應用歷史地形圖資於集水區坡地高程變化之研究孫明德

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10.29417/JCSWC.201712_48(4).0005

應用歷史地形圖資於集水區坡地高程變化之研究

孫明德

^[1]

傅桂霖

^[1]

詹坤哲

^[1]

蘇郁文

^[2]*

摘要利用歷史地形圖、衛星影像及歷史航照的數化與活化，延伸分析之時空尺度，就高屏溪支流荖濃溪上游之布唐布那斯溪集水區範圍內之地形環境演變進行分析與討論；分析結果得知1989 年、2001 年與 2004 年3 個年度間，河道地形高程變化，其中以上游河段較為顯著，最大高程差達 45 公尺；中、下游河段最大高程變化小於8 公尺。從成果可知，透過歷史圖資判識，與水文資料統計分析，有助於集水區土砂災害風險判識，鑑往知來，是既經濟又可行的方法。

關鍵詞：坡地變遷、歷史地圖、數值高程模型。

Elevation Variation Study in a Watershed Using Historical Topographic Maps

Ming-Te Sun^[1] Kuei-Lin Fu^[1] Kun-Che Chan^[1] Yu-Wen Su^[2]*

ABSTRACT In this study, we used historical topographic maps, satellite images, and original aerial photographs, which were taken using aerial stereo photography technology, to make digital elevation models that mimicked the recovery process of topographic evolution. After reviewing the three types of maps and images, we chose the Putanpu- nas stream watershed to mimic the recovery process of topographic evolution. Aerial photos were used to construct a digital elevation model for analyzing the topographic evolution. We found the largest change in elevation to be 45 m at an upstream location. Midstream and downstream changes in elevation were less than 8 m. A hydrological analysis provided solid evidence confirming the accuracy of the mimicked topographic evolution of a landslide site. Utilizing these maps and images in combination will serve as a powerful tool for regional planning, hazard assessment, sediment transport management, and environmental protection.

Key Words: Slope variation, topographic map, digital elevation model.

一、前言

近年來因氣候變遷導致極端降雨事件頻度及強度增加，誘發大規模土砂及洪水災害之事件頻傳，導致集水區之水土失衡。

當大規模之土砂或洪水災害發生後，集水區的地文特性必定產生變化，並進而影響河川水文特性及聚落安全，因此對於重大災區，受災後之衝擊反應，災後之復育歷程特性，就必需加以掌握，以使各項保育治理作為發揮成效。

過去20 年來，臺灣地區陸續出現對集水區影響較大之天然災害事件，如1996 年的賀伯颱風、1999 年的集集地震、2001 年桃芝及納莉颱風、2004 年敏督利颱風、2008 年卡玫基颱風、

2009 年莫拉克颱風、2010 年凡那比颱風等，皆對集水區產生極大衝擊，如集水區的坡面植生、河道流路、流寬及輸砂量等特性參數都有長遠的影響。

為降低大規模土砂災害對集水區環境所產生之影響，必需先瞭解過去事件對整體環境的衝擊，及災後的復育歷程，先識災、知災而後能防災、減災及加速集水區復育過程。因此，本

文擬利用歷史地形圖及歷史航照的數化與活化，延伸分析之時空尺度，就高屏溪支流荖濃溪上游之布唐布那斯溪集水區範圍內之地形環境演變進行調查分析與討論。

二、研究方法

Lo(2017) 使用多時期遙測資料進行布唐布那斯溪既有深層崩塌之評估分析，包含地形分析、崩塌闡釋與基本歷程評估；

其研究成果顯示，既有深層崩塌的發展可分為四個階段：(1) 蝕溝侵蝕與減壓 (2) 岩石坡崩壞 (3) 滑動面生成 (4) 滑動體移動；並提及已有大量崩積土積聚於坡面上、上游河道及中游蝕溝；預料未來崩積土的侵蝕將大大影響水流方向與沖積扇地形，且該活動亦將威脅到與荖濃溪匯流處鄰近地區居民及財產的安全。Lin and Lin (2015) 以離散元素法建構之 PFC3D 模式，

進行莫拉克颱風導致大規模崩塌發展之研究；文中提及根據布唐布那斯溪調查結果，大規模崩塌為許多小規模崩塌事件所形成；該研究使用PFC3D 模式來重建大規模崩塌的發展，且透

〔1〕行政院農業委員會水土保持局

Soil and Water Conservation Bureau, Council of Agriculture, Executive Yuan, Nantou 540, Taiwan, R.O.C.

〔2〕國立成功大學水土保持生態工程研究中心

Ecological Soil and Water Conservation Research Center, National Cheng Kung University, Tainan 701, Taiwan, R.O.C.

* Corresponding Author. E-mail: [email protected]

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過模擬結果，可辨識殘存堰塞湖的構成及幾何形狀；其研究成果提醒後續可能致災區位，應注意中游河段及下游與荖濃溪匯流處。

參閱前人研究，本文同樣欲透過多時期遙測影像進行集水區地形演變支分析探討，然而本文與之不同之處在於引用更多歷史圖資，延伸時間尺度，透過歷史圖資的活化與利用，進行集水區坡地變遷分析研究，研究流程如圖1 所示。

圖1 研究流程圖 Fig.1 Study flowchart

首先，針對坡地變異潛勢區，進行歷史圖資及重大颱洪事件蒐集；歷史圖資蒐集方面，可參考中央研究院人文社會科學研究中心地理資訊科學研究專題中心所建置的臺灣百年歷史地圖網站，該網站蒐錄1898 年至現代，臺灣地區相關古歷史地圖及衛星影像等圖資；而歷史航照影像則可參考林務局農林航空測量所自1976 年至近年所執行相關計畫拍攝之航照影像；

而衛星影像可參考國立中央大學太空及遙測研究中心資源衛星接收站所提供1996~2016 年的衛星影像。

重大颱洪事件蒐集，可參考交通部中央氣象局網站颱風資料庫、水土保持局土石流年報與全台重大土砂災情總報告，所紀錄之颱風事件觀測資料與災情，依關注地區篩選重大颱洪事件，並蒐集水利署、氣象局、水保局等相關水文資料，以供後續分析討論使用。

接著檢視歷史圖資於坡地變異潛勢區是否具有顯著地形變異之現象，同時可特別關注重大颱洪事件與歷史圖資之關連性，過濾得知地形產生顯著變異之颱洪事件與其事件年度，可

供後續使用航照原始影像產製數值地形模型 (Digital Eleva- tion Model, DEM) 時，區域及影像年代選取之參考。

應用林務局農林航空測量所拍攝之航照原始影像，透過立體測繪技術，產製精度為 5 m*5 m 之 DEM；透過不同年度 DEM 之比對分析，可得知坡地地形變異量，完成集水區坡地變遷分析。

三、案例研究

本文集水區坡地變遷分析，以高屏溪流域支流荖濃溪上游之布唐布那斯溪 (土石流潛勢溪流高市 DF060) 集水區為例；

該地區於 2008 年遭受卡玫基颱風及 2009 年莫拉克颱風侵襲後，發生多處大面積崩塌；2010 年 9 月凡那比颱風期間，又因強降雨導致集水區上游大量土砂流到荖濃溪，形成大型沖積扇並阻斷荖濃溪主河道，被阻斷的溪水形成堰塞湖，經水利署第七河川局的測量發現，該堰塞湖面積約26 公頃、蓄水空間約70 萬立方公尺。

布唐布那斯溪集水區範圍雖大部分屬於林班地，但集水區土砂生產量驚人，2011 年 0611 豪雨期間，坡面崩落土砂約有 400 萬立方公尺土石隨暴雨逕流奔流而下，造成荖濃溪主流流速、水深、含砂量等水文變化，亦對下游地區保全對象及公共設施造成衝擊與影響；為進一步探討該集水區歷史地形變異發展概況，遂引用2015 年福衛二號衛星影像，於布唐布那斯溪與荖濃溪交會處標註對位參考點，供不同年度影像水平對位使用，如圖2 所示；再對照「臺灣百年歷史地圖」系統中的古歷史地圖，檢視是否標繪地形變異相關資訊；如圖3 所示，布唐布那斯溪在1907 年 (約 110 年前) 的日治五萬分之一蕃地地形圖即有相關地形標繪，只是圖中所圈繪顯著地形變異區位，

屬於集水區中上游地區，下游河段仍是僅標繪水系流路；而 1956 年的臺灣五萬分之一地形圖並無特別標繪集水區地形變異處；再檢視2000 年的福衛二號衛星影像，如圖 4，可發現布唐布那斯溪集水區有不少崩塌裸露地，主要位於集水區上游河岸邊坡。

圖2 布唐布那斯溪集水區環境概況圖

Fig.2 The reference site on satellite image of Putanpunas creek watershed in 2015

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圖3 布唐布那斯溪 1907 年參考點位置圖

Fig.3 The reference site on historical topographic maps of Putanpunas creek watershed in 1907

本研究使用農航所航照原始影像，透過立體測繪技術，建構布唐布那斯溪集水區包含圖幅編號 95192011、95192012、

95192021、95192022 等四個區位之 DEM，其地理位置如圖 5 所示。

欲進一步對地形變異進行探討，礙於航照原始影像拍攝區位限制，當每個圖幅範圍內拍攝之影像數量較少時，難以透過有限的影像產製滿足精度要求之DEM；因此，上述地區依重大颱洪事件及航照原始影像拍攝完整性，本文產製1989、2001、

2004 年共 3 個年度的 DEM，其對應的重大颱洪事件包含賀伯颱風前、桃芝颱風前及敏督利颱風後等三個時段進行探討；各

期程颱洪事件與DEM 製作期程時序如圖 6 所示。

圖4 布唐布那斯溪 2000 年參考點位置圖

Fig.4 The reference site on satellite image of Putanpunas creek watershed in 2000

承上述欲探討之重大颱洪事件及期程，本文以2003 年福衛二號衛星影像判釋崩塌地結果，搭配本研究所建構2004 年 DEM 而產製之等高線，於圖面上標繪欲進一步分析各期 DEM 所反映之河道斷面變化剖面線，如圖7 所示，圖面上共設定了 5 個坐落於崩塌裸露地之河道橫斷面，及 1 個主河道之縱剖面；

來進行不同年度及其遭遇颱洪事件侵襲前後之坡地變遷分析。

圖5 布唐布那斯溪數值地形模型製作區位分布位置圖

Fig.5 The range of digital elevation model which we made in this study

圖6 重大颱洪事件與布唐布那斯溪 DEM 製作期程時序示意圖

Fig.6 The illustration between heavy typhoon events and each period of DEM

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圖7 布唐布那斯溪河道剖面線分布圖

Fig.7 The sites of cross-section and longitudinal-section of Putanpunas creek watershed

四、結果與討論

本文使用歷史航照影像產製數值地形模型，以進行集水區坡地變遷分析，透過DEM 建構本文於布唐布那斯溪集水區所設定之1 號~6 號斷面，分別於 1989、2001、2004 年的河道剖面線。

從圖8~圖 12 可發現集水區上游地形高程變動較為顯著，

如圖8 所示；且檢視 2001 年與 2004 年河道剖面線，從桃芝颱風前至敏督利颱風後，歷時3 年，經過 2 個重大颱洪事件，河

道地形僅左岸有部分區段發生沖淤變化，整體河道斷面變化不大；而檢視1989 年與 2004 年之河道剖面線，可發現兩岸邊坡坡度均變得更加陡峭，右岸邊坡坡度從1989 年的 28.4 度，增加為2004 年的 32.3 度；左岸邊坡坡度從 1989 年的 19.6 度，

增加為2004 年的 22.6 度；且根據詹勳全等 (2015) 著作中提到多數研究指出，崩塌較易發生之坡度集中於20~70 度間，高程分布多為500~2,000 公尺間，且岩性多為砂岩及頁岩為主；

與斷面1 坡地所屬條件相符合，顯示斷面 1 之地形條件易生崩塌。

1號斷面歷年剖面線圖8 布唐布那斯溪 1 號斷面歷年地形剖面線圖

Fig.8 Cross-section No.1 of each period (1989, 2001, and 2004)

再檢視高程變化，可發現歷經15 年，右岸地形高程均是減少的狀況，較為顯著地區高差約減少34 公尺，而左岸邊坡高程，部分區段為崩塌減少，最顯著段高差約減少20 公尺，

而部分區段則為土砂堆積，顯著段高程增加約18 公尺；而主深槽經過15 年間颱洪事件的暴雨逕流沖刷，其刷深深度約 45

公尺。

從2 號斷面之歷年剖面線 (圖 9)，可發現兩岸坡地地形變化不大，主要地形變化集中在高程較低的河道兩岸；左岸河岸呈現遞次沖刷崩落之現象，主深槽刷深約11.6 公尺。

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圖9 布唐布那斯溪 2 號斷面歷年地形剖面線圖

從3 號斷面之歷年剖面線 (圖 10)，可發現兩岸坡地地形變化不大，主要地形變化集中在高程較低的主深槽，主深槽於 2001 年刷深約 11.6 公尺，至 2004 年溪床回淤約 5.8 公尺；整體而言，主深槽刷深約5.8 公尺。

從4 號斷面之歷年剖面線 (圖 11)，可發現集水區兩側坡

地地形變化不大，主要地形變化集中在高程較低的河槽，且4 號斷面之右岸山坡較左岸為陡，河槽右岸自1989 年至 2001 年，

歷時12 年，減少 20.7 公尺；1989 年的主深槽，歷經 15 年，

於2004 年時，並無顯著沖淤變化。

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從5 號斷面之歷年剖面線 (圖 12)，可發現歷時 15 年，集水區兩側坡地地形變化不大，主要地形變化集中在高程較低的河槽，主深槽於2001 年淤積約 8.3 公尺，至 2004 年溪床再刷深約1.2 公尺；整體而言，主深槽淤積約 7.1 公尺。

從上述5 個斷面剖面線之高程演變分析，可發現布唐布那

斯溪集水區地形發展，於1989 年至 2004 年的 15 年間，在上游河段，兩側地形坡度較陡，易發生邊坡沖刷崩塌，河槽屬於刷深河段；而下游河段，地形變化主要集中在河槽，沖刷現象強度減弱，呈現沖淤交替現象。

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6 號斷面布唐布那斯溪主流縱斷面地形變化請參見圖 13，

從圖中可見以集水區整體範圍而言，地形變化仍是以中、上游河段較為顯著，圖中除了標註15 年間，各分析斷面所在區位及沖淤變化尺度，檢視水系河床坡度約 18.2 度，根據詹錢登

(1994) 著作，當坡度介於 14.5°<θ<22.9°之間，為礫石型土石流發生之坡角範圍，加上中上游河段，逢颱風豪雨易生崩塌，

崩落之土砂礫石易隨洪水奔流而下，加上坡度條件，易生土石流。

Fig.13 Longitudinal-section No.6 of each period (1989, 2001, and 2004)

圖14 本文探討颱洪事件與水文量變化對照圖

Fig.14 Control chart of historical typhoon events and hydrological changes

綜合上述，高雄市桃源區桃源里的布唐布那斯溪為水保局劃定之土石流潛勢溪流高市DF060，顯示其具有土石流發生潛勢，且有保全對象；本文檢視歷史地形圖、航照影像及衛星影像，發現於1907 年日治五萬分之一蕃地地形圖已有顯著地形標繪 (參見圖 3)，從 1996 年衛星影像，布唐布那斯溪集水區上游坡地已有部分裸露地；2001 年衛星影像可見集水區範圍裸露地面積稍有擴大；2004 年衛星影像可見集水區植生稍有復育之相；歷經2008 年卡玫基颱風、2009 年莫拉克颱風、2010 年凡那比颱風，自2009 年衛星影像，可發現集水區崩塌裸露地大幅度增加；再檢視2015 年衛星影像，集水區內邊坡裸露

地植生綠覆稍有恢復跡象。

透過河道縱剖面分析 (圖 13)，自 1989 年到 2004 年的 15 年間，河道地形變化於上游河段較為顯著，1989 年到 2001 年間，集水區地形變化幅度，最大約為減少30 公尺，而 2001 年到2004 年間，地形變化幅度，最大約為減少 20 公尺；比較 1989 年與 2004 年地形發展，地形變化於上游河道主深槽沖刷約45 公尺，而下游河道則趨於平緩，地形變化為沖淤交替呈現，其變化幅度約7 公尺；從上述河道縱斷面高程變化分析結果，上游河段減少之土砂，並未於中游河床顯著堆積，依斷面 3~5 的分析結果，研判土砂已運移至中下游堆積；此結果與 Lin

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and Lin (2015) 研究成果相似，均提醒後續可能致災區位，應注意中游河段及下游與荖濃溪匯流處。

除了地形變遷之探討，本文亦彙整水利署歷年雨量站、水位流量站、含沙量測站等相關水文資料，如圖14 所示；1989 年年最大一日降雨為385.5 mm，2001 年年最大一日降雨為 556 mm，期間歷經 1996 年賀伯颱風，年最大一日降雨為 526 mm，

地形高程變化於上游河道刷深約30 公尺；2004 年年最大一日降雨為 699 mm，地形高程變化於下游河道右岸刷深約 20 公尺。從圖中亦可發現，賀伯、桃芝、敏督利等颱風期間，降雨量、流量、含砂流量等水文紀錄資料，都有顯著的量值；而921 集集地震對集水區產砂的影響，則在隔年顯現。

透過歷史圖資判識進行坡地地形變異分析，與水文資料統計分析之聯合應用，有助於掌握水文特性與坡地地形變異之關聯性，其結果有助於集水區土砂災害風險判識，鑑往知來，是既經濟又可行的方法。

五、結論與建議

1. 結論

(1) 透過近代所發生之重大土砂災害事件，對照檢視古歷史地形圖，可得知該災害地區是否於歷史年代曾有顯著地形變異紀錄(本文案例研究之布唐布那斯溪集水區於百年前地台灣堡圖即有顯著地形標繪)；若有，表示該地區具較高潛勢之地形變異趨勢；若無，則表示該地區之地形變異屬於近代產生，相關紀錄可供未來災害分析探討、

保育治理策略研擬之參考。

(2) 歷史航照數化與活化，除了可透過航照影像檢視地貌演變，(如颱洪事件前後，集水區崩塌裸露地範圍之擴大或縮減)，更可透過航照影像數化產製之數值高程模型 (DEM) 進行地形變異分析探討 (如本文透過 DEM 繪製集水區河道斷面，分析得知上游河段於1989 年與 2004 年間河道主深槽沖刷約45 公尺)；有助於分析重大颱洪事件造成集水區土砂生產、地形地貌變動及後續坡地環境發展之參考。

(3) 歷年衛星影像提供近代地貌演變之重要訊息，輔以上述歷史地形圖及歷史航照分析結果，有助於檢視近代及歷史地形地貌之演變，甚至窺探集水區地形地貌遭受衝擊與復育之演變歷程；透過歷史經驗，推敲未來地貌演變之可能。

(4) 透過歷史圖資判識，與水文資料統計分析，有助於集水區土砂災害風險判識，鑑往知來，是既經濟又可行的方法。

2. 建議

(1) 航照原始影像之收集，因林務局農航所每年進行航拍任務所拍攝地區及數量、拍攝密度不同，需先評估欲進行探討區位、年代，依農航所編定之資料編號，進行彙整，

再辦理影像重製與提供；其過程所需人力作業及耗費時間甚多。此外，航照原始影像數量龐大，於影像重製、

儲存、使用上，均應顧及影像儲存硬體損壞或檔案損毀之風險，避免衍生重新申請影像作業之費時耗力。

(2) 水利署建置有水文資訊申請網站，對於水文資料之申請提供相當便利之管道；然而資料庫系統紀錄之水文資料，

有時可能與水文年報紀錄資料稍有出入，因此於水文資料分析時，對於異常數據或不合邏輯之現象，應謹慎檢核。

(3) 歷史災害事件之收集於早期年代相關資料蒐集不易，主要困難在於災害紀錄資訊欠缺明確之時間、地點、內容，

因此於歷史災害事件收集時，除了權責單位災害紀錄資料、歷史報章雜誌、網路資訊，更應審慎交互比對，確認災害事件紀錄是否確實；此外，對於歷史災害事件之計量單位，本文建議依災害地點之坐標紀錄為單位；如此，歷史災害事件紀錄有明確之時間、地點 (行政區、

坐標、顯著地標)、災害內容 (傷亡、土砂災害規模、災損…) 等資訊，將有助於相關統計分析與探討。

(4) 本文透過航照原始影像產製不同年度數值高程模型 (DEM)，進行集水區坡地變遷分析，主要針對近年河道兩岸有顯著裸露地之區位，分析其河道斷面時序沖淤變化；建議未來可應用航照正射影像進行集水區崩塌裸露地判釋，分析評估集水區崩塌量與河道沖淤變化之關係。

誌謝

本文承行政院農業委員會水土保持局「集水區大規模土砂災害風險辨識與耐受力盤查」(2016)(編號：SWCB-105-085)計畫案之經費支持，與計畫住持人國立成功大學戴義欽副教授、

協同主持人詹錢登教授及水土保持生態工程研究中心王志賢博士與團隊成員之協力研究，使本文得以順利完成，作者在此表達謝意。

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2017 年 06 月 13 日收稿 2017 年 06 月 30 日修正 2017 年 10 月 17 日接受 (本文開放討論至 2018 年 03 月 31 日)