行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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多重感應器系統用於變形分析 (3/3)
Multi-sensor system for deformation analysis (3/3)
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計畫類別：□個別型計畫 ■整合型計畫 計畫編號：NSC 95－2221－E－009－353 執行期間： 94年8月1日至97年7月31日 計畫主持人：黃金維 執行單位：國立交通大學中 華 民 國 97 年 09 月 09 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
多重感應器系統用於變形分析(3/3)
Multi-sensor system for deformation analysis
計畫編號：NSC 95－2221－E－009－353 執行期限：94年8月1日至97年7月31日 主持人：黃金維 國立交通大學土木工程學系 協同計畫主持人：洪偉嘉 國立交通大學土木工程學系 計畫參與人員：程自強、盧玉芳 國立交通大學土木工程學系1. 前言
本 計 畫 是 以 多 重 感 測 系 統 對 雲 林 地 區 地 面 變 形 作 監 測，多 重 感 測 系 統 包 括 全 球 定 位 系 統(GPS)、 水 準 測 量 ， 磁 感 應 環 分 層 式 監 測 井 ， 重 力 測 量 和 干 涉 合 成 雷 達 測 量(INSAR)。 雲 林 地 區 由 於 地 下 水 之 過 度 使 用 已 造 成 了 嚴 重 的 地 層 下 陷 問 題 。 高 速 鐵 路(如 圖 1)在 雲 林 地 區 正 通 過 最 嚴 重 的 下 陷 中 心 ， 依 據 經 濟 部 水 資 源 局(2004) 之 監 測 研 究 報 告 ， 雲 林 地 區 2007年 的 最 大 年 平 均 下 陷 速 率 達8.2公 分 /年 （ 如 圖 2） ， 1992年 ～ 2007年 的 最 大 累 積 下 陷 量 超 過110公 分 以 上 （ 如 圖 3） ， 可 以 預 見 日 益 嚴 重 的 地 層 下 陷 問 題 將 對 國 家 百 年 大 計 之 高 鐵 工 程 的 行 車 安 全、營 運、維 修 投 入 不 可 預 期 的 變 數 。圖 1
2. 地層下陷監測方法
目 前 地 層 下 陷 技 術 可 分 為 五 大 類 ： （1） 水 準 測 量 （ 2） GPS 測 量（3）地 層 下 陷 監 測 井 測 量（ 4）重 力 測 量（ 5）INSAR技 術 ， 其 中 水 準 測 量 、GPS測 量 與 地 層 下 陷 監 測 井 在 技 術 上 相 對 較 為 成 熟 ， 且 目 前 已 應 用 在 實 際 監 測 上 ， 而 重 力 測 量 與INSAR技 術，則 仍 有 關 鍵 技 術 需 要 克 服 ， 因 此 以 下 將 分 為 三 個 部 分 來 說 明 ： （ 一 ） 水 準 測 量 、 地 層 下 陷 井 與GPS測 量 ： （ 二 ） 重 力 測 量 （ 三 ）INSAR測 量 2-1 水準測量、地層下陷井與GPS監測： （一）水準測量 圖4展 示 整 個 雲 林 地 區 的 水 準 網 、 GPS固 定 站 與 地 層 下 陷 監 測 井 的 分 佈 圖，水 準 網 由 經 濟 部 水 利 署 所 設 置，雲 林 地 區 水 準 測 量 範 圍 北 起 濁 水 溪 南 岸，南 至 北 港 溪 北 岸，東 至 林 內 鄉，西 至 沿 海 一 帶 。 整 個 水 準 檢 測 網 係 由53條 主 要 水 準 測 線 連 結 組 合 成 13 個 環 線 閉 合 網 ， 實 際 水 準 總 里 程 數 約 為430公 里 ， 平 均 每 1.5公 里 設 置 一 個 水 準 樁 ， 整 體 檢 測 面 積 達 到1087平 方 公 里 。 雲 林 地 區 的 下 陷 位 置 主 要 分 佈 在 中 山 高 速 公 路 以 西，因 此 整 個 網 形 的 基 準 點 設 置 在 東 側 麓 山 帶 的WR12， 監 測 網 檢 測 的 時 間 分 別 為2002、2003年、2005年、2006年 與 2007 年 共 5次 水 準 測 量。 水 準 測 量 所 使 用 之 儀 器 為Trimple Dini 11 之 一 等 精 密 水 準 儀 ， 測 量 實 施 前 ， 水 準 儀 皆 經 過CNLA認 證 之 實 驗 室 進 行 檢 校 合 格 。 外 業 測 量 時 ， 測 線 與 測 網 之 閉 合 差 皆 控 制 在3mm K ， 系 統 誤 差 則 進 行 視 準 軸 誤 差 與 地 球 曲 率 差 進 行 改 正，因 為 測 量 的 地 點 皆 在 平 地 ， 因 此 不 考 慮 正 高 改 正 ， 同 時 因 為 所 使 用 的 是 銦 剛 尺 ， 因 此 不 考 慮 水 準 尺 溫 度 改 正 與 刻 畫 改 正 。平 差 依 據(Hwang 2008) 之 解 算 方 法，平 差 前 先 使 用 Baada＇ s data snooping 先 進 行 除 錯，確 認 整 體 沒 有 粗 差 之 後，再 利 用 最 小 二 乘 法 進 行 平 差，五 次 的 水 準 測 量 成 果 如 表 1，由 表 1顯 示 ， 每 次 平 差 之 水 準 網 後 驗 中 誤 差 控 制 在 0.5~0.8 mm K 以 內，而 每 個 水 準 點 的 平 均 誤 差 ， 控 制 在3～ 4mm之 間 (表 1)。 利 用 相 鄰 兩 次 之 水 準 測 量 所 獲 得 之 水 準 點 相 減，獲 得 每 個 獨 立 水 準 點 之 下 陷 量 ， 依 據 地 質 統 計 的 方 法 （Peng and Shih 2002） 以 克 利 金 法 將 所 有 水 準 點 之 下 陷 量 內 插 成 下 陷 趨 勢 面 ， 再 以 MapInfo軟 體 計 算 出 整 體 下 陷 面 積 ， 依 據 每 年 之 水 準 測 量 成 果 ， 計 算 下 陷 面 積 如 表 2，套 疊 降 雨 量 與 持 續 下 陷 面 積 如 圖 5，由 圖 5 顯 示，2004年 台 灣 地 區 發 生 旱 災，當 時 地 下 水 源 補 助 不 足，而 地 面 又 大 量 抽 用 地 下 水，使 得 當 年 度 為 地 層 下 陷 最 為 嚴 重 之 一 年 ， 2005年 ～ 2007年，雨 量 回 復 正 常，使 得 地 下 水 源 獲 得 補 助 之 後 ， 整 體 下 陷 逐 漸 減 緩 。 圖 4 雲林地區水準網示意圖
表 1 水準測量統計分析表 時間 2002 2003 2005 2006 2007 測量里程數 （單位：KM） 240 299 392 423 434 觀測個數 154 166 243 304 316 水準點數 150 161 232 292 303 多餘觀測數 5 6 12 13 14 後驗中誤差 單位：mm√k 0.57 0.69 0.60 0.80 0.79 平均誤差 單位：mm 3.5 3.7 3.0 3.5 3.4 表 2：2002年～2007年持續下陷面積與最大下陷速率統計表 觀測期距 1. 200 2 2. 200 3 3. 200 5 4. 200 6 5. 200 7 最大下陷速率 (cm/年) 9.5 12.2 11.6 10.1 8.2 速率超過 (3cm/年)之 面積 （平方公 里） 610.5 703.1 678.6 557.1 551.5
圖 5：降雨量與持續下陷面積 (二)GPS測量 GPS 測 量 在 本 計 畫 中 主 要 分 為 兩 個 部 分 ： 1.Campaign GPS 2.Continuous GPS， 以 下 將 分 別 詳 細 說 明 ： A、Campaign GPS 本 計 畫 改 良 過 去GPS施 測 方 法 ， 利 用 強 制 定 心 、 定 平 與 固 定 高 之GPS監 測 樁 進 行 監 測 ， 以 降 低 人 為 誤 差 。 在 資 料 處 理 上 ， 使 用 L1 及 L2 相 位 觀 測 量 之 線 性 組 合 而 成 的 無 電 離 層 效 應 （Ionosphere-Free ） 相 位 觀 測 量 L3 來 消 除 電 離 層 的 影 響 ， 利 用 SAASTAMOINEN模 式 解 算 對 流 層 延 遲 量 ， 同 時 加 上 海 潮 改 正 與 使 用 精 密 星 曆 ， 控 制GPS高 程 測 量 精 度 達 到 2公 分 以 內 。 套 疊2003 年 10 月 ～ 2007 年 10 月 高 速 鐵 路 之 水 準 測 量 與 GPS 測 量 之 成 果 如 圖6， 由 圖 6顯 示 ， 水 準 測 量 與 GPS測 量 之 高 程 差 異 量 控 制 在1公 分 以 內 ， 兩 者 獲 得 之 下 陷 趨 勢 一 致 。 由 圖 形 顯 示 高 速 鐵 路 在 雲 林 地 區 整 體 呈 現 碗 狀 下 陷 ，2003 年 ～2007年 之 最 大 下 陷 速 率 分 別 為 -15.0公 分 /年 、 -10.6公 分 /年 、 -8.7公 分 /年，三 年 來 最 大 累 積 下 陷 量 達 到 -34.3公 分，由 以 上 數 據
顯 示，雲 林 地 區 之 地 層 下 陷，已 導 致 高 速 鐵 路 之 墩 柱 下 陷，雖 然 目 前 沒 有 立 即 的 危 險，但 若 長 期 持 續 下 陷，將 導 致 差 異 沉 陷，未 來 將 影 響 高 鐵 的 結 構 安 全 。
B、Continuous GPS 為 有 效 監 測 雲 林 地 區 的 下 陷 中 心，因 此 水 利 署 於 雲 林 內 陸 地 區 設 置GPS固 定 站 ， 24小 時 連 續 觀 測 地 層 下 陷 中 心 的 變 化 ， GPS 的 構 造 圖 與 現 地 照 片 如 圖7。 圖 7：雲林地區GPS固定站及其規格構造圖 （三）地層下陷監測井 地 層 下 陷 主 要 發 生 原 因 為 超 量 抽 水，空 隙 水 壓 升 高，導 致 地 層 壓 縮，因 此 利 用 多 層 次 的 磁 感 應 環 地 層 下 陷 監 測 井，在 不 同 土 層 深 度 埋 設 磁 感 應 環，透 過 不 同 時 間 量 測 感 應 環 的 深 度，將 可 監 測 地 底 下 不 同 的 土 層 壓 縮 量，因 此 高 鐵 沿 線 土 庫 地 區1口 300公 尺 的 地 層 下 陷 井（ 如 圖8）進 行 地 層 下 陷 監 測，監 測 的 頻 率 為 1個 月 1次 ， 以 釐 清 高 鐵 主 要 下 陷 機 制 。
圖 8：地陷監測井之量測儀器及構造圖 （四）監測成果 透 過 土 庫 國 中 之 水 準 測 量 、GPS固 定 站 與 地 層 下 陷 監 測 井 三 者 之 解 算 成 果 相 互 比 對 ， 如 圖9， 由 圖 中 顯 示 水 準 測 量 與 GPS固 定 站 之 成 果 相 當 一 致，但 其 下 陷 量 都 明 顯 大 於 地 層 下 陷 監 測 井 ， 分 析 土 國 國 中 之 地 層 下 陷 監 測 井 之 數 據 如 圖10，由 圖 中 顯 示，主 要 的 壓 縮 深 度 發 生 在 地 下200公 尺 以 下 ， 該 深 度 之 土 層 主 要 為 砂 層 與 泥 層 之 薄 層 相 互 交 疊 而 成 ， 因 此 只 要 抽 水 ， 因 為 厚 度 較 薄 ， 會 有 快 速 壓 縮 的 效 果，因 為 監 測 井 之 深 度 為300公 尺，在 計 算 上 ， 300公 尺 點 位 固 定 為 0， 使 得 300公 尺 以 下 無 法 量 測 ， 所 以 研 判 該 地 區 在 土 壤 的 深 層 有 集 中 抽 水 。 分 析 沿 著 高 速 鐵 路 之 四 口 監 測 井 的 壓 縮 比 例 如 表3， 發 現 在 虎 尾 與 土 庫 地 區 之 圖 層 壓 縮 量 ， 在200公 尺 以 上 ， 僅 佔 28％ ， 也 就 是200公 尺 以 下 的 土 層 壓 縮 佔 70％ 以 上 ， 因 此 未 來 如 果 能 夠 有 效 控 制 該 地 區 深 地 層 的 土 層 壓 縮，就 可 以 有 效 降 低 地 表 面 之 下 陷 量 。
圖 9：土庫國中之水準測量、GPS固定站與地層下陷監測井三者之解算成
果
表 3：Ratio (in %) between compaction at depths 0 -200 m and total compaction
Depth range (m) HWSH TKSH YCSH KCSH
0- 70 14 10 7 10 0-150 28 24 36 43 0-200 28 28 48 60 2-2 重力監測 本 研 究 利 用 絕 對 重 力 測 量 來 觀 測 台 灣 西 部 沿 海 地 層 下 陷，選 定 雲 林 縣 地 層 下 陷 較 顯 著 地 區 之 同 安 國 小(TAES)進 行 長 時 間 觀 測 ， 見 圖11。 觀 測 分 為 2004年 10月 、 2005年 4月 、 2005年 12月 與 2007年 4月 四 次 時 段 進 行 ， 各 次 觀 測 成 果 詳 見 表 4， 自 2004年 10 月 至2007年 4月 止 ， 重 力 值 變 化 為 58.68±2.78μGal， 見 圖 12。 表 4：同安國小(TAES)四次絕對重力觀測成果表(μGal)
DATE GRAVITY SET SCATTER MEAS. PRECISION
Oct-04 978867746.947 10.844 2.261
Apr-05 978867764.720 18.933 2.007
Dec-05 978867771.669 17.715 2.505
圖 11：同安國小(TAES)絕對重力觀測位置圖
Time Series of Absolute Gravity at TAES
978867746.947 978867764.720 978867771.669 978867805.628 978867740 978867750 978867760 978867770 978867780 978867790 978867800 978867810 Oct -0 4 Dec -04 F eb-05 Ap r-05 Jun -05 Au g-05 Oct -0 5 Dec -05 F eb-06 Ap r-06 Jun -06 Au g-06 Oct -0 6 Dec -06 F eb-07 Ap r-07 TIME Gr avi ty ( m icro -G al) 圖 12：同安國小(TAES)絕對重力值時變圖
另 外 以Lacoste & Romberg Graviton EG 相 對 重 力 儀 (S/N 1184)與 Scintrex CG-5相 對 重 力 儀 (S/N 137)作 相 對 重 力 網 之 觀 測 ， 見 圖13 ， 各 相 對 重 力 站 之 重 力 值 是 FG5 絕 對 重 力 點 (TAES) 之 觀 測 成 果 為 固 定 點 作 平 差 與 化 算 而 得 ， 分 別 於2004年 12月 、 2005年 4月 、 2005年 12月 、 2006年 7月 、 2006年 11月 與 2007年 4月 共 計 六 次，由 於 海 洋 波 浪、風 以 及 地 農 工 業 與 交 通 活 動，使 得 相 對 重 力 觀 測 量 的 隨 機 誤 差 比 位 於 安 靜 的 環 境 下 要 高 出 約 十 倍 之 多，環 境 噪 聲 所 產 生 的 影 響 量 級 高 過 觀 測 精 度，經 過 增 加 多 於 觀 測 量 後 ， 精 度 已 有 明 顯 改 善 ， 見 表5， 但 對 重 力 觀 測 量 化 算 至 垂 直 變 動 量 時 ， 未 能 通 過 顯 著 測 試 （99%信 水 平 ） ， 因 此 必 須 更 進 一 步 研 究 改 善 方 法 ， 屆 時 本 計 畫 主 持 人 黃 金 維2007年 7月 將 參 加 義 大 利-佩 魯 賈 IUGGIUGG 第 24屆 大 會 ， 與 國 際 重 力 與 地 球 科 學 方 面 之 專 家 進 行 討 論，以 改 進 本 計 劃 之 研 究 結 果，各 相 對 重 力 點 位 年 變 化 率 詳 見 表6。 圖 13：雲林地層下陷區相對重力點位分布圖
表 5：雲林地層下陷區相對重力點標準偏差成果表(μGal) TIME POINT 2004/12 Graviton EG 2005/4 Graviton EG 2005/12 CG-5 2006/7 CG-5 2006/11 CG-5 2007/04 Graviton EG DKES 57.946 36.291 21.679 11.974 10.350 7.763 G041 41.360 31.370 19.356 13.866 10.363 6.546 G049 66.030 59.228 19.006 11.970 10.184 7.425 I025 44.099 28.917 19.109 12.620 8.633 7.701 JYES 42.084 39.184 19.646 12.613 10.172 7.426 PKBD 40.819 33.753 19.446 9.967 9.078 7.022 WTES 39.942 29.245 19.493 13.091 17.400 7.699 KTES 19.619 11.594 10.464 6.453 表 6：雲林地層下陷區相對重力點位變化表(μGal/year)
POINT adjusted gravity change STD (μGal)
DKES 133.35 58.46 G041 102.87 41.87 G049 28.83 66.45 I025 200.09 44.77 JYES -3.25 42.73 PKBD 78.77 41.42 WTES 76.35 40.68 KTES 35.25 20.65 2-3 INSAR監測 以 衛 星 雷 達 差 分 干 涉 量 測 雲 林 地 層 下 陷 研 究 上，衛 星 資 料 是 以 歐 洲 太 空 總 署 發 射 之ERS-2衛 星 所 擷 取 之 雷 達 影 像 維 主 要 資 料 來 源，篩 選 出 衛 星 軌 道 基 線 差 較 小 的 影 像 對，進 行 雷 達 差 分 干 涉 測 量 ， 觀 測 雲 林 地 層 下 陷 的 變 形 。 影 像 擷 取 範 圍 為 Track/Frame:232/3123圖 福 分 析 區 ， 如 圖 14。 在 差 分 干 涉 的 計 算 中，有 許 多 因 素 會 影 響 相 位 因 而 導 致 地 表 變 形 計 算 之 誤 判。其 中，影 響 最 顯 著 的 為 衛 星 軌 道 誤 差 及 非 穩 定 性 的 誤 差。衛 星 軌 道 誤 差 會 在 差 分 干 涉 圖 中 產 生 明 顯 平 行 排 列 之 干 涉 條 紋，嚴 重 影 響 資 料 計 算。因 此，本 研 究 採 用 荷 蘭Delft大 學
所 提 供 之Envisat精 密 軌 道 參 數 以 消 除 此 項 誤 差。而 非 穩 定 性 的 誤 差 包 含 了 兩 大 類：第 一 類 誤 差 是 隨 機 的 雜 訊、沒 有 特 定 分 佈，像 是 數 值 高 程 模 型(DEM, Digital Elevation Model)、 SAR處 理 過 程 及 影 像 本 身 所 造 成 的 誤 差；第 二 類 非 穩 定 性 的 誤 差 主 要 來 自 大 氣 的 遲 滯 效 應。雷 達 波 雖 然 可 以 穿 透 大 氣 中 的 雲、霧 及 水 氣，但 卻 可 能 使 雷 達 波 傳 遞 延 遲 ， 因 而 造 成 計 算 時 的 誤 差 。 為 降 低 前 述 差 分 干 涉 計 算 時 可 能 造 成 之 誤 差 ， 本 研 究 採 用 2006年 9月 21日 至 2007年 6月 28日 ， 共 計 8幅 之 Envisat影 像 進 行 配 對 。 配 對 條 件 設 定 為 垂 直 基 線 長 小 於300米 ， 共 計 產 生 13組 影 像 對(影 像 對 之 規 劃 表 及 規 劃 圖 如 圖 15)。 資 料 處 理 部 分，本 計 畫 使 用Diapason軟 體 以 二 軌 跡 法 解 算 差 分 干 涉 資 料，並 加 入 農 航 所 提 供 之40米 空 間 解 析 DEM，藉 以 消 除 地 形 效 應、並 且 將 此 差 分 干 涉 資 料 進 行 解 相 位。另 外，應 用 水 準 測 量 得 到 之 相 對 穩 定 點 ， 做 為 差 分 干 涉 資 料 相 位 回 覆 後 之 基 準 點 。 最 後 將 此13組 相 位 回 覆 後 之 地 表 變 形 成 果 疊 加 ， 求 解 2006 年 至2007年 之 平 均 地 表 下 陷 率 (圖 16)。 結 果 顯 示 ， 雲 林 地 區 地 表 下 陷 如 盆 地 形 狀 、 最 高 下 陷 率 於 元 長 鄉 達10公 分 /年 。 資 料 驗 證 方 面 ， 我 們 分 別 對DInSAR及 水 準 測 量 結 果 切 A-B 及C-D 兩 剖 面 進 行 比 對 ， 剖 面 位 置 如 圖 16 ～ 17, 剖 面 資 料 如 圖 18。 由 DInSAR及 水 準 測 量 結 果 之 剖 面 資 料 比 對 得 知 ， 兩 者 求 得 之 地 表 垂 直 位 移 率 只 有1至 2公 分 的 差 距。根 據 兩 者 地 表 垂 直 位 移 率 之 差 距 得 知，衛 星 軌 道 誤 差 及 非 穩 定 性 的 誤 差 在 計 算 中 已 被 大 致 消 除 。 特 別 值 得 注 意 的 是 ， 我 們 在DInSAR地 表 垂 直 位 移 率 的 成 果 觀 察 到 許 多 清 楚 且 變 形 率 較 小 的 地 區(圖 15)， 但 水 準 測 量 卻 未 偵 測 到 此 項 結 果(圖 18)，此 一 特 性 顯 示 DInSAR於 地 層 下 陷 監 測 之 高 空 間 解 析 。
圖 14：(track/frame)232/3123圖幅
圖 16：D-INSAR量測之下陷速率圖（期距：2006-2007）
3. 結論
本 研 究 己 完 成 計 畫 書 所 提 的 有 關 水 準,GPS 重 力 及 INSAR 技 術 開 發,及 應 用 到 雲 林 地 層 下 陷 監 測 。
本 研 究 成 果 已 整 理 成 期 刊 及 研 討 會 論 文 如 下 ： SCI Paper：
(a) Hwang C, WC Hung, and CH Liu, Results of geodetic and geotechnical monitoring of subsidence for Taiwan High Speed Rail operation, Natural Hazards, in press, 2008, DOI 10.1007/s11069-007-9211-5
(b) Wei-Chia Hung, Cheinway Hwang, Chung-Pai Chang, Jiun-Yee Yen,Chih-Hsi Liu, Wan-Huei Yang Monitoring severe subsidence in Taiwan by multi-sensors: Yunlin, the southern Choushui River Alluvial Fan, accepted, Environmental Geology, 2008(SCI)
(c) Cheinway Hwang, Tze-Chiang Cheng, C.C. Cheng, Wei-Chia Hung, Land subsidence using absolute and relative gravimetry: A case study in central Taiwan, s accepted, survey review, 2008(SCI)
Conference Paper：
(a) Hwang, C, TC Cheng, WC Hung and YF Lu, Integrated monitoring of surface deformation over Central Taiwan using GPS, leveling, INSAR and gravimetry, 2007, invited speech, 4th Annual meeting of AOGS , Bangkok, July 30–August 4, 2007
(b) Wei-Chia Hung, Cheinway Hwang, Chung-Pai Chang, Jiun-Yee Yen,Chih-Hsi Liu, Inter-comparison of
multi-sensor results for high-speed rail risk analysis, AGU fall meeting, San Francisco, December 10-14, 2007.
(c) Cheinway Hwang, Wei-Chia Hung, Chung-Pai Chang, YF Lu ,Vertical displacements over Yunlin and
Choshui River Alluvial Fan from leveling, GPS, multi-leveling well and DInSAR. Proceedings of the 27th Survey Symposium: 1493-1513, September 5-6, 2008.
4. 參考文獻
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