衛星定位技術應用於潛在大規模崩塌之地表位移研究

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(1)國立臺灣師範大學文學院地理學系空間資訊碩士在職專班碩士論文 Continuing Education Program of Geospatial Information Science Department of Geography College of Liberal Arts. National Taiwan Normal University Master’s Thesis. 衛星定位技術應用於潛在大規模崩塌之地表位移研究 A Study on GNSS Surveying for Land Surface Displacement in the Potentially Large-scale-landslide Area. 陳清福 Chen, Ching-Fu. 指導教授：王聖鐸博士、謝有忠博士. 中華民國 109 年 1 月.

(2) 致謝感謝師大給我這一個良好的學習環境，以及「良師益友」王聖鐸老師與謝有忠博士，在百忙之中仍不吝撥出時間給予指導，讓我有機會將多年計畫執行的過程與心得做一次系統性的整理，並檢視自己的不足與再成長的空間。飲水思源，回想起 101 年時，在「大規模崩塌簡易監測」的概念剛萌芽的階段，感謝成功大學林慶偉教授與成大防災中心李心平副主任給我參與這個計畫的機會，並從中不斷的指導與督促；以及在整個過程中大力支持這項計畫的地質調查所長官們，包含費立沅組長、侯建雄組長、陳勉銘簡任技正、謝有忠技正等，才能逐漸發展出現今的作業模式與系統規模。因緣際會下，透過哲銘老師的介紹，讓我在屆臨知天命之年，開啟了師大兩年半的學習生涯；來自四面八方同學們的互相砥礪，讓我又重拾求學的樂趣；感謝所有跟我一起多年投入這項計畫的伙伴們，包含維興科技公司的同仁們對系統穩定性的維持以及沒日沒夜的資料處理、學弟彭念豪與賴建邑在自動化系統開發的大力協助、中央研究院陳宏宇博士在資料解算的指導，以及臧運忠博士與蔡元融博士在我論文撰寫的過程中所提供諸多大規模崩塌的意見與指導；更令我感念的是離世的摯友張宇徵，與我一同在計畫初始階段胼手胝足建立系統架構的付出。很慶幸這一路走來，有這麼多貴人的協助，讓我在工作與學業各方面都能有滿滿的收穫。還要感謝我最親愛的家人的包容與支持，讓我在工作之餘能無後顧之憂的完成師大的學業。最後，謹以此論文獻給我摯愛的雙親，尤其是已經遠離我們的父親，也是我的人生導師，在他人生最後階段中，依然不斷的關心我、鼓勵我，讓我能夠順利完成這一份論文。.

(3) 摘要因臺灣的地理位置與地質條件，坡地土砂災害幾乎年年發生，而在民國 98 年莫拉克颱風期間出現的複合型土砂災害，更是以大規模崩塌(或稱深層崩塌)所引起的災害最令國人關注。對於大規模崩塌潛勢區之觀測，因滑動體範圍大，且同時會有不同滑動體之情形，難能有完整系統監測。因此中央地調所於民國 101 年開始，選定具潛在活動性之潛在大規模崩塌區位進行觀測工作的規劃與設置。針對選定的邊坡佈設全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)，持續觀測坡面位移並據以分析。希冀透過該計畫的推動與成果的分析提供未來國內各相關機關在潛在大規模崩塌觀測可採用的設備與方法，以供評估崩塌活動性與風險之參考。自此本研究開始投入此一作業方法的研發，包含衛星接收儀的硬體架構、主機自動化作業模式的開發、太陽能發電系統的整合、通訊方式的整合與應用、資料的解算與分析、成果的視覺化呈現，以及整體標準作業流程的自動化，皆在此計畫中逐一引進並逐步整合為一於坡面獨立自主的作業系統，後續此一概念更廣為各單位引用，例如水土保持局、農委會林務局等，證明其可行性已廣為各單位接受。本研究針對竹林坡面的觀測數據可以清楚的了解潛勢區在降雨期間與位移量，透過兩者的比較，除釐清坡面整體運動型態外，更可掌握不同塊體間的相對運動型態；這些資料可做為後續細部觀測、地質分析等應用之參考依據。為提高對防災決策提供更實質的幫助，未來系統優化的方向應該朝提高觀測資料呈現的密度，甚至可以達到每五分鐘解。然而地表位移變化應具有多種因素影響而產生，如突然性的地殼變動、雨季與非雨季的周期變化以及降雨後的入滲量等現象，精確的作法應為綜合這些現象與位移的時間序，整合分析不同成因所代表之數學模式，進而了解各個坡面特殊的運動型態，提供作為警戒值訂定的參考。關鍵詞：衛星定位、潛在大規模崩塌、地表位移 II.

(4) Abstract Slopeland sediment disaster occurs frequently due to geographical location and geological conditions of Taiwan. Typhoon Morakot triggered a compound disaster in 2009 that the large-scale landslide (deep-seated landslide) dragged the most attention. It is difficult to setup a complete monitoring system because of the size and multiple moving masses of potential large-scale landslides. Therefore, the Central Geological Survey started a project to build up observation systems to clarify the status of potential large-scale landslides with potential activity since 2011. Global Navigation Satellite System (GNSS) was selected to analyze continuous surface displacement of the potential large-scale landslides. The purpose of the project was to provide a better monitoring solution including equipment and methods evaluating the activities and risks of potential large-scale landslides. The research and development of the observation system has been started since the project mentioned above. The observation system includes hardware structure of the GNSS receiver, automatic operation mode, solar power systems integration, communication integration and application, data processing and analysis, and visualization of the results. The overall standard operating procedures have been introduced one by one and gradually integrated into an independent and automatic operating system. This concept has been widely adopted by various units, such as the Soil and Water Conservation Bureau, the Forestry Bureau and so on. The feasibility of the operating system has been widely accepted by all the units. In this study, the observational displacement data and rainfall data at ChuLin slope were used. By comparing the two dataset, the motion pattern of the slope was well clarified.. In addition, relative motion patterns between different blocks. on the slope was also quantified. These data can also serve as an important reference for detailed observations, geological analysis and further application. III.

(5) In order to contribute to disaster prevention decision making processes, the optimization of future system should aim at increasing the density of observational data, which can even produce results every five minutes. However, landslide displacement is controlled by many factors such as sudden crustal changes, periodic changes in the rainy and non-rainy seasons, and infiltration after rainfall. The proper method is to synthesize the time series of these phenomena and displacement and to integrate and analyze the mathematical models represented by different causes. By doing so, the unique movement patterns of each slope could be understood and applying for defining the warning criteria. Key Words：GNSS Surveying, Land Surface Displacement, Potentially Large-scale-landslide Area. IV.

(6) 目錄摘要 .................................................................................................................. II Abstract ............................................................................................................ III 目錄 .................................................................................................................. V 圖目錄 ............................................................................................................ VII 表目錄 .............................................................................................................. X 壹、前言 ........................................................................................................... 1 1.1 背景 .................................................................................................................................. 1 1.2 動機與目的 ...................................................................................................................... 4 1.3 研究架構 .......................................................................................................................... 5. 貳、文獻回顧.................................................................................................... 7 2.1 潛在大規模崩塌定義 ...................................................................................................... 7 2.2 國內大規模崩塌案例 ...................................................................................................... 8 2.3 潛在大規模的調查 ........................................................................................................ 12 2.4 潛在大規模的監測 ........................................................................................................ 13 2.5 GNSS 於地表活動觀測的應用 ..................................................................................... 17 2.6 以單頻 GNSS 接收機進行斷層監測之評估 ................................................................ 20 2.7 全球衛星定位與自動化監測系統在坡地防災之應用 ................................................ 22. 參、研究方法.................................................................................................. 25 3.1. 潛在大規模崩塌 GNSS 觀測系統建置 ...................................................................... 25 3.1.1.崩塌地之選定以竹林崩塌地為範例說明 ........................................................................ 26 3.1.2.設備配置 ............................................................................................................................. 28 3.1.3.大規模崩塌坡面觀測點位施作 ......................................................................................... 29 3.1.4 坡面設備演進歷程 ............................................................................................................. 31. 3.2 潛在大規模崩塌區觀測資料解算與分析 .................................................................... 35 3.2.1.作業自動化流程 ................................................................................................................. 35 V.

(7) 3.2.2.資料蒐集與解算流程 ......................................................................................................... 36 3.2.3.資料解算軟體 BERNESE 說明.......................................................................................... 38 3.2.4.資料解算成果之品質管制 ................................................................................................. 40. 肆、成果與討論 .............................................................................................. 42 4.1 觀測成果說明 ................................................................................................................ 42 4.2 坡面位移成果分析 ....................................................................................................... 42. 伍、結論 ......................................................................................................... 61 陸、未來展望.................................................................................................. 62 參考文獻 ......................................................................................................... 64. VI.

(8) 圖目錄圖 1-1、莫拉克颱風造成小林村之災害 (Chen, et al., 2011) .......................... 1 圖 1-2、大規模崩塌潛勢區之調查 (何岱杰等，2014) .................................. 2 圖 1-3、潛在大規模崩塌區調查成果圖(謝有忠等，2019)............................. 3 圖 1-4、觀測點位及觀測成果(經濟部中央地質調查所，2019) ..................... 4 圖 1-5、研究流程圖 ......................................................................................... 6 圖 2-1、大規模崩塌定義與特性 ...................................................................... 7 圖 2-2、草嶺深層崩塌-SPOT 衛星(SPOT Image，國立中央大學太空及遙測研究中心 1999/09/31) ..................................................................................... 10 圖 2-3、南投九份二山深層崩塌案例-2000/10/01 航空攝影照片(行政院農業委員會水土保持局，2000) ............................................................................. 10 圖 2-4、小林村深層崩塌案例-福衛二號 2009/08/24 拍攝影像 (國家太空中心，2009) ........................................................................................................ 11 圖 2-5、國道 3 號南下 3.1 公里之大規模崩塌 (內政部空中勤務總隊， 2010/04/25) ...................................................................................................... 11 圖 2-6、大規模崩塌微地型特徵示意圖(何岱杰等，2014)........................... 12 圖 2-7、典型材料應變曲線(Goodman,1989；齊藤迪孝，1981) .................. 13 圖 2-8、應變速率與破壞時間關係圖(齊藤迪孝 1981) ................................. 14 圖 2-9、地表伸縮計之配置方式 (王文能，2016) ........................................ 15 圖 2-10、地表傾斜計之配置方式 (王文能，2016) ...................................... 16 圖 2-11、GNSS 觀測站之年速度場(經濟部中央地質調查所，2018) .......... 18 圖 2-12、集集大地震造成的地殼位移(內政部國土測繪中心 1999) ........... 19 圖 2-13、單頻與雙頻衛星接收儀解算精度之比較(中央研究院 2019) ....... 21 圖 2-14、單頻與雙頻衛星接收儀解算速度場之比較(中央研究院 2019) ... 22 VII.

(9) 圖 2-15、GPS 多天線開關(GMS)示意圖 ....................................................... 23 圖 2-16、多天線系統的差分定位結構 .......................................................... 23 圖 2-17、多天線系統監測成果 ...................................................................... 24 圖 3-1、潛在大規模崩塌 GNSS 觀測坡面分布略圖 ..................................... 25 圖 3-2、竹林 D009 崩塌地位置圖(中央地質調查所 2012) .......................... 27 圖 3-3、竹林 D009 崩塌地崩崖判釋圖(中央地質調查所 2012) .................. 27 圖 3-4、崩崖切過道路，地形上形成明顯高差(中央地質調查所 2012) ..... 28 圖 3-5、簡易大規模崩塌坡面觀測點位施作示意圖 ..................................... 30 圖 3-6、崩塌坡面觀測 GNSS 天線柱施作示意圖......................................... 30 圖 3-7、GNSS 觀測站 .................................................................................... 31 圖 3-8、稜鏡站 ............................................................................................... 31 圖 3-9、GNSS 觀測站 .................................................................................... 33 圖 3-10、現地觀測站設備示意圖 .................................................................. 33 圖 3-11、坡面觀測自動化作業系統流程 ...................................................... 35 圖 3-12、自動化產出流程 .............................................................................. 36 圖 3-13、一日解算成果 .................................................................................. 37 圖 3-14、一小時解算成果 .............................................................................. 38 圖 3-15、Bernese 軟體資料處理流程(葉大綱，2005) .................................. 39 圖 3-16、視覺化成果呈現 .............................................................................. 40 圖 3-17、自動化系統發展歷程 ...................................................................... 41 圖 4-1、D009 竹林崩塌地平面位移向量圖 ................................................... 43 圖 4-2、D009 竹林崩塌地高程位移向量圖 ................................................... 44 圖 4-4、0902 位移趨勢成果 ........................................................................... 46 圖 4-5、0903 位移趨勢成果 ........................................................................... 47 VIII.

(10) 圖 4-6、0904 位移趨勢成果 ........................................................................... 48 圖 4-7、0905 位移趨勢成果 ........................................................................... 49 圖 4-8、0906 位移趨勢成果 ........................................................................... 50 圖 4-9、0907 位移趨勢成果 ........................................................................... 51 圖 4-10、0908 位移趨勢成果 ......................................................................... 52 圖 4-11、0909 位移趨勢成果 ......................................................................... 53 圖 4-12、0910 位移趨勢成果 ......................................................................... 54 圖 4-13、0911 位移趨勢成果 ......................................................................... 55 圖 4-14、0912 位移趨勢成果 ......................................................................... 56 圖 4-15、2016 年 9 月份降雨與位移關聯性.................................................. 58 圖 4-16、2017 年 7 月份降雨與位移關聯性.................................................. 59 圖 4-17、2018 年 8 月份降雨與位移關聯性.................................................. 60. IX.

(11) 表目錄表 1-1、潛在大規模崩塌區調查成果表(謝有忠等，2019)............................. 2 表 2-1、國內近年大規模崩塌案例彙整表 ...................................................... 9 表 3-1、潛在大規模崩塌坡面之編號與行政地名對照表 ............................. 26 表 3-2、本研究於民國 101 年潛在大規模崩塌觀測設備數量統計表 .......... 29 表 3-3、設備整合與作業方式之發展歷程 .................................................... 32 表 3-4、觀測系統功能改善歷程 .................................................................... 34 表 3-5、GNSS 系統功能 ................................................................................ 34 表 4-1、D009 潛在大規模崩塌觀測累積位移量統計表 ............................... 42 表 4-2、D0912 累積降雨前後日平均位移速率對照表(mm/日).................... 57. X.

(12) 壹、前言 1.1 背景因臺灣的地理位置與地質條件，坡地土砂災害幾乎年年發生，而在民國 98 年莫拉克颱風期間出現的複合型土砂災害，包含淺層地滑、土石流、深層崩塌等(圖 1-1)，其中更是以大規模崩塌(或稱深層崩塌)所引起的災害最令國人關注。. 圖 1-1、莫拉克颱風造成小林村之災害 (Chen, et al., 2011) 為避免再次的大規模崩塌災害，經濟部中央地質調查所爭取於莫拉克颱風災後重建特別預算項下完成「莫拉克颱風受災區域之地質敏感特性分析」計畫。運用空載雷射掃瞄(LiDAR)技術所完成受災區域高精度的數值地形模型，配合既有調查成果、衛星影像與航空照片等，進行山崩與土石流等坡地環境地質因子判釋與地形變異、地質特性分析，並針對潛在大規模崩塌潛勢區進行初步的調查與分析工作(圖 1-2)。 1.

(13) 圖 1-2、大規模崩塌潛勢區之調查 (何岱杰等，2014) 調查計畫自民國 99 至 104 年依行政區劃分逐步進行(圖 1-3)，大致可劃分為北部：台北市、新北市、桃園市、新竹市；中部：苗栗縣、台中市、彰化縣、南投縣、雲林縣、嘉義縣；南部：台南市、高雄市、屏東縣；東部：宜蘭縣、花蓮縣、台東縣；共判釋出 1,207 處潛在大規模崩塌地區，其中 113 處鄰近 103 個聚落(表 1-1)。若以此比例估算全國之分布情形，全臺潛在大規模崩塌個數粗估將達 5,000~6,000 個，其中發生潛勢高之潛在大規模崩塌區可達 750 個，鄰近聚落(或有保全對象)崩塌地有 150 個。在這樣的數量下，逐一調查與追蹤恐面臨實際推動之重大困難。表 1-1、潛在大規模崩塌區調查成果表(謝有忠等，2019) 調查範圍. 南部. 中部. 東部. 北部. 東部. 東部& 北部. 調查年份. 99. 100. 101. 102. 103. 104. 潛在大規模崩塌數量(處). 185. 225. 192. 116. 279. 210. 鄰近聚落崩塌地 (處). 13. 27. 16. 16. 22. 19. 鄰近聚落潛勢區面積(公頃). 987. 1,310. 858. 1,386. 886. 1,317. 影響聚落(處). 11. 13. 18. 18. 24. 19. 2.

(14) 圖 1-3、潛在大規模崩塌區調查成果圖(謝有忠等，2019). 3.

(15) 1.2 動機與目的國內過去針對大規模崩塌觀測絕大部分都是採用地表下的觀測方式，相對需要較多時間與經費進行設備安裝，缺乏對簡易型地表大規模崩塌觀測技術與設備的探討，因此中央地調所與「莫拉克颱風受災區域之地質敏感特性分析」執行團隊於 101 年開始選定具潛在活動性之潛在大規模崩塌區位進行觀測工作的規劃與設置，希望透過相關應用所需進行軟硬體研發，從實務應用中，帶動國內相關產業的發展，並經由不斷累積經驗與技術，建立一套地表觀測的標準作業模式。中央地質調查在該計畫中共選定的 7 處邊坡透過全球導航衛星系統 (Global Navigation Satellite System, GNSS)設備的設置與觀測資料的蒐錄與分析，希望透過 GNSS 具備可持續觀測不間斷以及高精度的特性，朝向近即時解算位移成果的目標，提供未來國內各相關機關在潛在大規模崩塌觀測可採用的設備與方法，以供評估崩塌活動性與風險之參考(圖 1-4)。. (a)D009 竹林崩塌地觀測分布圖. (b)D009 竹林崩塌地位移向量圖. 圖 1-4、觀測點位及觀測成果(經濟部中央地質調查所，2019) 4.

(16) 1.3 研究架構針對應用衛星定位於地表變形之觀測之應用方面在國內已經相當廣泛與成熟，例如中央研究院、交通部氣象局、中央地質調查所皆大量使用於地殼變動與活動斷層監測，尤其中央研究院地球科學研究所更使用低價的單頻 GNSS 設備進行活動斷層觀測之研究，約 3~5 公里的範圍內可達到 10mm 等級的精度，這樣的分析成果，對於面積較大之潛在大規模崩塌區(面積超過 10 公頃)，確實提供觀測之可能性。為了解潛在大規模崩塌坡面之空間位移量與時間序的關係，首先完成現況調查與選址後，將單頻 GNSS 觀測系統安裝於坡面，完成設備建置後開始進行 GNSS 連續觀測，並計算出觀測對象之每日座標成果，再據以計算出時間序之座標變化量，也就是觀測對象之空間位移量。坡面 GNSS 觀測系統包含 GNSS 接收儀、天線、太陽能電力系統、4G 通訊設備、天線柱及儀器箱等，資料之分析則以自動化 GNSS 解算進行坡面位移監測；設計標準作業流程的目標是盡可能減少人力的花費、縮短規畫施工到正式運作的時間，並提高數據產出的即時性，同時確保成果的可靠度。解算方式採用廣為學界所認可的 BERNESE 軟體進行解算，針對解算成果進行粗差濾除後，再透過擬合曲線便於使用者以視覺化方式判讀位移趨勢。此外在小林村災害案例中，可以知道由莫拉克颱風因颱風引進旺盛之西南氣流所帶來之廣區域、高強度、長延時的降雨，為區域內深層、淺層等不同規模的崩塌、土石流、堰塞湖及淹水等不同類型的土砂災害之發生主因 (水土保持局，2017)。因此除 GNSS 系統外，同時於坡面安裝雨量觀測設備，以了解觀測對象之位移量與降雨量之間的相對應關係。本研究的內容包含在選定坡面進行 GNSS 及雨量觀測設備的安裝、觀測資料蒐集與整理，以及後續的 GNSS 解算與成果的可靠度分析，最後是觀測站的位移量計算與累積降雨量之間的相關性分析(圖 1-5)。. 5.

(17) 圖 1-5、研究流程圖 6.

(18) 貳、文獻回顧 2.1 潛在大規模崩塌定義國家防災中心定義大規模崩塌指「崩塌面積超過 10 公頃或土方量達十萬立方米或崩塌深度在 10 米以上的崩塌地」，是山區常見的地形演化過程，也就是受到造山運動而隆起的地層，在自然重力、水力作用下發生的弱化到破壞的現象。此類深層的崩塌，近於高速運動的地滑。大規模崩塌災害防治之推動，應以具有重大保全對象的地區為優先，亦即以崩塌發生時，可能直接導致保全對象受到「大規模災害」之處為對象(行政法人國家災害防救科技中心，2015)。. (本研究彙整編修). 圖 2-1、大規模崩塌定義與特性. 7.

(19) 2.2 國內大規模崩塌案例早期大規模崩塌被歸類於「走山」及「地滑」現象，其中最早進行全面性調查及防治的案例為梨山地區的地滑災害。民國 79 年 4 月 15 日梨山地區連日豪雨，發生地層滑動，面積達 230 公頃，導致臺七甲線路基坍滑交通中斷，同時地滑區內梨山賓館、臺八線國民旅社、活動中心及中部橫貫公路等產生不同程度的破壞，目前已投入多期排水及地滑防治工程，逐步收到成效。民國 88 年 921 地震造成草嶺及九份二山的大走山，則成為地震引致大規模崩塌最著名的案例。草嶺大崩山範圍內是一呈約 12°向西南傾斜之順向坡，坡面順沿層面發育。在有歷史記載的百餘年內，共發生五次大規模崩山 (李錫堤，2011)，歷次崩山活動，崩塌岩屑均曾堵塞河道形成天然壩，下游地區亦因後來天然壩之潰決而屢受災害。九份二山崩塌區位於南投縣國姓鄉大岸山向斜的西翼，是典型的順向坡地形，主要岩性組成為砂頁岩互層，崩塌土石大約有 3 千 6 百萬立方公尺，並堆積至下方的澀子坑溪溪谷中，形成三處堰塞湖(行政院農業委員會水土保持局，2000)。民國 98 年莫拉克颱風後，由於小林村的嚴重災情，以致更多相關學者及政府研究機構投注心力，針對大規模崩塌的調查、分析、模擬及機制探討等展開全面性的研究。國內的相關案例中，大規模崩塌調查資料及災情紀錄較齊全的有草嶺地滑等（參照表 2-1 及圖 2-2～2-5）。另外，在民國 99 年 4 月 25 日國道 3 號南下 3.1 公里之大規模崩塌，崩落的大量土石不僅阻斷交通，更造成 4 人不幸被掩埋罹難，如圖 2-5 所示。茲將國內案例分別敘述如下。. 8.

(20) 表 2-1、國內近年大規模崩塌案例彙整表. 調查區位置. 主要具古滑動調查調查區崩塌滑動傷亡範圍區曾附近曾地層地地深度人事 (公有災有災害形特 (公尺) 頃) 害歷歷史徵史. 地層傾角 (度). 雲林 39 人卓蘭草嶺縣古 400 有罹難層坑鄉. 有. 有. -. 12~15. 南投樟湖縣南投 39 人 102.5 坑頁有九份縣罹難岩二山. 有. 有. 34. 24. 高雄高雄糖恩 462 人小林市甲 59.2 山砂有罹難村仙區岩. 有. 有. 80. 20~30. 國道三號新北 3.1k 市處. 4人大寮 1.42 有罹難層. 無. 有. 15~20 12~15. 南投南投縣縣鹿和雅谷鄉地區. -. -. 桂竹有林層. 有. 有. -. 23. 南投縣南投紅菜縣坪. -. 100. 大坑有層. 有. 有. -. 13. 9. 坡腳是否切除. 誘發原因. 發生時間 (民國年). 有 921 地 (溪流) 震. 88. X. 921 地震. 88. X. 颱風豪雨. 98. 有地下水 (人為). 99. 921 地震. 88. 有 921 地 (溪流) 震. 88. X.

(21) 圖 2-2、草嶺深層崩塌-SPOT 衛星(SPOT Image，國立中央大學太空及遙測研究中心 1999/09/31). 圖 2-3、南投九份二山深層崩塌案例-2000/10/01 航空攝影照片(行政院農業委員會水土保持局，2000) 10.

(22) 圖 2-4、小林村深層崩塌案例-福衛二號 2009/08/24 拍攝影像 (國家太空中心，2009). 圖 2-5、國道 3 號南下 3.1 公里之大規模崩塌 (內政部空中勤務總隊， 2010/04/25) 11.

(23) 2.3 潛在大規模的調查何岱杰等(2014)為能系統找出區域內潛在的大規模崩塌，係利用高精度空載雷射掃瞄資料(產製日照陰影圖)和坡度圖(配合航照)等相關資料來進行微地形特徵的判釋，其大規模崩塌的微地形特徵如圖 2-6 所示。潛在大規模崩塌地形大致可以分為冠部、陷落區和隆起區，其主要特徵有主崩崖、次崩崖、冠部崩崖、冠部裂縫，反向坡與陷溝等線性構造。冠部是大規模崩塌發育的頭部，此區為張裂環境。坡面因拉張而發育較大落差者稱為冠部崩崖，較小者為冠部裂縫。陷落區為大規模崩塌主要材料來源，一般地貌會發育為似碗狀的凹谷地形。內部主要崩塌構造是主崩崖、次崩崖，若滑動體因圓弧滑動，可能造成坡面反轉(坡面朝上)，形成反向坡地形。主崩崖為大規模崩塌主要判釋特徵，為崩塌最主要的滑動面。次崩崖為大規模崩塌滑動體內部之崩崖，主要為舊崩崖。若崩塌區內存在許多次崩崖，坡面會呈階梯狀。隆起區為大規模崩塌趾部變形帶或崩塌堆積區。趾部變形帶主要應力狀態是壓應力，並呈現隆起狀。崩塌體內可見岩盤破碎變形。. 圖 2-6、大規模崩塌微地型特徵示意圖(何岱杰等，2014) 12.

(24) 2.4 潛在大規模的監測 Goodman(1989)指出潛變為材料處在一定的環境之下，受依固定外在應力作用的依時變形行為，而材料的潛變應變在應力解除後並不會完全恢復。典型的潛變依應變速率不同可分為以下三個階段，其結果與齊藤迪孝(1981) 邊坡應變與位移觀測可得到類似的結果(圖 2-7)： a.一次潛變階段或減速潛變階段(primary creep or transient creep)：潛變應變速率隨著時間的增加而減小的階段。 b.二次潛變階段或等速潛變階段(secondary creep or steady creep)：潛變應變速率幾乎維持定值的階段。 c.三次潛變階段或加速潛變階段(tertiary creep or accelerating creep)：潛變應變速率逐漸增加以致發生潛變破壞的階段。. 圖 2-7、典型材料應變曲線(GOODMAN,1989；齊藤迪孝，1981) Mitchell and Soga (2005) 提到材料在三軸潛變的過程中，所受外力作用的大小會隨著時間而影響材料變形的情況。將潛變曲線的應變對時間加以微分，可獲得潛變速率(creep rate)。當減速潛變的狀態結束之後，其潛變速率會進入一個定速的狀態(即潛變的第二階段)，然後再進入到破壞條件。所以，齊藤迪孝(1981)即透過應變速率與破壞時間的關係，分析不同總應力和不同材料下的破壞時間，實驗數據的統計顯示兩者間存在線性關係(圖 2-8)。 13.

(25) 圖 2-8、應變速率與破壞時間關係圖(齊藤迪孝 1981). 所以可以知道，若能掌握自然變坡的應變與位移動態，便能透過其應變與位移的速率來推估滑動主體發生材料破壞的時間。針對這些變形量即可利用各類設備來進行觀測與監測，在地表位移量部分，主要觀測目的為滑動塊體與不動點間移動量或是滑動體間之相對位移量，目前臺灣常用分為兩類，一為傳統之地表觀測，包含地表伸縮計、地表傾斜計等，另一類為地表變形之觀測，方法為單頻 GNSS 站網或是地表光達掃描等方式進行，可定時得到潛勢區之位移情形。 A.地表伸縮計地表伸縮計主要用於量測滑動體與不動點間之位移量，或是滑動體間之相對移動量，圖 2-9 所示為地表伸縮計之設置方式，可以看到透過(a)的設置方式可以量得滑動體之絕對移動量，而(b)之設置則可以知道相對移動量。此外可以透過數個伸縮計之串聯，配置如(c)所示，則可以得到沿主滑動面整體之絕對移動量及各滑動體之相對移動量與移動之時間差。而(d)之配置主要則是用於尚未確定滑動方式時使用。. 14.

(26) 圖 2-9、地表伸縮計之配置方式 (王文能，2016) B.地表傾斜計地表傾斜計之精度高，且可長時間定點量測，主要用來判定地滑之微小變化量或是確認活動性，一般來說需同時設置多組。就其目的來說可分為下列三類。 B.1.了解滑動方向：若是為了確認滑動方向，一般會設置 1-3 組傾斜計，分別設置於滑動體中央、頭部、趾部位置。 B.2.了解滑動面型態：若是為了滑動面之活動性，則須針對育觀測之滑動方向至少設置 3 組傾斜計，間距以 30-50 公尺為原則。 B.3.區分不同滑動體：若是為了區分潛勢區內不同滑動體，則須針對可能滑動體之中、上部各設置一組傾斜計。而就硬體上，傾斜計可分為水管式傾斜計、伺服加速度計、差位變動器、應變計等。除水管式外，都是將觀測之變位資料轉換為電子訊號進行記錄，而水管式則是需透過手動利用水準氣泡之調整進行量測。一般傾斜計之配置方式如圖 2-10 所示。但由於傾斜計之高精度，並不適用於變動量較大之地區，因為變動量容易超出儀器之量測範圍。. 15.

(27) 圖 2-10、地表傾斜計之配置方式 (王文能，2016) C.地表變形觀測針對地表變形觀測部分，一般可透過高精度測距儀、單頻 GNSS 紀錄器、位移樁、地表光達掃描等方式進行。此方法之精度低於地表伸縮計，因此多用於變位量已達某程度之地區。. 16.

(28) 2.5 GNSS 於地表活動觀測的應用全球導航衛星系統日益精良，不僅健行登山者利用掌上型 GNSS 定位器尋找方向，加裝了 GNSS 定位器的汽車也可以在都市叢林中自動導航。甚至當車子被竊時，也可以經由 GNSS 的幫助而尋回。在 2003 年對伊拉克的戰爭中，美國所發射的巡弋飛彈就是利用 GPS 導航，精準地命中目標，令人印象深刻。因此，目前世界各大強國莫不全力發展衛星定位科技。冷戰時期，蘇聯的全球導航衛星系統 GLONASS 曾與 GPS 互別苗頭，近年來，歐洲太空總署發展的伽利略系統(Galileo)與中國大陸的北斗衛星計畫，也想分食這塊大餅。目前各系統已經由國際民航組織 International Civil Aviation Organization, ICAO) 整合統稱為全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)。 GNSS 除了民生、國防的用途之外，在地球科學方面的應用，也有非常大的空間，尤其是近年來應用於地殼變形的監測，更有著不可取代的地位。傳統的三角或三邊測量儀雖然有非常高的精確度，但是由於儀器功能的限制，單次測量距離最遠不能超過 10 公里，再加上地形的影響，已無法滿足大地測量長基線的需求。而 GNSS 可測得測站三維座標和兩測點之間的基線長度變化，經誤差修正後可達毫米級的精確度，已逐漸取代傳統的大地測量，成為研究地殼變形的新利器。臺灣最早的 GNSS 觀測網，是由中央研究院地球科學研究所在 1990 年所建立的「臺灣全球衛星定位系統觀測網」。隨後經濟部中央地質調查所、臺灣大學地質科學系、中央大學地球科學系以及成功大學衛星資訊中心等單位，也開始建立臺灣區域性的 GNSS 觀測網。經過十多年來多次的重複觀測，已能大致了解臺灣現今地殼變形和能量累積的情形。為了解臺灣和菲律賓呂宋地區板塊邊界的變形情況，中央研究院於 1995 年 11 月與菲律賓火山及地震研究所在呂宋地區設立了 GNSS 觀測點。但由於臺灣的斷層密布，而大多數的觀測網點間距有數十公里之遙，所以難以獲知個別斷層的活動情形。 17.

(29) 為能即時掌握臺灣地區地殼變形的資訊，中央地質調查所又在 2002 年進行一個為期 5 年的全臺灣地殼觀測計畫，主要是建立密集的全球定位系統連續觀測網，每個固定站可全年連續接收衛星資訊，即時掌握地殼的變化 (圖 2-11) 。希望藉由密集的 GNSS 測量，並結合高精密的水準測量，估算當前的斷層滑移率，並與地層平均滑移率的紀錄進行比較，以評估個別斷層的地震潛勢。研究人員期待能獲得震前、同震及震後的地殼變形特性，以便更了解地震的震源機制與地殼應變能量的累積及釋放。. 圖 2-11、GNSS 觀測站之年速度場(經濟部中央地質調查所，2018). 集集地震造成沿車籠埔地表約 100 公里長的破裂，斷層兩側瞬間位移量達數公尺，導致建築物的損毀和人員的傷亡。為了解集集地震後的詳細地殼變化情形，各研究單位立即展開全球衛星定位的測量。比較震前與震後的資料，得知集集地震的同震範圍相當廣，包括苗栗以南、嘉義以北的地區，從西海岸到東海岸都有顯著的位移。根據地震後的資料顯示，車籠埔斷層南段約有 3 公尺的壓縮量，且往北逐漸增加，至車籠埔附近已達 8 公尺。 18.

(30) 整體而言，車籠埔斷層是一逆斷層，也就是在斷層傾斜面上方的上盤相對於斷層面下方的下盤有相對的抬升現象。因此車籠埔斷層西側的測點(位於斷層下盤)，主要往東方或東南方移動，而斷層東側的測點(位於斷層上盤）則往西北方移動。雖然 GNSS 測得的高程誤差較水平的大，但由於集集地震所造成的位移量非常大，利用 GNSS 所測得高程變化的趨勢也可代表斷層作用造成的地殼垂直變位的趨勢 (圖 2-12) 。. 圖 2-12、集集大地震造成的地殼位移(內政部國土測繪中心 1999) 19.

(31) 在車籠埔斷層東側上盤呈現上升現象，而西側下盤則普遍下降，在三義 -東勢-埔里地震帶西南側的點位都呈現上升的情形，而在東北側的點位則呈現不動或少量下降的情形。東側上盤抬升量向東急遽減小，距斷層線約 15 公里以東的日月潭及埔里-霧社地區已轉為下陷。斷層下盤都呈下陷現象，最大者位於斷層線附近達 0.3 公尺。埔里的虎子山是原本臺灣地理座標的起算原點，經這次地震已有 2.3 公尺朝西北方的水平位移及 0.6 公尺的下陷量。地殼變形與地震的醞釀是研究大地活動構造的重要課題，需要有先進的大地測量技術，提供大尺度、整體性、高精度的地殼變形觀測資料。地殼各塊體相對運動的不均勻性，或是活動構造帶累積變形孕育了地震。強震引起的應變釋放又在相當範圍內調整地殼局部變形狀態。地殼變形的累積、釋放和調整是孕震研究上需要釐清的課題。因此地殼變形量的估算和活動斷層活動性的評估亟待高精度的監測，以進一步建立斷層活動的變形行為。在地震研究領域，各國都充分利用 GNSS 快速發展的技術。臺灣地區斷層密布，想要監測地殼變形，布設密集的 GNSS 觀測網是一個可行的方法。目前中央研究院已在全臺設置 GNSS 的連續追蹤站，臺灣大學地質科學系以及中央地質調查所也積極從事 GNSS 地殼變形的定期或不定期監測。. 2.6 以單頻 GNSS 接收機進行斷層監測之評估低成本單頻連續 GPS 接收器在監測火山和滑坡活動以及補充雙頻接收器中的應用已證明可以產生穩定而準確的定位。在研究地殼變形時，監測站之間的相對距離可能從幾公里到幾十公里不等，因此差分單頻觀測無法模擬電離層延遲或其他與距離有關的誤差。自 2008 年以來，中央研究院地球科學研究所已經在台灣東南部部署了 55 個低成本的單頻連續站以及 52 個連續的雙頻站。所有單頻站都使用雙頻站進行了校正，以消除距離相關的誤差。比較來自 8 個同位的速度估計值，水平分量和垂直分量的差分別小於 3 mm / yr 和 6 mm / yr。尤其在 5 公里內 20.

(32) 的短基線，單頻接收儀與雙頻接收儀解算的基線精度趨於一致，如圖 2-13、圖 2-14，證明單頻與雙頻 GNSS 整合應用於監測斷層運動行為的可靠性。. 圖 2-13、單頻與雙頻衛星接收儀解算精度之比較(中央研究院 2019). 21.

(33) 圖 2-14、單頻與雙頻衛星接收儀解算速度場之比較(中央研究院 2019). 2.7 全球衛星定位與自動化監測系統在坡地防災之應用交通部運輸研究所於民國 97 年委託逢甲大學團隊於阿里山公路五彎仔段針對全球衛星定位與自動化監測系統在道路邊坡地滑災害之應用進行深入探討。研究團隊整合各項儀器設備監測道路狀況，包含傾斜儀、水位計、雨量計、CCD 即時影像、並結合全球衛星定位所建構之自動化監測系統，期望在最短時間內收集最多邊坡災害發生之相關資訊，提供政府或相關工程、學術單位對於邊坡災害發生機制、預警及防治有實質性幫助。研究團隊提出了多天線 GPS 的構想，使用多根 GPS 天線和一台接收機相連，形成所謂的多天線 GPS 系統，特別適用於結構變形和位移監測(Tsakiri et al., 1998; Chen et al., 2000; Ding et al., 2000) 。該系統(圖 2-15)是使用外接一台現成的、標準商業化 GPS 接收機和一個專門設計的 GPS 多天線開關(GPS multi-antenna switch, GMS)，使得多個天線能和一台接收機連接在一起，所有天線所在的點位元都能監測。這樣，每個監測點上的 GPS 硬體成本就得到成倍地減少，從而使得 GPS 在許多應用中成為可能，更加實用化。 22.

(34) GMS 採用分時原理允許每個天線都能與接收機連接，按設定的時間順序採集 GPS 觀測資料，每個天線所採集的資料都能用來計算回應天線的位置，或每個相應的天線的位移，系統使用差分定位模式。一套完整的多天線 GPS 系統的構造如圖 2-16 所示，這裏使用一台接收機安裝在已知站上，做為基準站，從而提高多天線 GPS 系統的定位精度。其研究成果數據顯示以全球衛星定位系統的監測成果可達公分及精度(圖 2-17)。. 圖 2-15、GPS 多天線開關(GMS)示意圖. 圖 2-16、多天線系統的差分定位結構. 23.

(35) 圖 2-17、多天線系統監測成果由於多天線全球衛星定位系統需布設纜線，在大規模崩塌坡面受到環境限制恐不易施工，將導致監測範圍受限；同時為確保訊號品質，越長的纜線需要更高等級的品質，相對的費用也逐步墊高；而且坡面環境變化大，包括日夜溫差以及潮濕多雨等，為維持系統的正常運作，需投入高昂的經費確保其電力與環境，換句話說該系統的風險將集中於單一主機。. 表 2-2、多天線 GNSS 系統與獨立 GNSS 觀測站之比較重複觀測範圍. 精度. 布設限制. 運作風險. 經費使用. 多天線. 獨立測站. 1 平方公里/站. 地形、. 主機承擔整個. 植生. 系統的成敗. 無. 各自獨立作業. 公分級. 距基站 5 公里內公分級. 24. 可. 高. 可. 低.

(36) 參、研究方法 3.1. 潛在大規模崩塌 GNSS 觀測系統建置本研究在臺灣西南部山區潛在大規模崩塌地共選定 7 處坡面(圖 31)，相對應之行政區如表 3-1；分別在坡面上設置觀測點位，並針對每一坡面相對穩定處設置一基準站，以進行後續資料的解算與位移量的分析。. 圖 3-1、潛在大規模崩塌 GNSS 觀測坡面分布略圖 25.

(37) 表 3-1、潛在大規模崩塌坡面之編號與行政地名對照表坡面. 編號. 行政地區. 竹林. 高雄市六龜區 DS02. 達來. 屏東縣三地門鄉 DS05. 屏東縣三地門鄉達來村. 佳暮. 屏東縣三地門鄉 DS35. 屏東縣三地門鄉達來村. 德文. 屏東縣三地門鄉 DS36. 屏東縣三地門鄉達來村. 茶山東側. 嘉義縣阿里山鄉 DS51. 嘉義縣阿里山鄉茶山村. 茶山西側. 嘉義縣阿里山鄉 DS52. 嘉義縣阿里山鄉茶山村. 茂林. 高雄市茂林區 DS39. 高雄市六龜區寶來里. 高雄市茂林區茂林里. 3.1.1.崩塌地之選定以竹林崩塌地為範例說明竹林崩塌地位於高雄市六龜區寶萊里竹林聚落之坡面。竹林聚落位於荖濃溪東側邊坡，標高約 700 米，圖 3-2 顯示判釋之崩塌範圍，與 GNSS 觀測站及雨量站之分布狀態。崩塌地程上寬下窄的外型，坡向為西北方，平均坡度 32.2 度，坡面為凹谷狀坡形，初估面積約 32 公頃。依調查區域之地形、地質、災害歷史等資料，並利用高解析度光達數值地形資料進行地形判釋 (圖 3-3)，竹林崩塌地的岩性以硬頁岩與板岩為主，坡面常見風化岩盤。該崩塌地有明顯崩崖、裂縫發用，同時因斷層經過造成岩體破碎。竹林聚落在民國 98 年莫拉克颱風期間的土石流災害造成包括瓏美山莊，吳家農舍等民宅被土石掩埋，山區道路多處中斷及樹人的傷亡。綜合光達數值地形資料配合現場調查結果，竹林崩塌範圍內目前下邊坡有崩塌及蝕溝發育，坡面亦有近期發育之崩崖與裂縫地形特徵(圖 3-4)，研判本處之崩塌具較高之活動性。. 26.

(38) 圖 3-2、竹林 D009 崩塌地位置圖(中央地質調查所 2012). 圖 3-3、竹林 D009 崩塌地崩崖判釋圖(中央地質調查所 2012). 27.

(39) 圖 3-4、崩崖切過道路，地形上形成明顯高差(中央地質調查所 2012) 3.1.2.設備配置透過執行中央地質調查所的「潛在大規模崩塌地表變形與數值地形計量分析」觀測計畫，民國 99 年於南部初步判釋相對較具活動性之可能之 7 處坡面進行觀測，再依崩塌地形特徵及坡面現況，於圖面大致決定架設儀器的位置，最終再至現場確認架設之可行性；每一個坡面之儀器數量原則上依崩塌地形特徵、坡面現況、崩塌地範圍及規模因地制宜。針對於 7 個坡面共設置 52 個 GNSS 觀測站及 4 個雨量觀測站蒐集的資料進行坡面位移之分析，以及大規模崩塌的環境特性進行檢討；初步評估坡面位移經由 GNSS 可取得時序列的高頻資料，對於大規模崩塌受到地震或降雨等因子的時序列分析提供較完善的背景資料，因此將觀測重點著重於各坡面 GNSS 的強化及建立資料即時回傳系統，透過有限的經費取得較完 28.

(40) 善的資料，提供後續大規模崩塌活動性與風險分析之參考。本研究之推動在持續進行潛在大規模崩塌地表位移觀測資料蒐集與分析，對於各崩塌坡面觀測數量說明如表 3-2。表 3-2、本研究於民國 101 年潛在大規模崩塌觀測設備數量統計表坡面. GPS 觀測站. 稜鏡站. GPS+稜鏡共站. 雨量筒. 竹林. 3. 7. 1. 0. 達來. 7. 5. 4. 1. 佳暮. 4. 9. 2. 1. 德文. 2. 4. 1. 1. 茶山東側. 2. 9. 1. 1. 茶山西側. 1. 6. 1. 0. 茂林. 1. 4. 0. 1. 3.1.3.大規模崩塌坡面觀測點位施作為精確觀測崩塌區位之地表位移情形，針對坡面可能滑動區與非滑動區分別施作 GNSS 觀測站及雨量觀測站，長期進行坡面滑動觀測的觀測，定期或於降雨事件後進行分析、解算，以瞭解崩塌坡面位移的情形；對於現地坡面的觀測設備設置原則上採用天線柱的方式施作，目前選定立桿的材質為不銹鋼材質，桿徑直徑為 2 英吋(約 5 公分)，桿壁厚度為 0.2 公分，立桿長度約為 3 公尺，現地施作時天線柱預計入土 1 公尺，為避免現地完工後有傾斜、位移或遭人惡意拔除的風險，天線柱入土部分設計有橫向的支撐，強化立桿的穩定性；相關設計及現地施工規劃及如圖 3-5、3-6 所示。. 29.

(41) pile. ①. ②. ③. ④. ⑤. ⑥. 圖 3-5、簡易大規模崩塌坡面觀測點位施作示意圖. 圖 3-6、崩塌坡面觀測 GNSS 天線柱施作示意圖. 30.

(42) 3.1.4 坡面設備演進歷程自 2012 年起，此研究一開始便採用單頻 GNSS 設備(圖 3-7)，架設於可能滑動的重點坡面，進行較長時期的連續觀測，同時配合全自動長距離雷射經緯儀與架設於坡面的反射稜鏡(圖 3-8)進行週期性的觀測作業，以兩種設備觀測成果交互分析坡面土體與時間的移動性關係，設備整合與作業方式之發展歷程如表 3-3，系統功能提升歷程彙整如表 3-4。. 圖 3-7、GNSS 觀測站. 圖 3-8、稜鏡站 31.

(43) 表 3-3、設備整合與作業方式之發展歷程年份. 更新項目. 2012 年. 坡面架設國內廠商自主研發單星單頻 GNSS 接收儀及稜鏡站，由於使用雷射經緯儀觀測稜鏡站需定期上山，因為山區氣候陰晴不定導致觀測成效不佳。. 2014 年. 由於山區環境影響，通視情況不佳，經緯儀觀測不易，因而導致資料頻率過低，所以將稜鏡站改為 GNSS 觀測站，觀測站網路通訊狀況佳者，採用網路即時回傳，以便進行後續資料之解算(圖 39)。觀測坡面上並設置雨量計來收集現地降雨資訊，藉以了解觀測坡面降雨量與空間上位移的關係。整合太陽能發電系統及 3G 網路回傳功能，確保資料連續性，大幅節省人力耗損及縮短維護的時間。. 2017 年. 將系統逐步升級為單頻多星 GNSS 及 4G 傳輸設備(圖 3-10)，提升資料與傳輸品質。. 2018 年. 為提高成果品質，全面更換最新研發之 GNSS 接收儀，通訊模組升級為 4G，且訊號接收也同步升級為單頻多星，更多的觀測量提高解算之成功率；透過軟體的開發，資料解算也升級為自動化解算，降低人為錯誤，提高解算速度，增加資料可靠度。. 2019 年. 為提高解算成果對坡地防災應用之實用性，開始嘗試將資料解算由原本每日解提高為每小時解，也就是原本每天 24 小時解算出一筆座標成果，提升為每小時解算出一筆成果，更高的資料密度提供更有效率的輔助決策分析。. 32.

(44) 圖 3-9、GNSS 觀測站. 圖 3-10、現地觀測站設備示意圖. 33.

(45) 表 3-4、觀測系統功能改善歷程網路. 資料. 自動. WEB. 近即時. 通訊. 取得. 解算. 展示. 解算. . . . . GNSS 站. 電池. . . 2014. . . . . 2017. . . . . . . . . 年份. 稜鏡站. 太陽能. 現地 2012. . 收取網路回傳網路. 2018. 回傳網路回傳. . 2019. . . . 網路. . 即時. 表 3-5、GNSS 系統功能年份. 衛星種類/訊號. 靜態精度. GPS L1. 5mm+1ppm. 2012~2016. 通訊模式. 資料傳輸方式. 3G. 檔案/小時. 現地備份內部 SD. GLONASS L1 GPS L1,. 外部 USB. 5mm+1ppm. GLONASS L1, 2017~2019. 4G COMPASS B1, GALILEO E1. 34. 資料流/即時.

(46) 3.2 潛在大規模崩塌區觀測資料解算與分析由於坡面觀測設備數量龐大，加上衛星定位觀測系統的運作不分晝夜，隨之而來的是海量的資料需要加以解讀與分析。自 2012 年開始，資料的存取與處理分析，皆由人工方式一步步達成，然而在時效性上總有不盡理想之處，在確保成果品質的前提下，作業標準化與自動化是提高效率的必要項目。 3.2.1.作業自動化流程經過長時間經驗的累積，包含坡面觀測主機的系統標準化，以及將資料回傳後的解算、除錯、分析、展示等流程的自動化，因此著手規劃了一套由外到內全自動作業系統，並逐步實現中(圖 3-11)。. 圖 3-11、坡面觀測自動化作業系統流程目前計算以 Bernese 為解算工具，提供計算後之解算狀態及精度供參考，觀測量不佳導致的解算品質問題可藉此一指標進行剔除，而後才會進行前述的粗差剔除及曲線擬合，因此所處理的資料為具一定品質及可靠度之成果，而透過擬合曲線目的為便於使用者判讀趨勢，原始點位的解算數值及精度並不會因為變動，而位移趨勢量的精度及可靠度則可由擬合所用之多項式，經誤差傳播推算而得。然在實際作業中，粗差的判斷與實際現象的發生，常會相當接近且不易辨識的問題，即在第一時間反應位移的資料，常可能被視為粗差處理，而在後續穩定後雖可確定有真的位移量發生，但實際發生的第一時間為何則不易單由解算數據來確定。由 Moving Window 的概念進行點位的解算，其目的為藉由觀測量的增加來穩定解算成果，並仍保有一定的即時性，當點位沒有位移發生時，其可靠度雖著觀測量增加理論上是會變好的，但當有位移發生 35.

(47) 在時間段之內時，觀測量就會有奇異使得解算不佳，類同於前述粗差的判斷，在位移發生的前後都是較可靠的，但位移發生的當下不確定性是較高的，但由於時間段無論定的長或短都會有類似問題，後續應嘗試以混合多個時間尺度的概念來討探此一問題。 3.2.2.資料蒐集與解算流程從過去每個月一次的成果產出，不但有時效上的問題，成果品質也不易控制；經過專家學者提供寶貴的意見與協助，以及自身經驗不斷的累積，從 2014 年開始加入自動化傳輸系統，並在 2016 年開始規劃自動解算與分析，終於在 2018 年開始便正式達到每日自動化產出成果(圖 3-12)。針對具良好通訊條件之觀測站更朝向每小時產出解算成果之目標。由於每日解或每小時解均為獨立觀測量求解，消除了誤差累積的問題。. 圖 3-12、自動化產出流程 36.

(48) 以往 GNSS 解算方式為每日蒐集一筆觀測資料，使用 IGS 精密星曆，大約需要三天後才會公布在網站上，也因此導致資料解算成果呈現為觀測時間之數天之後。為縮短原始觀測資料取得與解算成果的時間差距，經分別採用廣播星曆與精密星曆進行解算成果比對，在本計畫為相對的短基線(約 3km 以內)，相對高頻率的解算要求下(每小時一筆成果)，並沒有明顯的精度差異(如表 3-5)，因此採用廣播星曆解算，可達到近即時解算的目的。表 3-5、精密星曆與廣播星曆解算之品質比較成果產出時間. 精度. 離散性. 精密星曆. 三天. ±5mm. 小. 廣播星曆. 約 30 分鐘. ±10mm. 大. 採用精密星曆之每日解成果可得到高精度之位移趨勢(圖 3-13)，而採用廣播星曆之每小時解成果相對的離散性較大(圖 3-14)，但成果頻率相對較高，且等待時間縮短；本研究之解算方式採單一參考站、單一基線解、無網型平差最小約制解，每一筆資料解算均互為獨立，避免誤差的累積；加上粗差濾除後，比較兩者之擬和曲線與位移量，兩者近乎一致，因此採用廣播星曆之近即時解算是為可行。. 圖 3-13、一日解算成果 37.

(49) 圖 3-14、一小時解算成果. 3.2.3.資料解算軟體 BERNESE 說明 Bernese 研究型軟體與一般的商用軟體之特性略有不同，Bernese 軟體的特性如下所示【Beutler et al., 2001】： (1) 對於單頻及雙頻的觀測資料，計算較為快速。 (2) 可長期自動的處理 GPS 聯測網的資料，自動計算坐標。 (3) 使用 IGS 精密星曆，可以解算出超過 2000 公里長基線的載波相位未定值。 (4) 可針對電離層及對流層延遲效應進行修正，並提供更新的模式供選擇。 (5) 可進行天線盤相位中心修正。 (6) 可以模擬 GPS 及 GLONASS 衛星雙頻的觀測資料。 (7) 可計算衛星軌道，並可以求取地球自轉參數。 (8) 可進行自由網解算，計算測站坐標。 (9) 提供程式原始碼，可自行加入新的模式。目前，該軟體仍普遍的應用在地體動力學、板塊運動、極運動、地殼變形等方面之計算，且更常使用在大地測量的資料處理上。本研究便是以全自動的模式，每天自動處理坡面觀測站的資料。其處理流程如圖 3-15 所示。. 38.

(50) 將標準交換格式 Rinex format 資料轉成 Bernese 4.2 format. IGS 精密星曆. 檢查電碼資料品質及標示 Outliers. 將精密星曆轉成表列型式並輸出衛星時錶資訊衛星時錶改正. 採用 L3 頻率並加入對流層折射改正. 以電碼觀測量進行單點定位及估算接收儀時錶改正並將此改正量輸出至相位觀測量中. 配合極運動資料與地球引力位模式計算標準軌道及太陽輻射壓參數. 組成相位一次差觀測量. 太陽輻射壓參數採用 L3 頻率偵測週波脫落及解算三次差. 依序採用 L3 頻率重複解算並加入對流層折射改正. 檢查相位資料品質及標示 Outliers 相位觀測量之週波脫落偵測與週波脫落補償. 以相位二次差觀測量進行各相關參數之估算（測站坐標、整數週波未定值、對流層附加參數、軌道元素、……………等）. 圖 3-15、BERNESE 軟體資料處理流程(葉大綱，2005) 39.

(51) 3.2.4.資料解算成果之品質管制由於 GPS 觀測量受環境及天候等不可控制之因素影響，解算之坐標成果常隱含部份粗差及隨機誤差，為避免影響使用者的判斷，仍需透過人工判釋趨勢現象並濾除不合理的現象，因此仍受限於人力的介入無法快速的且即時的報導監測成果，因此在 2019 年著手規劃加入自動化粗差剔除及自動化曲線擬合之功能，讓使用者在可以藉由數據的視覺化呈現能更容易了解現地情況(圖 3-16)。資料庫. 不符合趨勢之粗差濾除. 多項式曲線擬合. 視覺化呈現. 圖 3-16、視覺化成果呈現自動化粗差剔除的以移動平均(Moving Average)為概念進行實作，在解算的時間序列中，每一筆資料時間開一視窗計算其與前後資料之平均值及標準差，當超出門檻時，將此筆資料視為粗差。為求有必要的統計樣本數量，目前視窗大小並不與實際解算頻率有關，設定為前後各 5 筆資料；門檻的設定為該筆資料與視窗中資料的平均值差異小於 5 公分且小於 2 倍標準差，實際的意義即為在時間段內單筆資料的變動不應大於 5 公分，且當資料平穩時變動量應該要更小。目前曲線擬合採多階多項式進行解算，而階數的決定為擬合殘差最小的階數作為擬合曲線的成果，即當決定擬合時間段後，將時間序列的資料從 2 階開始解算至 20 階，比較擬合後曲線上各點和原資料的差值平方和，取最小者作為本次擬合成果。然而地表位移變化應為具多種因素混合而產生，如突然性的地殼變動、雨季與非雨季的周期變化以及降雨後地表含水量等現象，精確的作法應為定義出這些現象的時間點再依照不同成因所代表之數學模式進行解算。而目前作法因為不具有前述外在因素的資訊，僅由資料數據本身進行平滑，以一較簡易的作法，來解讀位移方向之趨勢。 40.

(52) 在整合硬體及軟體的自動化流程且加入了趨勢檢核機制後，預計在 2020 年達成每小時均有成果輸出，並結合數據視覺化呈現為目標。綜合前述整理各階段發展成果，如圖 3-17。. 2014 自動化傳輸資料. 2016 自動解算及分析. 2018 每日成果輸出. 2019 粗差濾除及擬合. 2020 每小時成果輸出. 圖 3-17、自動化系統發展歷程本研究目標以自動化 GNSS 解算進行坡面位移監測，目的在於以設計的標準作業流程盡可能減少人力的花費並提高即時性，而為了提高即時性便需縮短使用的觀測量而造成可靠度的降低，在這樣的情況下，確保仍有一定數量的觀測量即為確保解算品質的重點。經過嘗試以觀測時段採 4 小時觀測量，並採每 1 小時遞增之 Moving Window 的的方式，在透空度良好的測站每小時解的精度約在 2 公分，因坡面監測點的透空度較差，所以解算成果精度將會稍微放大至約 2.5~3 公分。採用此一模式的結果，易於解算點位移動狀況，同時也存在因為採用 Moving Window 方式，可能劣化實際的點位移動量的問題。除去天候不佳或衛星狀態等不可控因素，在實際作業中發現系統內的自動回傳穩定性即為影響觀測量數量的重要因素，因此增加常態性或自動化的檢查回傳狀態，以便能快速排除可解決的狀況即為維持成果品質的重要工作。配合硬體設備的設計，增加備援減少硬體有異常的可能性，及人工巡檢機制皆有助於提高整個系統之穩定度。 41.

(53) 肆、成果與討論 4.1 觀測成果說明本研究的目的是將 GNSS 觀測站的位移資料結合雨量記錄以觀察降雨量與坡面位移之關係。GNSS 觀測計算成果為含時間序列之三維座標，依設定之時間序列之計算之座標差值為位移量，N 方向坐標差為正值表示觀測點往北邊移動，負值表示觀測點往南邊移動；E 方向坐標差為正值表示觀測點往東邊移動，負值表示觀測點往西邊移動；高程差為正值表示觀測點抬升，負值表示觀測點滑落。以下將針對 D009 竹林坡面 2012.09.01~2019.10.31 的觀測資料與解算成果，進行相關的分析。. 4.2 坡面位移成果分析表 4-1、D009 潛在大規模崩塌觀測累積位移量統計表點號. EAST(mm). NORTH(mm). H(mm). 3D 總位移量(mm). 0902. -203. 194. -202. 346. 0903. 2. 20. -94. 96. 0904. 12. 3. -97. 98. 0905. -771. 313. -680. 1075. 0906. -1553. -141. -914. 1808. 0907. -19. 17. -50. 56. 0908. -205. 166. -224. 346. 0909. -667. 318. -532. 911. 0910. -1554. -791. -1159. 2094. 0911. -52. 27. -68. 90. 0912. -1147. 559. -1154. 1720. 從表 4-1 的統計數據，以及對應各 GNSS 觀測站於”2012.09.01~2019.10.31 間之位移趨勢圖"，反應出各觀測站之位移量與位移方向。整體坡面平面大致朝西北方位移，平均位移量 228mm，如圖 4-1； 42.

(54) 圖 4-1、D009 竹林崩塌地平面位移向量圖長期觀察坡面所有點位在高程方面整體是下降的趨勢，平均值為 481 毫米，如圖 4-2；. 43.

(55) 圖 4-2、D009 竹林崩塌地高程位移向量圖由圖 4-1 與 4-2 進一步分析坡面觀測站的各種運動型態如下； a.位移不顯著：0903、0904、0907、0911； b.位移相對緩慢：0902、0908； c.位移相對顯著：0905、0906、0909、0910、0912； 44.

(56) 從 a、b、c 組可分別代表不同的位移區域，並可大致區分出該坡面位移的邊界；位移顯著的區域「c」，也明顯地因為降雨而導致位移的發生，也就是屬於潛勢區，而「a、b」則是位於潛勢區之外，很明顯可以據此判斷出潛勢區的分界，於 2012 年根據相關資料選擇觀測點位時，在原先判釋的潛勢區(範圍線)之外再加設點位，經過實測數據驗證其潛勢區的活動邊界，未來此一方法可以做為在其他潛勢區範圍確認的參考依據，如圖 4-3。. 圖 4-3、GNSS 觀測站運動型態分區圖 GNSS 觀測站的高程方面整體呈現下滑，其中部分點位明顯受到累積降雨而產生明顯位移，包含觀測站編號 0905、0906、0908、0909、0910、 0912特別的是在高程方面，每一年的雨季後整體有明顯抬升的現象，到該年底到達波峰，然後再逐漸開始下降，到次年雨季前到達波谷，此一現象每年為一週期地重複發生，包含觀測站編號 0902、0903、0904、 0907、0908、0909、0911，如此年復一年的運動，稱之為年週期效應，一般年週期發生地的原因如區域性的抽取地下水造成地層下陷，或電離層的每年活躍期，有待更深入的研究其具體背景因素與影響。. 45.

(57) N 方向位移趨勢成果. E 方向位移趨勢成果. 高程方向位移趨勢成果圖 4-4、0902 位移趨勢成果 46.




(61) N 方向位移趨勢成果. E 方向位移趨勢成果. 高程方向位移趨勢成果圖 4-8、0906 位移趨勢成果. 50.






(67) N 方向位移趨勢成果. E 方向位移趨勢成果. 高程方向位移趨勢成果圖 4-14、0912 位移趨勢成果. 56.

(68) 進一步分析圖 4-4~圖 4-14，以 D0910 觀測點為例，分析其中三次較為顯著之降雨與位移間的關係，包含(1)2016 年 09/27 降雨量 478mm、 09/28 降雨量 461.5mm；(2)2017 年 07/29 降雨量 111.5mm、07/30 降雨量 151mm、07/31 降雨量 376.5mm；(3)2018 年 08/23 降雨量 545mm、08/24 降雨量 243mm，取降雨事件前後各別持續的地表位移資料，數據經統計結果如表 4-2，降雨與位移之間的關係如圖 4-15 至圖 4-17。經由上述案例分析得知，運用 GNSS 於地表觀測能夠有效的反應出大規模崩塌的坡面運動型態，包含位移方向與位移速率的變化。. 表 4-2、D0912 累積降雨前後日平均位移速率對照表(mm/日) 事件 2016 年 2017 年 2018 年. 統計日期區間. N. E. 高程. 09/16~09/26. 0.4. -0.6. -0.2. 09/27~10/12. 1.7. -2.6. -2.8. 07/23~07/28. 0.0. -2.8. 0.0. 07/29~08/09. -2.75. -6.3. -5.1. 08/14~08/23. -0.3. -1.0. -0.4. 08/24~09/05. 2.7. -4.4. -5.4. 57.

(69) 圖 4-15、2016 年 9 月份降雨與位移關聯性 58.

(70) 圖 4-16、2017 年 7 月份降雨與位移關聯性 59.

(71) 2018 年 8 月降雨事件. 圖 4-17、2018 年 8 月份降雨與位移關聯性 60.

(72) 伍、結論 1. 對於大規模崩塌潛勢區之觀測，因滑動體範圍大，且同時會有不同滑動體之情形，難能有完整系統監測。但是利用 GNSS 觀測系統，可以在最低成本的條件下進行潛勢區位移量數據的收集，並進一步了解坡地降雨與位移之間的關係。 2. 從 2012 年開始，國立成功大學林慶偉教授提出此坡面簡易監測之概念，受到中央地質調查所的支持，自此國內開始投入此一作業方法的研發，包含衛星接收儀的硬體架構、主機自動化作業模式的開發、太陽能發電系統的整合、通訊方式的整合與應用、資料的解算與分析、成果的視覺化呈現，以及整體標準作業流程的自動化，皆在此計畫中逐一引進並逐步整合為一於坡面獨立自主的作業系統，後續此一概念更廣為各單位引用，例如水土保持局、農委會林務局等，證明其可行性已廣為各單位接受。 3. 本研究針對竹林坡面的觀測數據可以清楚的了解潛勢區在降雨期間與位移量，透過兩者的比較，除釐清坡面的運動型態外，更可掌握相對於保全對象的位移量，以及不同塊體間的運動型態；相關資料更可作為後續細部觀測、地質分析，以及國土保全等方面應用的重要參考依據。 4. 整個研究帶來的效益，除了逐步驗證該方案於坡面監測之可行性外，同時也扶植本土產業自主研發低單價之 GNSS 衛星接收儀，自主開發全自動化的監測作業系統，整合出一套由內到外完整自主的坡面監測系統，使得國內大規模崩塌監測更易於普及；在國土安全資訊的保全方面，有別於國外套裝軟體的不確定性，更有著顯著的意義。. 61.

(73) 陸、未來展望 1. 本研究從開始至今都是將參考站假設為穩定不動的狀態，但缺乏數據驗證。實務上若能計算出其每日之絕對位置與速度場，藉以分析坡面站之絕對位移量，以及坡面站相對於參考站之運動型態。建議之處理方式為將基站更換為雙頻站，並連結至臺灣 ITRF 的框架，得到基準站之每日解，以達成上述預期目標。 2. 現階段的設備仰賴充足的日照以使太陽能發電提供設備正常運作，以及需要穩定的 4G 網路通訊以確保及時回傳觀測資料供解算分析；由於大規模崩塌坡面所在區域大部分都有上述兩個要件的隱憂，植生造成陽光遮蔽導致太陽能發電量不足，或因為人煙罕至所以 4G 使用流量不高導致電信公司忽視該區域之傳輸重要性。解決之道為朝向低耗能設備的開發，以及在現地完成解算，減低回傳的資料量，是未來努力的目標。 3.. 由於內含 RTK 演算法的 GNSS 晶片日漸普及，因此開始著手規劃於觀測坡面建立區域網路，以便於觀測站執行即時動態 RTK 演算，再將解算之坐標成果集中回傳至伺服器進行後續分析，期望能在 2021 年達成上述目標，並進一步提高監測訊息的即時性。. 4. 由於 GPS 觀測量受環境及天候等不可控制之因素影響，解算之成果常隱含部份粗差及隨機誤差。一般資料越長解算成果越可靠，為降低成果的不確定性，同時提高成果的可信度，因此本研究以 Moving Window 方式在提高成果密度的同時延長資料的長度，以達成每小時之近即時解，再輔以粗差濾除，以及多項式擬和曲線，由資料數據本身進行平滑，藉由視覺化的呈現更容易解讀位移之趨勢。 5. 在先前曾嘗試利用解算的理論精度作為粗差剔除之依據，但理論精度與實際的成果展現並不一致，因此目前的流程中並未實際將理論精度作為可靠度或不確定性的依據，後續研究應探討如何推算擬合成果的精度，作為成果產出的可靠度指標。 62.

(74) 6. 為提高對防災決策提供更實質的幫助，未來系統優化的方向應該朝提高觀測資料呈現的密度，甚至可以達到每五分鐘解，或即時動態每一秒解。然而地表位移變化應具有多種因素影響而產生，如突然性的地殼變動、雨季與非雨季的周期變化以及降雨後的入滲量等現象，精確的作法應為綜合這些現象與位移的時間序，整合分析不同成因所代表之數學模式，進而了解各個坡面特殊的運動型態，提供作為警戒值訂定的參考。. 63.

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