宜蘭清水溪流域河道變化及輸砂行為分析

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(1)國立臺灣師範大學地球科學研究所碩士論文 Department of Earth Sciences National Taiwan Normal University Master Thesis. 宜蘭清水溪流域河道變化及輸砂行為分析 River Channel Migration and Sediment Transportation Analysis-example from Chinshui River, Ilan Northern Taiwan. 研究生:連中豪 Chung-Hao Lien. 指導教授:葉恩肇博士張國楨博士. 中華民國 101 年 7 月.

(2) 摘要論文名稱:宜蘭清水溪流域河道變化及地表行為分析頁數:94 校所:國立台灣師範大學地球科學系畢業時間:一百學年度第二學期學位:碩士研究生:連中豪指導教授:葉恩肇、張國楨台灣位於菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊的斜向聚合碰撞帶上，由於板塊的擠壓作用，導致地震頻繁，地形陡峭，河川因而坡陡流急，沖刷嚴重。同時，台灣位於西太平洋颱風路徑上，大部分颱風帶來的豪雨常引起嚴重的災情。近年全球氣候異常，許多研究指出台灣地區年降雨日數有減少趨勢，但降雨強度增強，豪大雨發生頻率與規模亦有加大現象。由於地質、地形、氣候與人為的影響，使得臺灣地區崩塌、地滑、土石流等災害一再發生，造成生命財產損失。台灣主要河川源頭多於高山地區，高山對於集水區的輸砂與水文有著重要的關係。中海拔以上地區，因地震與颱風的關係，容易造成許多崩積物運移而堆積於河道。以往欲了解河道的變化，常因交通不便、地形資料缺乏，造成研究無法進行。同時對於河道分析，需要長時間的監測，以取得輸砂量、降雨和河川流量等資料，以進行相關性的分析。針對輸砂量的評估，通常藉由河道中的懸浮顆粒，與河川流量、流速等資料進行計算。但是粒徑大的顆粒，如:礫石等，常以推移、跳動等方式搬運，因此難以進行分析近年來因遙測技術之快速發展，數值地形模型(Digital Terrain Model; DTM) 之建立日趨完備。因此，本研究運用航空照片建置不同時期之高精度數值地形模型，利用 ArcGIS 對於民國 82 年至 97 年宜蘭清水溪流域進行長時間的河道分析。首先對於河道位置的改變及沖積平原的變化作觀察，主河道隨著時間向兩側移動與侵蝕，沖積平原隨著時間有加大的趨勢，並配合各時期高程差變化對清水溪河道歷程作解釋，整體河道以堆積行為為主，河道兩側有大量堆積行為，於 82 至 91 年及 95 至 97 年期間河道有明顯的變化，推測可能為雨量事件造成之影響。接著，於河道中有變化位置及堆積行為明顯的兩側繪製多條橫剖面，觀察整個河谷變化的情形，其結果顯示，山坡崩塌為兩側大量堆積的主因，且於橫剖面確實看到河道側向侵蝕的行為。而沿著河道繪製縱剖面，觀察從中游至下游河道的變化情形， 95 年於中游區發生堆積事件使河道改變，整體河道高程於 82 年後變高，堆積約 0.7m 於河道。然後對河道中及兩側量體作估算，觀察了侵蝕與堆積的行為與地層岩性構造是相關的，最後藉由野外調查佐證了數值地形模型觀察的結果，映證了 DTM 之精確性。關鍵字:數值地形模型、河道變遷、清水溪、宜蘭 I.

(3) Abstract Title: River Channel Change and Sediment Transportation Analysis-Example from Chinshui River, Ilan Northern Taiwan School: National Taiwan Normal UniversityDepartment: Earth Sciences of Geology Time : July,2012. Degree : Master. Researcher : Chung-Hao, Lien. Advisor: Dr. En-chao, Yeh and Dr. Kuo-Jen, Chang. Taiwan is located in the conjuncted belt of oblique convergence between the Philippine Sea plate and the Eurasian plates. Due to oblique collision between two plates, earthquakes take place frequently, and rugged topography has been developing. Also, steep slope causes river short and rapid and wash out strongly. At the same time, Taiwan is on the passage of typhoons come from western Pacific Ocean. Heavy rains brought by most of the typhoons often cause serious damage. Especially, in recent years, global climate changes dramatically. Many of studies further pointed out that not only the annual number of rainy days in Taiwan has decreased but also the rainfall intensity has increased and the frequency and magnitude of heavy rain has increased as well. Because conditions of geology, topography, climate and human impact, natural hazards, such as slump, landslide, and debris flow, in Taiwan occur repeatedly. It causes huge loss of life and property. Most of major rivers in Taiwan start in apline areas. Thus, topography in mountains has strong influences on sediment transport and catchment hydrology. Above medium elevations, because of frequent earthquake and typhoon, landslide is easy to be induced and thus sediments deposit in the river very often. In the past, the study of river channel migration usually cannot be completed due to inconvenient transportation and lack of detailed topographic data. At the same time for the analysis of river channel, a long term monitoring is needed to gather data, for example, the amount of sediment transport, rainfall and river flux. Assessment of sediment yield is estimated usually by the data of suspended loads, river flux, and velocity. But large particles, such as gravel, often transport by slating and translation. Thus, the bed load is difficult to estimate. In recent years, the rapid development of remote sensing technology establishes the digital terrain models into a better performance. This study uses aerial photographs to construct the high precision digital terrain models of different periods and analyzes the river migration of ChingShui River, Ilan from 1993 to 1997. The observations of river migration and flood plain change indicate that lateral erosion of ChingShui River and size of flood plain is increased. And Chingshui river course to explain the difference in elevation changes with each period, the overall river accumulation behavior, and the river on both sides of a large accumulation behavior. Significant changes in 82-91 years and 95-97 years during the river, presumably to cause the effect of rainfall events. The river, changes in location and accumulation behavior on both sides of drawing a number of cross-section to observe the situation of the entire valley II.

(4) change, the results show that both sides of the large accumulation of the main because of the hillside collapsed, and in cross-section do see the river lateral erosion behavior. Stream profile, midstream to downstream river changes, 1995, the accumulation of events occurred in the midstream area to the river to change the overall river elevation change after 82 years, the accumulation of about 0.7m in the river. River and on both sides of the amount of the estimates, Chingshui river sediment content compared to the the Lanyang statistics is consistent. Erosion and accumulation behavior and formation lithology constructed distribution is related by field survey, more evidence the results of a digital terrain model was observed, reflected, the accuracy of the DTM. Keywords :Digtial Terrain Model, River channel analysis, Ilan, Chinshui River. III.

(5) 致謝在研究所的期間承蒙葉恩肇博士及張國禎博士的指導，讓學生在學術領域的專業知識受益良多，並提供一個設備充足及環境優良的研究環境，而兩位恩師不管在任何時候對於學生研究上的問題，立刻放下手邊的工作，耐心、細心的提供寶貴的意見，使研究順利的完成，不僅僅在於學業上，也在我生活上和待人處事上，不斷的諄諄教誨，指引方向，在此至上由衷的感謝，謝謝老師!!! 同時也要感謝國立東華大學自然資源與環境學系張有和老師與中國文化大學地質系陳柔妃老師在百忙之中抽空來幫學生口試，並在口試時對學生的細心的指導與論文修正的建議，另外在每個禮拜北科的 meeting 中，感謝國立台北科技大學土木工程系的陳立憲老師提供的寶貴意見。而終於終於來到這個階段，也就是我的碩士生活也將告一段落，在這期間內所有的一切都是美好的回憶，未來仍有更多挑戰在等著，而在這期間的碩士訓練，都是我未來的資產，讓我更能面對以後的艱難挑戰。在這兩年碩士生活，感謝師大研究室的同學易芳、學弟妹們偉成、東晉、昱婷及學長宗穎平時的支持與幫忙，還有平時 meeting 及口試時的救星詠恬學姊的照顧與幫忙，也感謝北科研究室的同學小美、阿生、昌哥及各位學長姊的照顧和幫忙，因為有你們讓我研究所的生活有許許多多的回憶，人生的路還很長，期待以後再次的相遇與合作，一起努力迎向未來吧! 最後，感謝我的父母親及外公外婆，提供我生活上所需要的一切，及對我無時無刻的關心，謝謝你們的支持與鼓勵，謝謝大家!! 連中豪 2012.8.17 於 F406. IV.

(6) 目錄摘要 ........................................................... I ABSTRACT ...................................................... II 致謝 .......................................................... IV 目錄 ........................................................... V 圖目錄 ....................................................... VII 表目錄 ........................................................ XI 一、緒論 ....................................................... 1 1.1 研究動機 .................................................. 1.2 研究目的 .................................................. 1.3 研究大綱 .................................................. 1.4 文獻回顧 ................................................... 1 2 3 4. 二、研究區域 ................................................... 6 2.1 地理環境 .................................................. 2.1.1 地理地形 .............................................. 2.1.2 氣候環境 .............................................. 2.2 地質背景 .................................................. 2.2.1 地質岩性 .............................................. 2.2.2 地質構造 ............................................... 6 6 7 7 8 9. 第三章、研究方法 .............................................. 12 3.1 航空攝影測量 ............................................. 3.1.1 影像來源 ............................................. 3.1.2 相機介紹 ............................................. 3.2 數值地形模型建置流程 ..................................... 3.2.1 像片選擇 ............................................. 3.2.2 地面控制點的選取 ..................................... 3.2.3 空中三角計算 ......................................... 3.3 平差 ..................................................... 3.4 軟體介紹 .................................................. 12 12 13 15 17 18 19 22 23. 四、數值地形模型展示 .......................................... 24 V.

(7) 4.1 航空像片年代 ............................................. 4.2 數值地形模型建置成果 ..................................... 4.3 航空像片正射成果 ......................................... 4.4 高斯模糊-平滑曲面選定 .................................... 4.5 數值地形模型平差成果 ..................................... 4.6 不同航帶平差方法分析 ...................................... 24 25 43 47 49 54. 第五章、研究成果與討論 ........................................ 56 5.1 河道分析流程 ............................................. 5.1.1 主河道辨識與分析 ..................................... 5.1.2 河道範圍變化分析 ..................................... 5.2 高程變化分析 ............................................. 5.2.1 河道剖面 ............................................. 5.2.2 野外調查 ............................................. 5.3 河道量體計算 ............................................. 5.4 地層對比 .................................................. 56 56 60 63 66 72 75 78. 第六章結論與建議 ............................................ 80 6.1 結論 ..................................................... 80 6.2 建議 ..................................................... 81 參考文獻 ...................................................... 82 附錄一:各時期控制點資訊 ....................................... 84 附錄二:各時期影像外方位參數 ................................... 88 附錄三:碩士學位考試口試委員提問與回覆對照表 ................... 92. VI.

(8) 圖目錄圖 1.1 研究區域位置 ............................................. 2 圖 1.2 研究流程圖 ............................................... 3 圖 2.1 蘭陽溪流域圖，紅色部分為研究區域 ......................... 7 圖 2.2 中央地質調查所台灣地質圖說明書三星圖幅 ................... 9 圖 2.3 宜蘭清水地熱區之地質構造 ................................ 11 圖 3.1 RC10 相機................................................ 13 圖 3.2 RMKTOP15 相機............................................ 13 圖 3.3 DMC 數位製圖相機......................................... 13 圖 3.4 重疊率提高示意圖 ........................................ 14 圖 3.5 數值地表模型 ............................................ 15 圖 3.6 建置數值地形模型流程圖 .................................. 16 圖 3.7 航照重疊示意圖 .......................................... 17 圖 3.8 航帶與重疊率示意圖 ...................................... 17 圖 3.9 像片位態與飛機飛行示意圖 ................................ 19 圖 3.10 內方位示意圖 ........................................... 20 圖 3.11 外方位示意圖 ........................................... 21 圖 3.12 平差前後剖面圖 ......................................... 22 圖 3.13(A)傳統點位匹配(B)MATCH.T 自動多點匹配 ................... 23 圖 4.1 各時期影像涵蓋區域於相片圖 .............................. 24 圖 4.2 82 年航空像片與航帶分布圖................................ 25 圖 4.3 82 年航帶 1 控制點與連接點分布之情形 ..................... 26 圖 4.4 82 年航帶 2 控制點與連接點分布之情形 ..................... 27 圖 4.5 82 年清水溪地區 DEM 建置成果.............................. 28 圖 4.6 82 年清水溪地區 DSM 建置成果.............................. 29 圖 4.7 91 年航空像片與航帶分布圖................................ 30 圖 4.8 91 年航帶 1 控制點與連接點分布之情形 ..................... 31 圖 4.9 91 年航帶 2 控制點與連接點分布之情形 ..................... 32 圖 4.10 91 年清水溪地區 DEM 建置成果............................. 33 圖 4.11 91 年清水溪地區 DSM 建置成果............................. 34 圖 4.12 95 年航空像片與航帶分布圖............................... 35 圖 4.13 95 年航帶 1 控制點與連接點分布之情形 .................... 36 圖 4.14 95 年航帶 2 控制點與連接點分布之情形 .................... 36 圖 4.15 95 年清水溪地區 DEM 建置成果............................. 37 VII.

(9) 圖 4.16 95 年清水溪地區 DSM 建置成果............................. 圖 4.17 97 年航空像片與航帶分布圖............................... 圖 4.18 97 年航帶 1 控制點與連接點分布之情形 .................... 圖 4.19 97 年航帶 2 控制點與連接點分布之情形 .................... 圖 4.20 97 年清水溪地區 DEM 建置成果............................. 圖 4.21 97 年清水溪地區 DSM 建置成果............................. 圖 4.22 82 年清水溪地 DTM 建置成果比較 .......................... 圖 4.23 91 年清水溪地 DTM 建置成果比較 .......................... 圖 4.24 95 年清水溪地 DTM 建置成果比較 .......................... 圖 4.25 97 年清水溪地 DTM 建置成果比較 .......................... 圖 4.26 高差位移示意圖 ......................................... 圖 4.27 82 年航空像片正射圖..................................... 圖 4.28 91 年航空像片正射圖..................................... 圖 4.29 95 年航空像片正射圖..................................... 圖 4.30 97 年航空像片正射圖..................................... 圖 4.31 高斯平滑曲面 ........................................... 圖 4.32 不同平滑範圍之高程變化 ................................. 圖 4.33 95 年不同搜尋半徑平差後之高程 .......................... 圖 4.34 剖面位置 ............................................... 圖 4.35 82 年 DEM 平差前後之高程變化............................. 圖 4.36 82 年 DSM 平差前後之高程變化............................. 圖 4.37 91 年 DEM 平差前後之高程變化............................. 圖 4.38 91 年 DSM 平差前後之高程變化............................. 圖 4.39 95 年 DEM 平差前後之高程變化............................. 圖 4.40 95 年 DSM 平差前後之高程變化............................. 圖 4.41 97 年 DEM 平差前後之高程變化............................. 圖 4.42 97 年 DSM 平差前後之高程變化............................. 圖 4.43 剖面位置圖 ............................................. 圖 4.44 不同時期平差前兩航帶高程剖面 ........................... 圖 4.45 不同時期平差後兩航帶高程剖面 ........................... 圖 5.1 河谷示意圖 .............................................. 圖 5.2 方法 2 河道擷取流程 ...................................... 圖 5.3 82 年主河道位置.......................................... 圖 5.4 91 年主河道位置.......................................... 圖 5.5 95 年主河道位置.......................................... 圖 5.6 97 年主河道位置.......................................... 圖 5.7 82-97 主河道位置......................................... VIII. 37 38 39 39 40 40 41 41 42 42 43 44 45 46 46 47 48 49 49 50 50 51 51 52 52 53 53 54 54 55 56 56 57 57 58 58 59.

(10) 圖 5.8 各時期河道圈繪狀況 ...................................... 圖 5.9 82 年與 91 年河道變化..................................... 圖 5.10 91 年與 95 年河道變化.................................... 圖 5.11 95 年與 97 年河道變化.................................... 圖 5.12 82 年到 97 年河道變化.................................... 圖 5.13 97 年 DTM 減去 82 年 DTM 之高程差 ......................... 圖 5.14 91 年 DTM 減去 82 年 DTM 之高程差 ......................... 圖 5.15 95 年 DTM 減去 91 年 DTM 之高程差 ......................... 圖 5.16 97 年 DTM 減去 95 年 DTM 之高程差 ......................... 圖 5.17 不同時期河道事件表 ..................................... 圖 5.18 河道橫剖面位置圖 ....................................... 圖 5.19 剖面 1.................................................. 圖 5.20 剖面 2.................................................. 圖 5.21 剖面 3.................................................. 圖 5.22 剖面 4.................................................. 圖 5.23 剖面 5.................................................. 圖 5.24 剖面 6.................................................. 圖 5.25 剖面 7.................................................. 圖 5.26 剖面 8.................................................. 圖 5.27 剖面 3 各時期正射影像變化 ............................... 圖 5.28 河道橫剖面位置圖 2 ...................................... 圖 5.29 剖面 A.................................................. 圖 5.30 剖面 B.................................................. 圖 5.31 剖面 C.................................................. 圖 5.32 縱剖面位置圖 ........................................... 圖 5.33 清水溪中下游縱剖面 ..................................... 圖 5.34 清水溪流域河道縱剖面 82 年與各時期之高程差 .............. 圖 5.35 野外查核點 ............................................. 圖 5.36 查核點 1 ................................................ 圖 5.37 查核點 2 ................................................ 圖 5.38 查核點 3 ................................................ 圖 5.39 查核點 4 ................................................ 圖 5.40 查核點 5 ................................................ 圖 5.41 查核點 6 ................................................ 圖 5.42 查核點 7 ................................................ 圖 5.43 查核點 8 ................................................ 圖 5.44 查核點 9 ................................................ IX. 60 61 61 62 62 63 64 65 65 66 66 67 67 67 67 67 67 68 68 68 69 69 70 70 70 71 72 73 73 73 73 73 73 74 74 74 74.

(11) 圖 5.45 河道量體計算區域 ...................................... 圖 5.46 不同時期之河道量體變化 ................................. 圖 5.47 兩側量體估算區域圖 ..................................... 圖 5.48 區域 1 各時期量體變化 ................................... 圖 5.49 區域 2 各時期量體變化 ................................... 圖 5.50 區域 3 各時期量體變化 ................................... 圖 5.51 區域 4 各時期量體變化 ................................... 圖 5.52 區域 5 各時期量體變化 ................................... 圖 5.53 DTM 之地層分區.......................................... 圖 5.54 清水區坡度圖 ............................................ X. 75 75 76 76 76 77 77 77 78 79.

(12) 表目錄表 2.1 各支流源頭 ............................................... 6 表 3.1 農航所歷史歷程(農航所) .................................. 13 表 3.2 農航所主要相機及底片種類(農航所) ........................ 13 表 3.3 本研究影像使用的相機資訊 ................................ 14 表 3.4 本研究各年份影像之資料 .................................. 14. XI.

(13) 一、緒論 1.1 研究動機台灣地形坡陡，河川流程短，河水迅速流失，突然的暴雨易造成河水暴漲氾濫，帶來大量的輸砂量。根據水利署(2009 統計，每年蘭陽溪的輸砂量約六十萬噸，往年一直是淤積狀態，由於台北地區淡水河系民國 78 年起全面禁止開採砂石，當時又正是台灣公共建設蓬勃發展的時期，砂石需求量高，於是砂石開採轉移至西部及東北部各河川，造成蘭陽溪砂石採取業者大量開挖，採砂量開始大增，根據經濟部水利署(2009)統計每年蘭陽溪砂石開採達 550 萬噸，於是在短短幾年間，年採掘數量過於龐大，其直接影響河床中、下游高差變大，河口砂石補注量大減，積砂量消退，中下游地區面臨沖刷的威脅，海岸線也遭到嚴重的侵蝕。砂石對於建設是不可或缺的，河川更是台灣地區砂石主要的來源，河床中大量砂石被取走後，將造成河川的不平衡，而導致沖刷現象，對河川附近之安全造成威脅，流入海中的砂石減少，造成海岸的侵蝕、環境的破壞。清水溪流域位於台灣東北的宜蘭縣，屬於蘭陽溪流域的一支流，東邊面對太平洋，西、南、北三邊被中央山脈和雪山山脈圍繞如圖 1.1，全區主要受季風及地形影響，終年有雨，根據氣象局(2009)統計資料年雨量豐沛平均可達 2750mm 以上，當颱風在宜蘭地區附近移動時，常會帶來強風暴雨。台灣位於菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊的斜向聚合碰撞帶上(Angelier et al，1986)，板塊的擠壓作用，導致地震頻繁(王和辛，1998)；又近年全球氣候異常，水利署(2009)根據中央氣象局的觀測統計指出台灣地區年降雨日數有減少趨勢，但降雨強度反有增強，豪大雨發生頻率與規模亦有加大現象。由於地質、地形、氣候與人為的影響，使得臺灣地區崩塌、地滑、土石流等災害一再發生，造成生命財產的損失。隨著經濟的發展，人口快速增加，人民活動漸向山區發展，鄰近河川區域，因地震和颱風的關係，使得溪流暴漲、土石流及崩塌等危機發生，若能了解河道變遷狀況，將對於河道周圍安全有非常大的幫助；而過去欲了解河道變化，通常會到現場進行野外調查，才能了解當地的地質狀況，進行危險評估的判定。但是調查的工作需要時間及金錢，又常因交通不便、地形資料缺乏，使得工作無法順利進行。同時對於河道分析，需要進行長時間的監測，以取得輸砂量、降雨及河川流量等資料，以進行相關性分析。針對輸砂量的評估，通常藉由河道中的懸浮顆粒、河川流量及流速等資料進行計算。但是粒徑大的顆粒，如:礫石等，常以推移、跳動等方式搬運，因此難以進行分析。由於近年來遙測技術之研發及推動，使得遙測技術快速發展日漸. 1.

(14) 普及，航空相片的解析度及品質也越來越精細；透過航空相片所建立之數值地形模型(Digital Terrain Model; DTM)也日趨完備。從早期的 40*40m 網格、5*5m 網格，一直到現在 2*2m 網格。因此，數值地形模型應用於集水區地表、地形和河道變化之分析也越來越精確，更精細的呈現地表的真實情形。. 1.2 研究目的本研究運用航空相片建置不同時期之高精度數值地形模型，並利用地理資訊系統(Geographic Information System, GIS)對於民國 82 年至 97 年宜蘭清水溪流域進行長時距的河道變化分析，繪製縱剖面與橫剖面，探討長時間河道侵蝕、搬運，堆積的情形，並檢討不同年代數值模型精度上的差異，評估清水溪流域之集水區高程變化歷程，藉以估算中、下游區域河道之變化，並試著了解侵蝕、搬運、堆積等地表行為變化造成的影響，分析容易發生天然災害區域的地形，預防和減少災害發生，又能對人民的生命財產提供一個保障。. 圖 1.1 研究區域位置. 2.

(15) 1.3 研究大綱本研究分為六章，第一章緒論介紹研究動機與目的；第二章介紹研究區域的地理位置、地質構造、地層岩性和宜蘭清水溪相關的資料；第三章說明遙測之原理，建置 DTM 的流程，控制點的選取，精度的控管，DTM 平差方法；第四章展示建置的數值地形模型、數值地形模型平差結果及正射影像的展示，第五章對建置數值地形模型中的平差方法進行分析，對於河道變化行為進行探討，觀察高程變化並繪製橫剖面與縱剖面配合野外調查進行探討，以及對河道及兩側量體作估算，最後藉由侵蝕、堆積的情形對地層做對比；第六章對本研究提供一個結論與建議；本研究之研究流程圖如圖 1.2 所示。. 圖 1.2 研究流程圖. 3.

(16) 1.4 文獻回顧欲建置高精度數值地形模型須通過三個階段，分別為前置作業、內業處理、外業檢核，若不能達到所要求之規範，生成 DTM 將無法達到高精度與品質，而本研究前置作業及内業處理均達到下列規範，其中第 7 點空中三角計算 RMSE 為 0.4 以內，以下為 DTM 精度品質評估與管控(趙宥睿，2012) 前置作業 1. 拍攝區域範圍及年份: 在選取像片時需仔細觀察拍攝範圍內有無全部涵蓋住所需要之區域、影像是否有雲覆蓋住、拍攝年份核對等。 2. 像片品質: 此項檢查重點在於像片清晰度及解析度是否可達 DTM 精度之需求，並減少工作人員在找尋控制點的時間。 3. 像片間之重疊率: 前後重疊與側向重疊率須符合數位影像之規範。內業處理 4. 相機參數設定: 須依據攝影相機型號而設定，其主要設定為影像尺寸、像元大小、焦距、像原始點及其他細部設定。 5. 控制點選取: 控制點需在兩張左右重疊影像中，且一張影像上平均散佈至少 5 個控制點，選取地方已無變動區域(道路、公墓、學校等)及明顯易找的地點為優先；另外避免點位落於特殊地形(垂直高程落差太大及因日照而產生的陰影區塊)。 6. 共軛點自動匹配: 共軛點雖由軟體自動匹配，但是部分點位會落於崩塌區、陰影處，使得均方根誤差增加，因此須將錯誤點位、不良點位以人生方式去除來降低誤差。 7. 空中三角計算: 本研究建議將均方根誤差(RMSE)值降至 0.2m。外業調查檢核 8. 量測點位放樣: 點與點之間至少 10m，放樣地點盡量以空曠處為最佳。 9. 收方點位檢核: 接收一支天線盤上方應避免遮蔽物，且收方點位收斂值為 5cm 以下，若因地形受限關係，則可視當時狀況更改量測點位，以收斂好壞為考量之因素。 10. 其他因素: 作業人員操控不當或天候狀況不佳及突發事件(車流量多而無法量測)。數值地形模型對於水文學的相關研究如下早期石再添(1980）指出利用電腦將數值地形模型進行河流網路粹取，可減少人工手繪河流時所產生之判斷誤差，資料又能有效的儲存。林昭遠、林文賜(1999) 以數值地形模型對坡面泥沙產量進行推估，以便於坡地的設計、治理及河川流域劃分。林昭遠(1999)以數值地形模型為基本資料，利用排水流向的觀念，萃取集水. 4.

(17) 區的資料，提供動態查詢集水區與屬性資料。沈淑敏(2003)應用歷史航空照片建置數值地形模型，探討海崖後退、河道遷移等。陳雍正（2003）在河川區域進行航空攝影測量，由航空照片建置數值地形模型，討論河川的砂石量和河川地堆積情形，更進而評估航空攝影之優點，指出用此方法可作為河川管理工具。沈明佑（2005）用航空測量之結果，檢討河川資料建置的缺失。詹水性（2006）用數值地形模型，估算河川砂石疏濬量，並與河川管理單位比較，評估數值地形模型估算河川砂石疏濬量之可行性。到了近期，莊育侃(2010)利用不同時期的航空照片(1904 至 2006 年)建置數值地形模型，探討河道變化以及可能發生的原因，從各個時期數值地形模型，觀察河道變化的現象，河道由東大幅度轉向南流，並發現地上構造複雜，有些許褶皺構造，最後指出利用歷史地形圖能提供高精度數值地形模型，有利於分析河流路徑。. 5.

(18) 二、研究區域 2.1 地理環境宜蘭蘭陽溪原名為宜蘭濁水溪，是宜蘭平原上的主要河川，其上游沿著台灣最主要的斷層梨山斷層發展(宋國城等，1998)，因此河岸地質脆弱容易崩塌，再加上東北季風常形成豪雨，上游帶來大量的泥沙，造成主支流匯集處，常有沖積扇群(齊士崢等，1998)。蘭陽溪主流全長 73 公里，流域面積 978 平方公里，根據統計每年尚有 300 萬立方米淤積於河道，支流眾多，發源於中央山脈南湖大山北麓，流經牛鬥後，於噶瑪蘭大橋附近會合宜蘭河、冬山河，注入太平洋，是台灣東北部最大的河川。由台灣地質圖可知，宜蘭平原周圍的地層，北側為雪山山脈，由始新世至漸新世之變質岩構成；南側為中央山脈，由始新世至中新世輕度變質岩所構成，也是本研究清水溪流域所經之處，梨山斷層為雪山山脈與中央山脈的分界，而梨山斷層向東可能延伸到宜蘭平原。. 2.1.1 地理地形本研究區域清水溪流域如圖 2.1，為台灣東北宜蘭縣蘭陽溪的支流，地形方面，屬於中央山脈的山地地形，源頭位於大元山，源頭位置同時為蘭陽溪河系與南澳溪河系的分水嶺(表 2.1)，地勢由向北至西北方向慢慢降低。流域分佈於宜蘭縣中部，在三星鄉西部及大同鄉中部偏東地區。清水溪發源於大同鄉東北麓的大元山，先往東北流，再往北流，經大同鄉的地熱發電場，與左岸同樣發源於大同鄉的赤鹿坑溪會合後，接著轉西北流，再與左岸發源於三星山東北約 1.5 公里處的大溪會合，向東北流至清水橋與清水溪本流會合轉向西北注入蘭陽溪。支流名稱源頭位置清水溪. 大元山 (1489M). 赤鹿坑溪. 溫泉山 (1135M). 大溪. 遭難山 (1913M). 表 2.1 各支流源頭. 6.

(19) 圖 2.1 蘭陽溪流域圖，紅色部分為研究區域. 2.1.2 氣候環境宜蘭縣位於北緯 24 度到 26 度之間，為亞熱帶季風氣候區。地形方面，東邊面對太平洋，其餘三面被山脈環繞；氣溫方面，在平原地區年平均溫度為 22℃，七百公尺之丘陵地區年平均溫度 18℃。受到東北季風及地形影響，降雨豐沛終年有雨，乾季短暫出現在梅雨來臨前與沒有颱風的七月，根據中央氣象局雨量站統計，山區年雨量可達 5000mm 以上，平原地區多在 2500mm 左右，而其中主要的雨量，是每年秋冬寒冷的東北季風，及颱風在宜蘭地區移動時，受到三面環山的影響，帶來的強風暴雨，而其中颱風是破壞力最強的天然災害，多半在七、八月份侵襲台灣，根據中央氣象局統計，每年侵襲台灣的颱風，有 40%會從宜蘭登陸，造成重大的風災和水災，帶給宜蘭嚴重的損失。. 2.2 地質背景清水地區的地表地質研究主要有吳永助和張寶堂(1976)、曾長生(1978)、林啓文和林偉雄(1995)和盧建中等人(2012)。這些調查將本區域中新世廬山層依岩性分為 2 至 3 岩段，岩性並無太大差異，差別在於地層之命名，而本研究區域地質，是根據林啟文等人(1995)經濟部中央地質調查所的三星圖幅對此區地層作說明，清. 7.

(20) 水區流域位於中央山脈的板岩區，出露於清水地區的地層為中新世廬山層，主要分為二段，各為下方的清水湖段與上方的仁澤段(圖 2.2)。. 2.2.1 地質岩性由下而上為南蘇澳層、廬山層清水湖段、廬山層仁澤段、沖積層，簡述如下: 南蘇澳層(Ns) 年代介於始新世至漸新世，標準剖面的下部以厚 40 至 250 公尺白色片狀粗粒長石砂岩與板岩為主，單層砂岩的厚度小於 2 公尺；上部以板岩為主，偶夾千枚岩、薄層片狀砂岩與石灰岩，並含變質輝綠岩岩脈。此層並沒有完全出露，分布區域由蘇澳南方蘇花公路及海岸向西延伸，經南蘇澳山、小帽山至南澳北溪中由轉向西南方向延伸，可能為銅山斷層所截。本層出露部分的厚度約 500 至 700 公尺。廬山層(Ls) 根據有孔蟲化石推測本段可能為中新世中期地層，化石時代的對比大約和西部麓山帶的大寮層、石底層和南港層對比，也可以和雪山山脈的蘇樂層相當。在早期一般稱下部板岩系或廬山階(張麗旭，1974)，泛指中央山脈脊樑地區的板岩地層，是一以板岩或硬頁岩為主的地層，大部分由黑色到深黑色的硬頁岩和板岩及灰色的硬砂岩互層組成，和西邊的雪山山脈中間可能隔著一個斷層，廬山層則由時間地層廬山階來的(何春蓀，1975)，標準地層在南投縣仁愛鄉廬山溫泉區，。 1.清水湖段(Lsc) 岩性以厚的黑色板岩為主，有好的板劈理發育，在寒溪北方 1 公里的番社坑溪左岸，出露數公尺的鈣質砂岩及貝殼化石。在梅花湖中和西側，出露板岩夾數公尺厚之砂岩。在馬崙溪下游，以厚層板岩為主。在本研究區域內，以厚層板岩為主，偶夾薄層或透鏡狀變質砂岩。由岩層包絡面估計其厚度有 1500 公尺以上。本段之下地層為南蘇澳層，翠峰湖北側可能以不整合接觸，與上覆之仁澤段以整合接觸。 2.仁澤段(Lsj) 以淺灰色硬頁岩，或硬頁岩與薄層變質砂岩的互層為主，標準的位置在仁澤溫泉附近、碼崙溪中游、田古爾溪與土場溪下游，在本研究區域內，以硬頁岩與砂岩的薄互層為主，並出露許多砂岩脈與崩移構造，這些崩移構造多為崩移褶皺和獨立岩塊。岩層中等斜褶皺分布廣泛，由包絡面估計其厚度有 1200 公尺以上。沖積層全新世地層。分布於蘭陽溪中游、清水溪中下游及南澳北溪上游。分布於河床、河谷平原和海岸平原上，佔有廣大面積，厚達數百公尺，主要以變質砂岩與板岩所構成的礫石與砂。. 8.

(21) 2.2.2 地質構造由林啓文與林偉雄(1995)三星圖幅指出中央山脈地區，是由多條斷層控制整體地層分布，由小褶皺的伸向或旋轉方向推斷，廬山層本身構成一主要的複向斜軸。本研究區域構造主要有，沿清水溪流域的清水溪斷層，清水溪斷層以南一複向斜及清水溪斷層以西一複背斜，還有大溪上游的一複背斜(圖 2.2). 圖 2.2 中央地質調查所台灣地質圖說明書三星圖幅(修改自林啟文與林偉雄，1995). 9.

(22) 清水溪斷層此斷層與清水溪的河谷平行，西北一東南走向。斷層東北和西南兩側所出露的位置在廬山層的清水湖段與仁澤段，為一橫移斷層。古魯斷層此斷層大概沿番社坑西向南延伸，經分水嶺後沿南澳北溪河谷至同山西側。斷層西側出露地層為南蘇澳層與廬山層，東側出露東澳片岩、南蘇澳層與廬山層。斷層西側的廬山層仁澤段並未在斷層東側出露，推斷此斷層為-左橫移斷層。翠峰湖斷層此斷層位於翠峰湖北側，約成東北-西南走向。斷層向東北延伸被古魯斷層所截。斷層西北側出露地層為廬山層清水湖段；斷層東南側出露南蘇澳層與廬山層清水湖段，岩層、劈理位態均為西北-東南走向向西南傾斜。此斷層可能為左移性質之高角度逆衝斷層。由吳永助和張寶堂(1976)於清水、土場一帶地質圖指出，清水區有兩條斷層，即三星斷層與梨山斷層，梨山斷層位於清水下游接近蘭陽溪處，三星斷層通過處多為板岩層，而三星斷層為林啓文與林偉雄(1995)於台灣地質圖-三星圖幅中清水溪斷層以南複向斜的位置。由曾長生(1978)於宜蘭縣清水、土場地熱區地質圖指出，清水區有三條斷層，分別為大溪斷層、小南澳斷層及清水溪斷層。其中大溪斷層從清水溪下游，向西南大溪附近延伸，經碼崙溪、田古爾溪至仁澤南邊；並於清水山北北西方、西北方、大溪東岸與清水溪下游等位置觀察到斷層泥斷層角礫岩等現象。小南澳斷層自小南澳北邊大致向西南延伸，經清水山南面至九分山南面進馬輪溪處與大溪斷層相接，為林啓文與林偉雄(1995)於台灣地質圖-三星圖幅中清水溪斷層以南複向斜的位置。此斷層的判斷因清水溪支流大溪北岸存在擾動帶，導致大溪溪變支流的地層接呈倒轉。清水溪斷層在清水溪流域中，且在露頭中常見走向北北西的小錯動，且均具右移性質，曾長生認為是因應力行為改變所造成的剪裂帶。盧建中等人(2012)於宜蘭清水地熱區之地質岩層(圖 2.3)提到，清水地區岩層主要延伸方向為東北-西南走向，傾角小。主要分為兩段，一以厚的灰黑色板岩為主，有時夾變質砂岩透鏡體；另一以淺灰色硬頁岩夾薄變質砂岩。沿著赤鹿坑溪可見多處山崩，並在赤鹿坑溪附近發現斷層泥與斷層角礫岩，於清水溪的清水溪斷層附近，看到褶皺與斷層的出露，且有斷層泥與斷層角礫岩。. 10.

(23) 圖 2.3 宜蘭清水地熱區之地質構造(修改自盧建中等人，2011). 11.

(24) 第三章、研究方法 3.1 航空攝影測量航空攝影測量(Aerial Photogrammetry)是利用飛機搭載相機在空中進行拍攝，拍攝者不用接觸所拍攝的目標，不受地形、交通等限制；空中拍攝的像片，會記錄當時的地形、地質、水文等資訊，進而分析不同時期地表形狀、位置和特性等。早期拍攝航空像片(航照)主要用作軍事目的為主，現今的航照應用範圍廣泛，可以用作學術研究、水資源河道分析、都市發展、工程評估、災害的評估，隨著拍攝的目的不同與科技技術的進步，對於相機的參數與影像解析度等要求也越來越高，而因此有許多不同規格的航空相機。. 3.1.1 影像來源本研究所使用的航空像片來自於行政院農業委員會林務局農林航空測量所(農航所)，農航所是航空遙測製圖的公務機關，至今製圖超過五十年，前身為農村復興聯合委員會，民國 88 年改隸為農業委員會林務局農林航空測量所(表 3.1)，主要任務使用航空遙測飛機執行航空測量製圖及農林資源航空遙測調查業務，將當時的影像記錄下來，做為農業生產、區域規劃、土地安全等調查用，當災害發生，可提供災害前後的影像，獲取災害情況，提供救災和重建之用。遙測飛機以 BE-350 及 BE-200 為主，98 年 6 月起 BE-350 進行五年大檢無法使用，農航所自 65 至 94 年拍攝之航空影像約有 80 萬張，於 94 年開始加速高精度掃瞄建檔之工作；於民國 95、96 年添購兩台儀器，分別是數位製圖相機 Z/I DMC(Digital Mapping Camera) 及空載多光譜掃描儀 Leica ADS 40 (Airborne Digital Scanner40)，縮短了後製圖資的流程，及增加了應用的效益，並取代了底片航空相機與多光譜掃描儀，作為現今農航所主要拍攝的工具(表 3.2)。主要事項. 服務內容. 民國 43 年成立森林資源及土地利用航測調查隊. 農林資源調查. 民國 60 年引進 PA-31 航測飛機. 拍攝及製圖. 民國 62 年改隸林務局. 農林資源調查、像片基本圖. 民國 68 年購入 Beechcraft 200 航測飛機. 拍攝及製圖. 12.

(25) 民國 69 年購入 DS-1260 多光譜掃瞄系統. 農林資源調查、像片基本圖. 民國 84 年購入 Beechcraft 350 航測飛機. 拍攝及製圖. 民國 88 年改隸行政院農林委員會林務局農林航空測量所. 農林資院調查、像片基本圖. 民國 96 年購入 Z/I DMC 航照數位相機. 拍攝數位影像. 民國 97 年購入 Leica ADS40 空載數位掃描儀. 拍攝數位影像. 表 3.1 農航所歷史歷程(農航所) 主要使用之相機. 底片種類. 1969-2008. RC8-403、RC10-3113、RMKA1523、RMKA2123、 RMKA3023、RMKTOP15、RMKTOP30、RMKA8523. 傳統像片. 2007-現今. DMC、ADS. 數位影像. 表 3.2 農航所主要相機及底片種類(農航所). 3.1.2 相機介紹傳統航空相機拍攝(圖 3.1 和圖 3.2)，需裝載底片，一般像片前後重疊部分 60% 以上、左右重疊部分 20%，拍攝完之底片再經由 A/D(Analog-to-digital converter, ADC, A/D)轉為數位影像。數位製圖相機(Digital Mapping Camera, DMC)(圖 3.3)，DMC 是透過陣列式的 CCD 來成像，可以確保影像成像的幾何精密性，並提供現代化解析至精密的影像平台，用來支援高精度及高解度的攝影任務，並取代舊款以底片為基礎的航空相機，不論是小比例尺的製圖到高解析度的製圖，都可以透過數位製圖相機完成，當 GPS 資料遺失，或是飛機飛行中有擾動的狀況、光線供應不足等情形，都可以透過高品質的陣列影像來確保其正確性，其相片品質與以前的傳統底片式航空相機相比，有明顯的提升。. 圖3.1 RC10相機. 圖3.2 RMKTOP15相機. 13. 圖3.3 DMC數位製圖相機.

(26) 傳統底片影像進行匹配時往往存在遮蔽問題，因科技進步，數位航空相機可不必裝載底片，節省了傳統航空相機連續拍攝過的底片捲動時間，並且可拍攝前後重疊 80% ~ 90%、左右重疊 60%的影像，高重疊率的影像。如圖 3.4 傳統航空相機連續拍攝兩張相片 A、B，但 a、b 處卻因被遮蔽而無法觀測，數位航空相機可在 A、B 兩張相片中間多拍 C、D 兩張相片，能使影像匹配的精度提升，更精準地呈現地形。. 圖 3.4 重疊率提高示意圖本研究使用航空相機內方位參數及各年份影像資料如表 3.3 和表 3.4. 相機名稱. 焦距長度(mm). 像主點於 X 方向(mm). 像主點於像元尺寸 Y 方向(mm) (um). 相片類型. RC10. 152.99. -0.011. 0.007. 14. 傳統底片. RMKTOP15. 152.818. 0.004. -0.006. 14. 傳統底片. DMC. 120. 0. 0. 12. 數位底片. 表 3.3 本研究影像使用的相機資訊拍攝年份. 82. 91. 95. 97. 拍攝日期. 7/20. 3/12、7/26、11/11. 8/14. 1203. 相機型號. RC10 3113. RMKTOP15 144986. RMKTOP15 144986. DMC. 航線高度(m). 3500-4500. 4175、4725、3995. 3595. 3300. 拍攝單位. 農航所. 農航所. 農航所. 農航所. 航向. N-S. N-S. N-S. N-S. 影像種類. 傳統影像. 傳統影像. 傳統影像. 數位影像. 表 3.4 本研究各年份影像之資料. 14.

(27) 3.2 數值地形模型建置流程一般來說，數值地形模型(Digital Terrain Model;DTM)分為兩種，DTM 同時為以下兩種模型之統稱，針對不同資料特性選擇不同模型進行使用。 1. 數值地表模型(Digital Surface Model,DSM)，包含地表上所有的物體(如:建築、樹林、車輛等)所建置之數值模型(圖 3.5a)。 2. 數值高程模型(Digital Elevation Model,DEM)，除去地表上的建物、植被，並保留原始地表高程所建置之數值模型(圖 3.5b)。航空像片不能將地表物的資訊移除，故本研究中，所指的 DEM 是將含有地表物的高度平滑後產生而成，並非原始高程的呈現。為了得到地表立體的空間資訊，需要利用視差來產生立體感，因此想從航空像片建立立體感，需要從不同的拍攝點進行拍攝，利用像片與像片影像重疊的部分來建立立體感。對於像片與像片相同的涵蓋區域，在 ERDAS IMAGINE 的 Leica Photogrammetry Suites 軟體(在 3.4.章節將介紹)下用相機內方位參數與精準的地面控制點進行空中三角計算，得到外方位參數，將外方位參數帶入 MATCH-T 軟體(在 3.4.章節將介紹)產生數值地形模型，進而提供後續研究分析之用。. a. b 圖 3.5 數值地表模型(左 DSM，右 DEM). 本研究建置數值地形模型流程如圖 3.6 所示，步驟 1-4 使用 LPS 軟體，求外方位參數，步驟 5 使用 MATCH-T 軟體，建置數值地形模型，步驟 6 使用 Quick Grid 及 Mirone 兩軟體，進行格式轉換，步驟 7 使用 Mirone 進行平差，步驟 8 在 ArcMap 下進行成果分析與討論。. 15.

(28) 圖 3.6 建置數值地形模型流程圖. 16.

(29) 3.2.1 像片選擇航空像片在進行拍攝時，無法以一張像片就涵蓋所有區域範圍和達到高解析度的要求，同時為了利用航空像片建立立體感，所以會利用像片與像片間重疊的部分建置數值地形模型(圖 3.7)。要建置數值地形模型，在像片的選取上就必須注意到以下(圖 3.8) 1. 同一航帶前後像片須要有 60%以上的重疊率 2. 兩相鄰的航帶像片重疊須 20%-30% 3. 像片有無被雲所遮蔽或天氣關係造成相片解析度不好、反光等 4. 航空拍攝時的路線、相機的種類、航空高度等，也就是拍攝的航空資訊(通常指焦距、像主點位置與框標點). 圖 3.7 航照重疊示意圖. 圖 3.8 航帶與重疊率示意圖. 17.

(30) 3.2.2 地面控制點的選取地面控制點（Ground Control Point，簡稱 GCPs）一般指地表上已知的大地座標 (X、Y)和垂直的高程(Z)，地面控制點在航空攝影測量是非常重要的一個部分，當在影像與現地都能辨識出此控制點，就可以利用來建立當時航空像片的像片中心座標與位態。一般尋找控制點的方法有以下兩種 1. 航空像片正射圖尋找 XY 座標，並利用地形圖或前人建置之 DTM 尋找 Z 座標 2. 利用儀器 Real Time Kinematic - Global Positioning System,簡稱 RTK-GPS 即時動態測量 GPS，現地測量航照上找的到的位置資料，精度較前一種方法高。控制點需均勻地散佈在像片中，以無變動區域為優先，排除非固定之物點，才能建立精準的共線方程式，不過通常控制點數量是有限的，若控制點數量不夠，為了更準確計算出外方位參數，可以利用重疊影像於明顯易辨認位置建立連接點 (共軛點 Tie point)，以提高外方位參數之精度，其選取方式有以下幾點條件(莊育侃，2010)： 1. 要明顯易辨認、解析力好、易於連續像片中辨別。 2. 與成像邊緣需有 1~2 公分距離。 3. 同一控制點或連接點涵蓋於各像片情形，相同航帶涵蓋 3 張像片以上效果較好，若有相鄰航帶涵蓋 5 張像片以上影像效果較好。 4. 需均勻分佈於像片上，且數量越多越能達到提高精度的效果。 5. 由自動匹配之連接點，需再次確認其物點屬性，同樣以無變動區域(道路、農地、 GPS 標記點等)為優先，對於非固定之物點會造成較大的誤差，因此需加以排除(如：陰影、草叢、河道中水面等)。本研究利用方法 1 進行地面控制點選取，使用農航所與群立公司的正射影像尋找 XY 座標，再用前人建置完成之 5m 數值地形模型尋找 Z 座標，並依照上述 5 點要點選擇控制點，進行影像匹配，建置數值地形模型。. 18.

(31) 3.2.3 空中三角計算在進行空中攝影時，常會受到外圍氣流所影響，造成飛機有不穩定的現象，相機也會跟著不穩定，所拍攝的像片也就不是真實的位態，如圖 3.9 所示。為了將像片拉回真實的位態(大地座標)，因此進行空中三角計算，由共線方程式解算像片的外方位參數，回歸真實的大地座標。在一張像片中內、外方位共有九個元素，九個元素對每一個光束都可寫成一個共線方程式，因此，只要給足夠的元素條件，運用在整張像片上，並利用共線方程式來求取每張像片之地面真實座標。. 圖 3.9 像片位態與飛機飛行示意圖. 3.2.3.1 內方位參數. 內方位參數是指將像片座標和影像座標做連結，其中包含了相機率定參數(例如:框標與像主點之像片座標、焦距、鏡頭畸變率等)及相片每一個像素所代表之座標。拍攝像片時，將三維的空間系統用二維座標系統取代，因為是二維座標系統，所以 z 軸通常省略。而像片內的座標由周圍的框標決定，像片框標中心點由像片框標決定，因框標座標為已知，而 X 軸與 Y 軸交會點為框標中心點。利用透視中心 L 在像片座標內表示內方位的幾何元素，在像片曝光與顯影後，將像片與相機的 x0、 y0 及 f 修正，使像主點 O 點與框標中心交會交於同一點(圖 3.10)。. 19.

(32) 圖 3.10 內方位示意圖(修改自 Leica Geosystem GIS& Mapping, 2010）. 3.2.3.2 外方位參數. 外方位參數是指將大地座標和影像座標做連結，並以三維的大地座標表示空間中物體的位置與方位，主要是利用影像中的控制點與連接點做連結。每張像片都包含三個內方位參數及六個外方位參數，共九個參數，內方位為 x0、y0 及 f（焦距），外方位則為 X0、Y0、Z0、ω(方位角）、ψ（傾角）、κ（旋角），而 ω、ψ、κ 為對影像座標 x、y、z 的旋轉參數(圖.3.11)，內、外方位的關係可以用ㄧ共線方程式來求取整張像片的真實地面座標。. 20.

(33) 圖 3.11 外方位示意圖（修改自 Leica Geosystem GIS & Mapping, 2010）共線方程式計算控制點與像點之間的關係，一個像點可以列出兩個方程式，兩張影像中要有 3 個相同控制點，也就是說要有 6 個像點和 12 個方程式以求出外方位參數，控制點越多可求解方程式越多，所計算出的外方位也更準確。. 21.

(34) 3.3 平差建置完成之不同時期數值地形模型分別以基準 DTM 與正射影像進行分析，若自行建置之 DTM 與基準 DTM 的高程誤差太大，並未在相同基準面上，就會影響分析上的精準性，此時就需要使用平差方法來降低 DSM 之高程誤差，以提升高程之精度，而造成數值地形模型誤差的主要原因是，輸入的地面控制點(X,Y,Z)不精確或航空相機所拍攝之影像品質不佳，使得空中三角計算及影像匹配受到影響，造成地形面上低頻大地起伏的誤差，以致影響高程分析之精度，此時就需要使用地形平差的方法，利用相對高程來提升高之精度，以進行後續的分析。高斯模糊，又叫高斯平滑，是在圖像處理軟體(EX:Adobe Photoshp)最廣泛使用的處理效果，將圖像取不同半徑的參考圓，用常態分佈計算圖像中每個像素的變換，每個像素的值都是周圍相鄰像素值的加權平均，原始像素的值有最大的權重，隨著距離原始像素越遠，權重越小，通常用以減少圖像高頻的訊號及使影像變化平緩，所以高斯平滑對於圖像來說就是低通濾波器的效果。本研究是將自行建置 DTM 與基準 DTM 相減，將高程差先經過高斯平滑後，也就是保留低頻的部分，再將保留低頻的高程差帶回自行建置之 DTM，也就是將低頻的部分去除、抑制低頻的影響，且凸顯高頻及邊緣的部分，使影像更清晰，也就是高通濾波的效果，而詳細的平差步驟如下 1. 在欲平差與基準之 DTM 相同位置上切高程差剖面。 2. 待平差 DTM 減基準 DTM，求得兩者之高程差值。 3. 將高程差值取高斯平滑，即生成一低頻的高斯平差曲面，此曲面同時為待平差 DTM 與基準 DTM 之誤差曲面。 4. 待平差之 DTM 減掉誤差曲面，平差即完成以 97 年 DMC 影像為例，圖 3.12 為清水區流域一剖面平差前後資料. 圖 3.12 平差前後剖面圖(紅色為平差前，藍色為平差後，黑色為基準). 22.

(35) 3.4 軟體介紹本研究中主要使用的軟體程式為以下三項 1. Leica Photogrammetry Suite(簡稱 LPS)為 Leica 公司所發展的ㄧ套 IMAGINE 的附加套件，主要在簡化航空攝影測量的處理作業，減少空中三角測量及正射影像所需的時間，也能夠產生數值地形模型，本研究中使用的版本為 LPS2010，主要進行空中三角測量，取得像片的外方位參數。 2. Inpho MATCH.T 是德國 Inpho 所開發的軟體，該公司專門針對地形模型開發軟體，以航空像片處理為基礎，建立數值地形模型，針對整個測區內來做地形起伏或地質構造的研究。MATCH.T 從已知的內方位參數與六個外方位參數將影像轉成共線影像，並且自動萃取其相同特徵點來進行影像的匹配，可自行設定網格的大小、間距及不同要求的圖層類型等，本研究中使用的版本為 MATCH.T5.2，主要將內方位參數與 LPS 所取得的外方位參數匯入，進行影像的匹配，生成數值地形模型。 MATCH.T 程式建置 DTM 衍生出幾個成果(摘自王嘉銘，2009) (1) DTM是由大量的點位製成，MATCH.T對於點位的觀測數提高(圖3.13)，DTM的精度將提升許多。 (2) 平差提供許多評估參數提供分析建置精度。 (3) 由斜坡、表面粗糙度及地形起伏較大的影響降低。 (4) 由於是自動量測大量點位，對於相同特徵點量測的點位減少。 (5) 自動偵測誤差，並可消除非地表面之遮蔽物。 (6) 由自動量測大量點位可以自動偵測明顯特徵點，不需人工進行判釋. 圖 3.13(a)傳統點位匹配(b)MATCH.T 自動多點匹配(王嘉銘，2009) 3. ArcGis Desktop 是美國 ERSI 所開發的軟體，40 多年的地理資訊系統資訊和開發，具有強大的地圖製作、空間數據管理、空間分析、空間信息整合等能力，可呈現不同的空間資訊，從早期 2D 的空間分析，一直到 3D 可視化操作。本研究中使用的版本為 ArcMap10，主要將數值地形模型匯入，進行空間分析。. 23.

(36) 四、數值地形模型展示 4.1 航空像片年代本研究探討宜蘭清水溪流域河道及地表變化情形，利用航空像片搭配既有的正射影像 XY 座標與前人建置之 DTM 中 Z 座標建置 DTM，控制點選擇以該年代較無改變之位置為優先，因此不同年代的控制點選擇會有所不同，分析 82、91、95 及 97 年的航空像片(圖 4.1)，其中 91 年高程參考資料精度較 82、95 及 97 高，可能因像片清晰度較高與控制點的選擇較好，所以精度比較高，本研究藉由不同之高程參考資料，觀察不同年代數值地形模型建置之情形；而 82、91 及 95 年航空相片使用傳統底片式的相機，其中 91 及 95 年使用相同之相機，97 年航空像片使用數位的相機，觀察不同影像品質建置之結果，了解不同時期的高程變化及河道變化的情形，再配合現地調查佐證分析之成果。航空像片中 82 及 91 年航空像片涵蓋清水溪流域上中下游，95 及 97 年航空像片只涵蓋中下游區域，因此使用四個不同時期進行中下游之評估，再對 82 及 91 年航空像片進行上游的評估。而由於 82 及 91 年上游部份部分區域影像因河道範圍較窄容易受樹木的影響，導致上游部分區域建置之 DTM 不完整，無法分析，故以中下游流域分析為主，在本章節仍展現上游建置之成果。. 圖 4.1 各時期影像涵蓋區域於相片圖(紅:中下游區、藍:上游). 24.

(37) 4.2 數值地形模型建置成果一、82 年航空像片數值地形模型建置 1. 拍攝時間:民國 82 年 7 月 20 日 2. 航空方向:二個航帶由右到左分別為 N-S、S-N 3. 相機型號:RC10 3113 4. 影像數量:二個航帶由右到左分別為 13、12 張，共 25 張(圖 4.2)。 5. 建置情形:一般在點選控制點的部分，會選擇道路、水溝蓋一些固定不動的點進行點選，在下游區，控制點選擇，以能見到的道路、建築物和田地為主，而建置的難度在於中上游地區的影像中只有樹林與河道，導致控制點點位較少(圖 4.3 & 圖 4.4)，因樹林與河道不易尋找長久無改變的位置，故尋找控制點較難。章節 1.4 文獻回顧提到建議將 RMSE 縮小至 RMSE 0.2 以內，82 年影像在 LPS 下經空三計算後，均方根誤差 RMSE 第一航帶 0.38、第二航帶 0.39，未在建議之內，導致誤差較大，是由於此時期的相機屬於傳統底片式相機，像片品質與解析度較差，所建置出之 DTM 均方根誤差不易縮小，故 RMSE 值較高。但將建置好之 DTM 放大觀察，DTM 無明顯因匹配不佳而造成的低頻訊號，地形清楚正確(圖 4.5 和圖 4.6)；與基準比較，在絕對高程的部分約有 5m 的誤差，需透過平差的方法將高程修正，方能分析供後續使用。. 圖 4.2 82 年航空像片與航帶分布圖(黃點航空像片拍攝中心之位置). 25.

(38) 圖 4.3 82 年航帶 1 控制點與連接點分布之情形 (紅:控制點位置，黑:連接點位置，色階圖範圍為 82 年航帶 1 之位置). 26.

(39) 圖 4.4 82 年航帶 2 控制點與連接點分布之情形 (紅:控制點位置，黑:連接點位置，色階圖範圍為 82 年航帶 2 之範圍). 27.

(40) 圖 4.5 82 年清水溪地區 DEM 建置成果. 28.

(41) 圖 4.6 82 年清水溪地區 DSM 建置成果. 29.

(42) 二、91 年航空像片數值地形模型建置 1. 拍攝時間:民國 91 年 7 月 26 日 2. 航空方向:二個航帶由右到左分別為 N-S、S-N 3. 相機型號:RMKTOP15 144986 4. 影像數量:二個航帶由右到左分別為 6、7 張，共 13 張(圖 4.7)。 5. 建置情形: 與 82 年 DTM 建置情形相同，建置的困難在於中上游地區的影像中只有樹林與河道，不易尋找控制點，控制點較少(圖 4.8 和圖 4.9)；在 LPS 下經空中三角計算後，均方根誤差 RMSE 第一航帶 0.19、第二航帶 0.27；此時期所使用的參考資料精度較其他年份高，使得建置之數值地形模型於高程誤差下降，與基準 DTM 比較，高程誤差約 2m。將 DTM 放大觀察，DTM 無明顯因匹配不佳而造成的雜訊，地形清楚正確，建置之 DTM 於品質上是可接受的(圖 4.10 和圖 4.11)，而為了進行後續之分析與降低誤差的影響，仍須進行地形平差的動作。. 圖 4.7 91 年航空像片與航帶分布圖(黃點航空像片拍攝之中心位置). 30.



(45) 圖 4.10 91 年清水溪地區 DEM 建置成果. 33.

(46) 圖 4.11 91 年清水溪地區 DSM 建置成果. 34.

(47) 三、95 年航空像片數值地形模型建置 1. 2. 3. 4.. 拍攝時間:民國 95 年 8 月 14 日航空方向:二個航帶由右到左分別為 N-S、S-N 相機型號:RMKTOP15 144986 影像數量:二個航帶由右到左分別為 4、4 張，共 8 張(圖 4.12)。 5. 建置情形: 在 LPS 下經空中三角計算後，均方根誤差 RMSE 第一航帶 0.26、第二航帶 0.27，由於影像涵蓋的範圍較前兩時期小，無涵蓋到上游區域，於控制點的選取相較前兩時期容易(圖 4.13 和圖 4.14)，加上 95 年影像品質較 82 年影像好，以至於誤差較 82 年 DTM 低；與基準比較，高程誤差約有 3 米，在 95DEM 中於大溪流域的山壁上，地形有明顯的改變，以及一部分影像邊緣處有變形的情形(圖 4.15 和圖 4.16)，可能此位置控制點與連接點匹配情形較差，導致 DEM 之地形產生誤差，對於此情形無特別處理，因不影響主研究的清水溪流域，而為了進行後續之分析與降低誤差的影響，仍須進行地形平差的動作。. 圖 4.12 95 年航空像片與航帶分布圖(黃點航空像片拍攝中心之位置). 35.

(48) 圖 4.13 95 年航帶 1 控制點與連接點分布之情形 (紅:控制點位置，黑:連接點位置，色階圖範圍為 95 年航帶 1 之位置). 圖 4.14 95 年航帶 2 控制點與連接點分布之情形 (紅:控制點位置，黑:連接點位置，色階圖範圍為 95 年航帶 2 之位置). 36.

(49) 圖 4.15 95 年清水溪地區 DEM 建置成果. 圖 4.16 95 年清水溪地區 DSM 建置成果. 37.

(50) 四、97 年航空像片數值地形模型建置 1. 拍攝時間:民國 97 年 12 月 3 日 2. 航空方向:二個航帶由右到左分別為 N-S、S-N 3. 相機型號:DMC 4. 影像數量:二個航帶由右到左分別為 8、8 張，共 16 張(圖 4.17)。 5. 建置情形:在 LPS 下經空中三角計算後，均方根誤差 RMSE 第一航帶 0.25、第二航帶 0.14，此時期所建置之區域，皆有道路及一些易辨視之位置作為控制點(圖 4.18 和圖 4.19)，加上影像為數位影像，影像的品質高，均方根誤差降低，建置之 DTM 良好，於 DTM 上可清楚看見地表上建築物輪廓，地形位置均無變形、移位，與基準的 DTM 高程相近，高程誤差在 1 米以內；由於右航帶前兩張航空像片，因雲造成右上地區無法建置，故將 DTM 中右上方受影響部位移除(圖 4.20 和圖 4.21) ，而為了進行後續之分析與降低誤差的影響，仍須進行地形平差的動作。. 圖 4.17 97 年航空像片與航帶分布圖(黃點航空像片拍攝中心之位置). 38.

(51) 圖 4.18 97 年航帶 1 控制點與連接點分布之情形 (紅:控制點位置，黑:連接點位置，色階圖範圍為 97 年航帶 1 之位置). 圖 4.19 97 年航帶 2 控制點與連接點分布之情形 (紅:控制點位置，黑:連接點位置，色階圖範圍為 97 年航帶 2 之位置). 39.

(52) 圖 4.20 97 年清水溪地區 DEM 建置成果. 圖 4.21 97 年清水溪地區 DSM 建置成果. 40.

(53) 由 91 年與 95 年資料可知，相同影像品質，參考資料的精度不同，91 年參考資料精度較高，95 年參考資料精度較低，造成不同之 RMSE，參考資料精度提高可確實使 RMSE 下降，而為了看細部建置的情形，將各時期建置好之數值地形模型任選一區域放大(圖 4.22、圖 4.23、圖 4.24、圖 4.25)，首先看到 DSM 中看到山坡上樹木的有顆粒感的部分及 DEM 中將樹木平滑後的部分；於河道中能看到側邊堆積的部分，與河流流過的部分；其中比較值得注意的是，影像品質的不同，可從建置的結果很明顯看出差異，91 與 95 年 DTM 較 82 年 DTM 清晰，河道及河道兩側更清楚，而 97 年 DTM 又較 91 與 95 年 DTM 更加清晰，連建築物的部分，都能清楚的呈現。. 圖 4.22 82 年清水溪地 DTM 建置成果比較(左圖為 DEM，右圖為 DSM). 圖 4.23 91 年清水溪地 DTM 建置成果比較(左圖為 DEM，右圖為 DSM). 41.

(54) 圖 4.24 95 年清水溪地 DTM 建置成果比較(左圖為 DEM，右圖為 DSM). 圖 4.25 97 年清水溪地 DTM 建置成果比較(左圖為 DEM，右圖為 DSM). 42.

(55) 4.3 航空像片正射成果本研究探討清水溪之河道變化，利用數值地形模型及航空相片影像，辨識影像中河道區域，針對河道部分加以分析。在分析之前，需將影像正射，去除因航空像片拍攝時，因風向、大氣、地形等造成影像產生高程差位移(圖 4.26)，應用 Applications Master 中的影像處理軟體 Ortho Master 配合數值地形模型，將影像進行修正，生成接近真實地表垂直拍攝的影像資訊，以進行後續分析工作。. 圖 4.26 高差位移示意圖. 43.

(56) 各年份航空像片正射後的影像如圖 4.27, 圖 4.28, 圖 4.29, 圖 4.30 所示，首先可看出隨著時代的進步，從 82 年航空像片為灰階的影像，91 年及 95 年航空像片為彩色的影像，而 97 年數位航空影像，於影像上明顯較其他三年清晰，利用不同時期 DTM，配合不同時期正射影像所觀察之當時拍攝情形，進行後續分析。. 圖 4.27 82 年航空像片正射圖. 44.

(57) 圖 4.28 91 年航空像片正射圖. 45.

(58) 圖 4.29 95 年航空像片正射圖. 圖 4.30 97 年航空像片正射圖. 46.

(59) 4.4 高斯模糊-平滑曲面選定在地形平差方法中，將高程差值進行高斯模糊(高斯平滑)，濾除因大地起伏造成之低頻訊號造成的誤差，並使影像變得更清楚。將高程差值依不同的取樣半徑進行高斯模糊，而取樣半徑越大，平滑程度越高，反之，取樣半徑越小，平滑程度越低。將不同搜尋半徑的高斯平滑曲面帶回各時期之 DTM，每時期取樣半徑選定是不一樣的，若取樣半徑過低，也就是過濾太少高程差中高頻部分，則無法確實濾除因低頻部分造成的影響，而取樣半徑過高，也就是過濾太多高頻部分，造成 DTM 平差無法呈現地形原始風貌，同時無法使各時期高程在相同基準上進行比較；而平滑範圍的選定，須逐一比較，並找到平差後能最接近基準之 DTM 的高斯平滑範圍，同時呈現能呈現地形原始風貌，才能作為地形平差的曲面。利用 97 年 DTM 減基準 DTM，生成高程差，將高程差依不同取樣半徑進行高斯平滑，如圖 4.31 所示，可看出平面上不同範圍之高斯平滑的情形，由 A 至 F 搜尋範圍加大，影像模糊的程度也更平滑模糊，同時看到隨著取樣半徑提高，影像顏色變淡，也就是高程差值變小，影像高程更接近。. 剖面位置. 剖面位置. A. 剖面位置. 剖面位置. B. 剖面位置. D. C. 剖面位置. E. F. 圖 4.31 高斯平滑曲面(A 原始高程差，平滑範圍 B=200，C=400，D=800，E=1200，F=2000). 47.

(60) 圖 4.32 中呈現原始高程差與不同搜尋半徑的高斯平滑曲面上切剖面，觀察其高程變化情形，其結果如圖 4.32 所示. 圖 4.32 不同平滑範圍之高程變化圖 4.32 中，原始高程差，分布顯示出較高頻，且高頻中有較多的起伏，而觀察高斯平滑曲面的高程變化，確實地使原始高程平滑了；而不同的搜尋半徑，反映了模型平滑程度，搜尋半徑越大所得模型越平滑，濾除的高頻資訊也越多，高程變化越小；搜尋半徑越小，濾除的高頻越少。平滑範圍的選定，是將不同範圍的高斯平滑曲面帶回平差，觀察高程平差後與基準的變化，找出平差後能使地形最接近基準位置的平滑範圍。而本章節以 95 年 DTM 為例，以高斯平滑範圍 400、800、1200 對地形作平差，並與基準 DTM 之高程作比較，如圖 4.33 所示，其中以範圍 400 與 1200 平差之高程和基準位置差異過大，範圍 800 與基準高程最為相近，故 95 年高斯平滑範圍之選擇為 1200，而 82、91 和 97 年高斯平滑範圍選擇各為 800、1200、800。. 48.

(61) 圖 4.33 95 年不同搜尋半徑平差後之高程. 4.5 數值地形模型平差成果將建置之數值地形模型與基準之數值地形模型利用平差方法(章節 3.3)與高斯平滑(章節 4.4)的範圍進行平差，繪製剖面線(圖 4.34)觀察平差前後與基準高程上的變化，看是否平差後落於同一基準面上，方能計算量體的變化，82、91 數值地形模型因上游無較佳的控制點，故建置之高程誤差與基準比較較大，而 95、97 數值地形模型涵蓋範圍控制點掌握較佳，建置之高程與基準比較誤差較小。. 圖 4.34 剖面位置. 49.

(62) A.. 82 年 DEM 平差前後 DEM 整體高程變動約有 20 米，將細部的影像修正更清楚，於整體地形上無太大改變，由圖 4.35 剖面線，平差後整體高程降低約 5 米，確實將高程拉到基準的位置。. 圖 4.35 82 年 DEM 平差前後之高程變化 (紅:平差後高程、藍:平差前高程、黑虛:基準高程) B.. 82DSM 由圖 4.36 剖面線觀察，平差後整體高程降低約 5 米，確實將高程拉到基準的位置。. 圖 4.36 82 年 DSM 平差前後之高程變化 (紅:平差後高程、藍:平差前高程、黑虛:基準高程). 50.

(63) C.. 91 年 DEM 平差前後整體高程變化約 10 米，建置的結果較 82 年好，同時平差前後放大來看修正的更細緻，由圖 4.37 剖面線，平差後整體高程降低約 5 米，確實將高程拉到基準的位置做比較。. 圖 4.37 91 年 DEM 平差前後之高程變化 (紅:平差後高程、藍:平差前高程、黑虛:基準高程) D.. 91 年 DSM 由圖 4.38 剖面線，平差後整體高程下降約 5 米，確實將高程拉到基準比較。. 圖 4.38 91 年 DSM 平差前後之高程變化 (紅:平差後高程、藍:平差前高程、黑虛:基準高程). 51.

(64) E.. 95 年 DEM 於圖 4.39 的剖面線，平差後大部分與基準位置一致，部分區域平差前效果較好，整體高程降低，平差後剖面線確實拉到基準的位置與其他年份作比較。. 圖 4.39 95 年 DEM 平差前後之高程變化 (紅:平差後高程、藍:平差前高程、黑虛:基準高程) F.. 95 年 DSM 於圖 4.40 剖面線，平差後整體高程降低，確實將高程拉到基準比較。. 圖 4.40 95 年 DSM 平差前後之高程變化 (紅:平差後高程、藍:平差前高程、黑虛:基準高程). 52.

(65) G.. 97 年 DEM 平差前後高程變化約 5 米，與 95 年 DTM 相似，受雜訊或影響匹配影響較小，由圖 4.41 剖面線，平差後整體高程小幅降低，並將高程拉至基準做比較。. 圖 4.41 97 年 DEM 平差前後之高程變化 (紅:平差後高程、藍:平差前高程、黑虛:基準高程) H.. 97 年 DSM 平差前後高程變化約 2 米，地形、地表物清楚可見，受雜訊或影響匹配影響小，由圖 4.42 剖面線，平差後整體高程小幅降低，並將高程拉至基準做比較。. 圖 4.42 97 年 DSM 平差前後之高程變化 (紅:平差後高程、藍:平差前高程、黑虛:基準高程). 53.

(66) 4.6 不同航帶平差方法分析不同時期之 DTM，受空中三角參數、影像匹配計算及大地基準面…等影響，造成地形面上低頻之大地起伏誤差，以致影響絕對高程分析之精度，此時就需要使用高斯平滑範圍 800 對地形平差，利用相對高程來提升高程之精度，以進行後續分析及運移量體之計算。建置數值地形模型於同一航帶前後兩張像片需有 60%以上重疊率，相鄰兩條航帶像片需有 20%以上重疊率 (如圖 3.8 所示)，利用航帶 1、航帶 2 分別建置數值地形模型，分析兩條航帶側向重疊的部分，並於清水溪流域上繪製剖面線(圖 4.43)，觀察各年份兩航帶平差前後高程上的變化。圖 4.43 剖面位置圖利用兩航帶建置之 DEM 於側向重疊的區域，不論在高程與地形樣貌應為一致。而不同時期兩航帶剖面線平差前之高程變化如圖 4.44. 圖 4.44 不同時期平差前兩航帶高程剖面. 54.

(67) 由圖 4.44 可知，平差前 82、91、95、97 年不同航帶之高程並不一致，因兩航帶建置時，控制點的不同造成空中三角計算的不一致，導致匹配產生一定的高程誤差，造成 82 年與 95 年之 RMSE 偏高，產生一定的高程誤差，而 97 年因是 DMC 像片，像片品質、解析度較佳，建置品質較好，造成之誤差較小，而其中 91 年高程是較一致的，只有些許的差距，因其高程參考之資料精度較高，控制點精度較好，且控制點的選擇一致，空中三角計算之 RMSE 較低，所以誤差較小。. 圖 4.45 不同時期平差後兩航帶高程剖面在絕對高程精度不足的情形下，使用地形平差方法，用相對高程將高程拉至同一基準面上做比較，由圖 4.45 可知，平差後各年份之高程下降，並確實將不同航帶之高程拉至同一基準面，展示了平差方法對高程修正的情形，同時應證了平差方法的重要性。. 55.