對應彩色值所製成，所能獲取的地 理資訊只有 DEM 的高程值(圖 6(b))，並無法在分層設色圖上獲取高程以外的地理資 訊，若輔以陰影圖套疊(圖 6(c))或以鳥瞰圖形式表達(圖 6(d))，確實能夠輔助判釋坡 度大小。然而若以圖 2 地形開闊度示意圖為例(點 A 與點 之高程與坡度值均相同，
但地形開闊度不同)。點 A 與點 不論在圖 6(b)、6(c)與 6(d)所呈現之色彩將完全一 致，這對地形判釋將產生誤差，例如山脊線、山谷線與集水分區並不容易由圖 6(b)~(d) 中觀察出。而本研究之紅色地圖(圖 9)，由於同時考慮地形坡度與地形開闊度，故 點 A 與點 在紅色地圖是呈現不同的顏色，這是紅色地圖獨有的優點，此優點能幫 助地圖使用者更容易以肉眼觀察地形的樣貌以進行地形判釋。
然而本研究自製之紅色地圖現階段亦有缺點，即無法直接從圖上觀察出每個網格點
然而本研究自製之紅色地圖現階段亦有缺點，即無法直接從圖上觀察出每個網格點