光達數值地形於野外地質調查之應用：以獻肚山崩塌區及谷關

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Volume 20, No.3, 2016, pp. 109-199 DOI：10.6574/JPRS.2016.20(3).3

1國立中央大學地球科學系博士生收到日期：民國 102 年 08 月 29 日

2國立中央大學地球科學系教授修改日期：民國 103 年 07 月 28 日

3國立中央大學太空及遙測研究中心教授接受日期：民國 103 年 07 月 28 日

*通訊作者, 地址：中壢市中大路 300 號國立中央大學太空及遙測研究中心, 電話：03-4227151#57627, 電子郵件：

cpchang@csrsr.ncu.edu.tw

光達數值地形於野外地質調查之應用：以獻肚山崩塌區及谷關-德基區域為例

徐乙君

¹

張中白

^2,3*

摘要

以空載光達測距掃描技術獲取之高精度數值地形資料，有助於線形構造判釋，可做為野外調查之基礎，

本研究以獻肚山崩塌區及中橫公路的谷關-德基地區為例。藉由高解析度數值地形判斷獻肚山崩塌區域有一系列的東北東-西南西向構造，在谷關-德基區域可觀察到近南北向及東北-西南向之構造，但無法判別其屬於何種構造，惟有經過野外勘查才能確定，野外調查尚可確認構造的活動特性、延續性及與其他構造之相互關係。高解析度數值地形判釋線形構造，可用於野外工作規劃，惟應用於區域構造解釋時必須謹慎，與實地查核作交互比對，避免過度解釋。

關鍵字：光達數值地形、線形構造、野外調查

1. 前言

台灣造山帶是一個複雜的弧陸碰撞系統，在此地區地震活動頻繁，造山速度快，構造演化和地表變形相當複雜。為了瞭解台灣地殼及構造演化方向，構造地質圖描繪是相當重要的工作。構造地質圖亦可提供地震及山崩災害危險性評估資訊，並為地下水探勘、石油和礦產資源及其他重大工程提供有用之信息 (Moore and Waltz, 1983; Kresic, 1995;

Karnieli et al., 1996; Wladis, 1999; Pen˜a and Abdelsalam, 2006; Corgne et al., 2010；Grebby et al., 2012)。

傳統的構造地質圖是透過野外調查，進行構造特徵繪製，如:斷層、褶皺、裂隙、節理等，其結果雖然較準確，但卻需花費大量的時間及人力，並有區域及地形上的限制。隨著遙測技術演進，今人可利用遙測訊息及資料，加以辨識及繪製，協助快

速產製全面性的構造地質圖。

在遙測影像(航照、衛星影像)及數值高程模型 (DEM)中，許多重要的構造特徵(如斷層、褶皺、

裂隙、岩脈、節理)會以線形構造顯示(Masoud and Koike, 2006)。線形構造(lineament)是由 O’Leary et al.(1976)所定義的，泛指航空照片和衛星照片上呈 現地表的線形特徵，是由相鄰兩側不同的地表形態所反映的筆直或彎曲之線形，可能為地表高程的變化，抑或走向的改變，其具有反映地下構造的可能性。

然而利用遙測技術判釋線形構造，雖可以快速並大規模調查構造分布，但卻無法確切了解構造特徵及屬性，線形構造所代表之意義仍須經由野外調查才可得知，以分辨此構造特徵為斷層、褶皺、節理或其他構造，進而了解變形機制及歷史。遙測技術判釋線形構造及透過野外調查在進行構造調查時各有優缺點，而兩者的優缺點可相互彌補，故需

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透過遙測技術判釋及野外調查相互輔助，以完成區域構造研究。本研究先採用光達數值地形進行初步調查，得知線形構造分布後再經由地質調查進一步了解其所代表之意義。

2. 研究方法

2.1 空載光達掃描技術

地表上的植被覆蓋和人工建物會隱藏地表構造的信息，故為了精確地呈現地表的立體形貌，除了需要航空照片或衛星影像外，更需要高精度、高解析度的數值高程模型(Digital Elevation Model, DEM)。使用空載光達掃描技術(Light Detection and Ranging，簡稱 LiDAR)所拍攝的影像及獲得的測距資料，即使在森林地形，亦可獲得相對準確和高解析度的地形資訊，以便獲取區域性的地質構造。

空載光達掃描系統是將雷射掃描儀固定於飛行載台上，由空中向地面以近紅外光之脈衝雷射進行掃描，雷射脈衝被物體反射並回到系統接收，於紀錄反射回波及時間後，再將其轉換成距離(Kraus and Pfeifer, 1998; Briese and Pfeifer, 2001)。飛行載具則以全球衛星定位系統(GPS)完成精密定位，同時利用慣性導航系統(INS)獲取飛機姿態維度，導出外部參考座標。

LiDAR 反射訊號具有多重反射 (multiple echoes)之特性，即發射單一脈衝而可接收多個反射回波訊號，因此可同時量測到地表及樹頂之點位資訊；其取得的資料可分為表面資料點與地面資料點，經由內差計算並進行網格化處理後，便可將不同的回波資訊分別製成數值表面模型 (Digital Surface Model, DSM)與去除植被及建物後的數值高程模型(Digital Elevation Model, DEM)。數值高程模型(DEM)可應用於地圖測繪、洪災模擬、地質分析、災害調查等，而數值表面模型(DSM)可進一步再區分為植被、建築物等類別，作為後續森林資源估算、房屋模型建置等應用。本研究採用資料來

源為經濟部中央地質調查所執行之施政計畫「國土保育之地質敏感區調查分析計畫」於 2011 年及 2012 年期間以空載光達技術測製之數值高程模型。

2.2 線形構造判釋

高解析度 DEM 透過 ArcGIS 軟體進行光源投影製作出陰影圖(hillshades)；它模擬人工光照明從一個給定的高度(傾角)和方位角(磁偏角)點源到達反射，將高程的數值變化轉換成具有視覺效果高程的變化，透過陰影圖可清楚分辨山脊、河道、坡地等地形特徵，亦可透過地形特徵變化進而判釋地下構造的分布(Begg and Mouslopoulou, 2010 ; Grebby et al., 2012)。

線形構造的判釋工作主要可分為兩大類，一為利用人工判讀，另一則利用電腦自動萃取；人工判讀主要是透過色調對比和紋理特徵進行判讀 (Akman and Tüfekçi, 2004; Gomez and Kavzoglu 2005; Sarup et al. 2006; Ramli et al., 2010)，電腦自 動萃取則是利用透空度分析，利用數值高程模型的特性，找出指定網格之天頂角和天底角，並計算兩點之間的斜率，便可得到分析地區之地表線形特徵，依此法所獲取的線形特徵主要為山脊線及河道。

在本研究中，主要利用人工判讀進行線形構造分析，主要的依據乃是利用地表高程的變化，抑或走向的改變，以及異常河道之分布。河川水系形態於發育過程中，很容易受到岩性及構造的影響 (Suzen and Toprak 1998; Mrinalinee and Singh 2006;

Sarup et al. 2006)，在存在構造的地區，河流會順 著地層走向、斷層線或沿節理方向流動，呈現格子狀水系(圖 1)。因此我們經常可以藉由觀察河道走向的改變，找尋斷層或其他構造，如節理、褶皺在地表的造成的線形特徵。

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圖 1 河道的發育易受到地層走向、斷層線或沿節理方向影響，而呈現格子狀水系

2.3 野外調查

本研究的野外調查工作為針對研究區域內出露與線形構造相關的岩層露頭進行觀察並記錄，記錄的項目包括露頭的位置、地質構造的種類、活動特性、分佈位置，以及構造位態。研究區域內與線形構造相關的地質構造包括岩層破碎帶、塑性剪切帶、斷層、褶皺、裂隙、節理及岩脈等。

3. 研究區域背景

本研究以獻肚山崩塌區域(小林村)及中橫公路谷關-德基區域為例，說明光達數值地形對於區域地質構造調查之應用、助益及需要注意事項。

3.1 獻肚山崩塌區

獻肚山崩塌區(小林村)在行政區上隸屬高雄市甲仙區，村內聚落主要分布於旗山溪左岸東側之高灘地及低位河階上，依據經濟部中央地質調查所出版之甲仙地質圖顯示(圖 2)，獻肚山鄰近地區出露之地層為上新世鹽水坑頁岩及糖恩山砂岩，主要岩性分別為頁岩與砂岩或泥質砂岩。

本區的主要構造包括小林向斜，甲仙斷層以及旗山斷層。小林向斜是旗山溪流域自達卡努瓦村以

下最主要的地質構造，其褶皺軸以北北東-南南西走向通過小林村東側高位河階，並向南傾沒。向斜軸東側約 800~900 公尺處有甲仙斷層通過，斷層走向亦呈北北東-南南西，係高角度向東南傾斜之逆斷層。再往東約 2 公里處另有旗山斷層通過，為台灣南部重要之逆斷層構造，並被歸為存疑性活動斷層(林啟文等, 2000)。

獻肚山崩塌的主要原因可分成地質誘因、水文地質誘因、地形誘因以及其他加重因子。在地質誘因方面，在獻肚山崩塌區域的北側地層層面與南側東西向節理暨小斷層共同構成一組向西傾斜之不利岩楔(圖 3)，加上河流側蝕作用使坡腳遭移去，

地質弱面加上地形砍腳情況，使楔形岩體在崩塌前 已呈虛懸狀態(李錫堤等, 2009；Giletycz et al., 2012)。在水文地質方面的誘因，透過現地勘查，

結果顯示於崩前已累積相當大量的鬆散崩積物，降雨非常容易入滲，加重此區水文地質上的不利情況 (李錫堤等, 2009)。在地形誘因方面，長陡坡的地形效應亦加重山崩之災害；滑動區坡高太高，加以含水量過大而使滑動後形成顆粒流，加快移動之速度並擴大滑動體之規模，以至於加重了此次的受災程度(張中白, 2010)。此外，許多研究亦指出造成小林滅村崩山加劇的主要原因為高位古崩積物的重新崩移；因小林地區基盤岩石的特性為泥岩多，

主要弱面緩或與主河道斜交，使其經歷侵蝕後易產

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生較緩的坡地，有利後續古崩積物的堆積(張中白, 2010；賴序衡等, 2010)，故早期堆積的崩積物在莫

拉克風災再次崩塌，為加重災害的原因之一。

圖 2 獻肚山崩塌區鄰近區域地質圖，圖中紅框為本研究調查區域(資料來源：經濟部中央地質調查所，甲仙圖幅，宋國城等, 2000)

圖 3 (a)地層與斷層所共同組成的小林山崩區的不利岩楔(b)由斷層面及地層面的交線所決定出的岩楔滑動 方向(Giletycz et al., 2012)

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3.2 中橫公路谷關-德基路段

中部東西橫貫公路沿大甲溪往東行，其中谷關 -德基路段因 921 大地震，引發大量及大型的山崩，

之後幾次颱風豪雨事件，均引發大小不等的土石流災害，造成中橫公路沿線邊坡發生嚴重崩塌致使道路中斷，修復困難；這些地質災害應與流域地質狀況及地質作用均有密切關係。

谷關-德基區段的岩層以始新世的白冷層、佳陽層及達見砂岩為主(圖 4)，其岩性為輕度變質的砂岩、夾有薄層板岩。此區域的構造主要呈北北東 -南南溪走向(圖 4)，包括一系列的褶皺構造和逆斷層；此區域內主要的逆斷層為青山斷層，此外，在中視尺度構造方面，白冷層存在一系列波長約數公尺至十幾公尺的寬廣褶皺，且節理非常發達。

4. 應用結果

4.1 獻肚山崩塌區域調查

圖 5 為獻肚山崩塌區域於不同解析度下之 DEM，經由初步比對可明顯觀察在 1 米解析度的 DEM 中，獻肚山崩塌區有許多線形構造，其中包含雨水侵蝕造成之蝕溝，以及地質活動造成的線形，此為原 5 米解析度的 DEM 中無法發現的。透過地表高程的變化及異常的河道走向進行線形判釋而得到構造線形分布情形如圖 6 所示。

於獻肚山崩塌區域之野外調查(圖 7、圖 8)與線形構造判釋成果進行比較；在圖 6 中，以南-北走向截穿獻肚山崩塌區的線形，與野外觀測到的逆衝斷層位態(N15°E,45°W)一致，並可和前人研究中的甲仙斷層相互對應(圖 2)。在獻肚山南側呈東北東-西南西方向之線形，可對應到野外觀察的兩條具有右移分量之走向斷層，斷層位態為 N53°E, 83°S (圖 9)，於斷層面可觀察到兩期的斷層活動擦痕，包括早期右移之斷層擦痕及獻肚山崩塌時，塊體往下坡滑動形成左移之擦痕(圖 9)。此外，野外勘查結果指出，獻肚山崩塌區南方之角埔溪存在帶有右移分量之走向滑移斷層(圖 10)，其走向為 N85°E, 72°S，與利用光達 DEM 所判讀之構造線形相互呼應(圖 6)。

圖 4 中橫公路谷關-德基路段的區域地質圖(資料來源：經濟部中央地質調查所，流域地質圖，大甲溪流域)

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圖 5 不同解析度之 DEM 於小林村地區之對比，本圖位置如圖 2 紅色方框所示(a)為莫拉克風災前之 5 米 DEM，(b)為莫拉克風災後之 1 米 DEM

圖 6 小林村線形構造判釋成果，本圖位置如圖 2 紅色方框所示

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圖 7 野外構造地質圖(黃志杰等, 2012)，本圖位置如圖 2 紅色方框所示

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圖 8 獻肚山崩塌區域之斷層擦痕及應力計算結果，測量點如圖所示。下半球投影，實線為斷層面位態，線上短線段為斷層擦痕角度及運動方式，短線段指向內為逆斷層，短線段向外為正斷層，兩者兼具為橫移斷層。五角星號為主要壓應力來源方向，四角星號為次要壓應力來源方向，三角星號為第三壓應力來源方向。黑色粗箭號表示主壓應力水平方向

圖 9 獻肚山崩塌區南側東北東-西南西走向斷層之野外露頭照片，右下角為斷層及其擦痕位態之下半球投影結果，由擦痕可判斷此為右移斷層。露頭位置詳見圖 7，圖說見圖 8

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圖 10 角埔溪內近東-西走向的右移斷層，右下角為斷層及其擦痕之下半球投影結果。露頭位置詳見圖 7，圖說見圖 8

4.2 谷關-德基區域調查

利用 1 米解析度的 DEM 對谷關-德基路段進行線形構造判釋，主要依據異常的河道走向以及異常的紋理特徵進行線形判釋，其成果如

圖 11 所示。谷關-德基路段之野外地質調查，

可對線形構造判釋成果進行驗證。野外的調查結果分區如後所述。

(a)德基溫泉上方岩層

在大甲溪的北岸，德基溫泉處有一大型的土石流發生區，於野外觀察此區域岩層的出露情形(圖 12)，露頭左側的岩層大致呈現水平，但於崩積層上方有岩層不連續的情形，且岩層受到強烈擠壓，

形成褶皺。北岸褶皺變形帶之位置亦可對應到河流南岸的岩層破碎帶，故推斷岩層強烈褶曲之處為應為塑性剪切帶，其方位 N10°W。

(b)台 8 線 20.4K 處

位於台 8 線 20.4K 處有一大型的崩塌地，崩塌地的東側可觀察到一組逆衝斷層帶(圖 13)，在斷層帶中的岩層因受到剪動而形成 S 形構造(圖 14)，其斷層面上擦痕位態為 N16°E, 35°E, 80°N(圖 14)，而

此崩塌地應是受到斷層剪動影響，岩層較為破碎，

且斷層面也成為易崩塌的不利弱面。

(c)登仙溪

登仙溪位於台 8 線的 U 形轉彎處，可觀察到岩層存在近東西向，及近南北向的岩層破碎帶，應為剪切帶通過所造成。近東西向的破碎帶如圖 15 所示，在登仙溪西岸可明顯觀察到(圖 15a)，在東岸相對應之位置，雖有植被覆蓋，但可觀察到山稜線於此處凹下(圖 15b)，應為古河道或古崩塌地所致，且下方有崩積層堆積，推測此區亦為剪切帶通過之岩層破碎區域，此組剪切帶方位估計約為 N85°E。

此處近南北走向的岩層破碎帶如圖 16 所示，

登仙溪位發育於此破碎帶上。登仙溪左側岩層如圖 16a 所示，砂岩位態為 N32°E, 54°E，但岩層面上材料明顯較細粒且顏色較深，並有明顯錯動，此為鄰近剪切帶之岩層現象。由野外觀測推論登仙溪區域的斷層位態圖如圖 17 所示，此斷層帶方位約為 N10°W。

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圖 11 中橫公路谷關-德基路段之線形構造判釋成果

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圖 12 德基溫泉上方之露頭及剪切帶位置，剪切帶呈南北走向並向東傾斜，寬度約 100 公尺，剪切袋內岩層受到剪動而褶曲變形(位置見圖 11)，座標位置[265031, 2682571]

圖 13 台 8 線 20.4K 處之崩塌地(右側水泥牆上方)。崩塌地內的岩層破碎疑似受到強烈剪動影響，而崩塌地左方可觀察斷層之剪動產狀，圖中紅框為圖 14 之位置(露頭位置見圖 11)，座標位置[263549, 2682808]

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圖 14 逆衝斷層的剪動產狀，斷層帶中的岩層因剪動形成 S 形的構造。右下角為斷層擦痕之下半球投影圖，

斷層位態大約為 N16°E, 35°E, 擦痕夾角為 80°E(位置見圖 11)

圖 15 大勇橋兩側的東西向剪切帶(shear zone I)之出露產狀。(a)為向西看之剪切帶產狀，剪切帶中的岩層破碎。(b)為向東看之剪切帶產狀，剪切帶的地形較兩側凹下，且植生茂密(位置見圖 11)，座標位置[262210, 2681063]

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圖 16 登仙溪剪切帶(shear zone II)及剪切帶旁岩層之出露產狀。(a)為登仙溪剪切帶東側的岩層，岩層受到剪動的影響而褶曲變形，(b)為登仙溪岩層破碎裸露產狀，岩層受到剪動較為破碎，形成寬廣的河谷，(位置見圖 11)，座標位置[262210, 2681063]

圖 17 登仙溪斷層位態之野外紀錄側繪及推測的斷層分布(位置見圖 11)

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(d)谷關水庫東側

位於谷關水庫東側有一大面的裸露岩層，圖 18、圖 19 分別為岩層出露情形及其示意圖，根據

岩層褶曲的情形，推斷此區的岩層至少經過兩次褶皺事件，其兩次褶皺示意圖如圖 19 中紅框所示，

而褶皺軸之方位約為東北-西南向。

圖 18 谷關水庫東側之岩層出露產狀。觀察公路上方及下方的岩層褶皺，可推測岩層受到多次褶皺作用影響 (位置見圖 11)，座標位置[262567, 2682276]

圖 19 谷關水庫東側岩層出露產狀之野外測繪。紅框內為此區地層經兩次褶皺作用之示意圖

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5. 結論與建議

利用空載光達掃描技術所建置的高解析度數值高程模型可提供詳細的地形變化資訊，可藉由這些地形資訊描繪線形構造的分布情形，協助野外構造之尋找與判釋工作。本研究將此方法應用於獻肚山崩塌區域及中橫公路谷關-德基路段。研究結果顯示，在數值高程模型上所判釋的線形構造，在此二區域實際調查後，可能為斷層岩層破碎帶、剪切帶、褶皺軸及節理構造其中一類構造；由此可知，

吾人很難直接由光達數值地形得知構造的特性，需經野外查驗才可得知線形所代表之構造意義。此外，在野外調查驗證的過程中，斷層與剪切帶所造成之線形構造判釋的正確性較高，由於這些構造亦是地層調查上最重要的尋找目標。因此利用光達數值地形進行之線形構造判釋對於野外工作的規劃與與實值幫助極大，未來實可多加利用。

致謝

本研究承蒙經濟部中央地質調查所提供之空載光達之數值高程模型資料，並感謝經濟部中央地質調查所(國土保育之地質敏感區調查分析計畫- 莫拉克颱風受災區域之地質敏感特性分析)經費補助得以順利進行。

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1 PhD. student, Department of Earth science, National Central University, Received Date: Aug. 29, 2013 Jhongli, Taiwan, R.O.C. Revised Date: Jul. 28, 2014

2 Professor, Department of Earth science, National Central University, Accepted Date: Jul. 28, 2014 Jhongli, Taiwan, R.O.C.

3 Professor, Center for Space and Remote Sensing Research, National Central University,Jhongli, Taiwan, R.O.C.

* Corresponding Author, Address: Center for Space and Remote Sensing Research, National Central University, 300, Jongda Rd., Jhongli, 320 Taiwan., Tel: 03-4227151 ext.57627, E-mail: cpchang@csrsr.ncu.edu.tw

Application of LiDAR DEM for Field Geological Investigation:

Take Xian-Du Landslide Area and Guguan – Deji Area for Example

Yi-Chun, Hsu¹ Chung-Pai, Chang^{2, 3*}

ABSTRACT

Using the airbone LiDAR high-resolution DEM data to identify lineament structure provides an opportunity to generate more comprehensive structural maps. In this study, we use Mt. Xian-Du Landslide area (Hsiaolin Village) in Kaohsiung city and Guguan – Deji area in Central Cross-Island Highway as example to demonstrate how we applied the LiDAR DEM for field investigation. With the use of high-resolution DEM we identified a series of east-northeast to west-southwest trending structures in Mt. Xian-Du Landslide area. During field investigation we recognized characteristics of these structures, they are generally the strike-slip faults, and track its continuity, as well as other structural relationships. In the high- resolution DEM using of Guguan – Deji area, we observed the north-south and northeast – southwest trending structures. However, the structures in this area are complex in nature, and we cannot recognize the nature of structures directly by DEM.

Using the high-resolution DEM can enhance the utility of remote sensing for structural mapping since these data sets enable the extraction of detailed information about both local and regional geological structures.

However, field checking is always necessary before the structure.

Key Words：LiDAR DEM, lineament structure, field investigation

光達數值地形於野外地質調查之應用：以獻肚山崩塌 區及谷關

光達數值地形於野外地質調查之應用：以獻肚山崩塌 區及谷關-德基區域為例

徐乙君

張中白

摘 要