水保局南投分局 張國欽 ． 嚴曉嘉

壹 . 前言

　　臺灣地區多為高山，其地勢陡峭交通不易到達，通常颱風、地震等災害發生後，往往因災害發生地區地勢險惡、交通不便且具高危險性，相關調查分析人員無法深入災區瞭解災害發生情形及進行搶救，於此緊急情況下，為能有效提供即時災情資訊，可以利用遙測技術做為即時的資訊蒐集管道。

　　本篇即以遙控無人載具技術於災害發生後迅速建置第一手之災害資訊，進行坡地環境多時期基礎資訊蒐集與整體變遷監測分析，記錄災害規劃整治地區不同階段情形，並進行地形模擬比對。

貳 . 遙控無人載具應用介紹

　　遙控無人載具 （Unmanned Aerial Vehicle , UAV ）通常是指藉由遠端遙控或自動控制的無人飛行載具， 俗 稱為無人飛機。遙控無人載具的應用特色是能執行3D任務（Danger、Dirty、Dull），由於目前遙控無人載具可適用範圍相當廣泛，如空中攝影、地圖拍照、地質地形勘查、軍事用途…等，同時具有機動力強、即時迅速、時效性快、經費較 少 、及較寬鬆天氣條件即可操作的優點，亦可與現有之地形圖、航空照片及衛星影像等圖形整合及套疊，不但可在短時間內瞭解災區災害狀況，更可簡化調查所需之人力，且無人傷亡之顧慮，因此，可於具危險性或人力無法到達之地區進行任務。

　　從災害的監測與掌控的角度而言，在災害發生後（如風災、豪雨），受災區的氣候狀況通常都不是很好，在天候不佳的條件下（陰天或非大雨），遙控無人載具即可發揮因地制宜之功效。為彌補衛星影像、航空照片影像之限制，提供更即時、詳細影像資訊，因此採用具有高解析度、高機動性之遙控無人載具技術建置災區監控機制。

　　以往在 遙控無人載具 影像的應用上，大多利用其高時間再訪率、高機動性與高解析度之影像特性，蒐集多時期影像資訊進行比對與分析，掌握其環境變遷與整治效益。 98 年8月的莫拉克颱風，在臺灣南部山區單日驚人雨量造成南臺灣受災慘重，其中又以高雄縣甲仙鄉（小林村）、那瑪夏鄉、六龜鄉（新開部落）、屏東縣林邊鄉、佳冬鄉、臺東縣卑南鄉（知本溫泉區）、太麻里鄉等地受災最嚴重。相關權責單位緊急利用遙控無人載具進行災情蒐集災害區上游之崩塌情形、河道擴充侵蝕狀態、以及下游堆積淹埋情形等周遭環境狀態。（如圖 1 ）

參 . 遙控無人載具範例運用介紹

一 . 以嘉義縣梅山鄉太和村於莫拉克風災後為例

　　本示範區域位嘉義縣梅山鄉太和村，為圖 2 中虛線位置之崩塌區。該地區因八八風災超大豪雨入滲於順向坡且至泥岩軟化，遂於 98 年 8 月 8 日 23 時於振興宮後方往太和觀光果園道路 500 公尺處坡地發生嚴重崩塌，造成振興宮及民宅共 3 棟擋土牆傾斜倒塌；其中，崩塌地形成之坑溝匯入嘉縣 DF008 土石流潛勢溪流。

二 . 運用 流程 分析

　　本試區以無人飛行載具針對油車寮崩塌地進行拍攝，將取得之高解析度影像資訊以擬傳統航空攝影測量之流程以內外方位參數進行方位解算，並進行空中三角測量萃取地形資訊，將取得之坡地地形資訊以立體模型展示，並推估崩塌地區土方量，最後將萃取之地形資訊及推估之崩塌土方量，與前後期之 數值高程模型 (Digltal Elevation Model, DEM) 成果相互比較，並計算精度及平均誤差，分析架構如圖 3 ：

三 . 分析方法與數據處理

1. 無人載具設備

　　各項儀器設備其特性及功能分述如表 1 所示。

2. 任務區影像

　　利用遙控無人載具進行垂直攝影，像片前後重疊率約80% ，使影像 能銜接成連續圖幅 ，且 供立體相對觀察之用 ； 無人載具平均飛行高度約2 , 600 公尺 ，影像解析度約 0.5 公尺 ，拍攝面積約900 公尺 X 1 , 200 公尺 。拍攝成果如圖 4 之影像。

3. 崩塌土方量計算

　　以 遙控無人載具 影像產製之 數值表面模型 (Digital Surface Model, DSM) 因計算之部分為土方變化區域，該區域於拍攝時已形成崩塌裸露地，因此崩塌區域高程無樹高之影響不需扣除樹高的部分；另前期資料 DEM 資料為已將樹高及建物等高程扣除，所以 遙控無人載具 之影像產製之 數值表面模型 (DSM) 與前 期數值高程模型 (DEM) 成果直接使用 ArcMap 的空間分析模組即可進行地形變化之比較與分析。

四 . 土方量估算

　　針對 數值表面模型 (DSM) 產製之成果與原始正射影像套疊，其正射影像範圍約 1,600 公尺 X1,600 公尺，紅色區域標記為 遙控無人載具 （ UAV ）產製之成果範圍約 900 公尺 X1,200 公尺，切割出黃色崩塌範圍區（如圖 5a ），範圍切割成果約 320 公尺 X680 公尺，如圖 5b ，以便後續計算崩塌區域土方量；後續以 GIS 軟體將前後期 數值高程模型 (DEM) 成果相減如圖 5c ，並以挖填方模組計算崩塌土方量如圖 5d 。

　　由圖 5a 可看出以 遙控無人載具 （ UAV ）產製之 數值表面模型 (DSM) 成果與前期 數值高程模型 (DEM) 成果將崩塌區域相減，崩塌地區為深色區域之負值，反之白色正值區域為堆積區，可得知崩塌地區之高差深度達 59 公尺，堆積區之高差高度約 44 公尺。

　　將崩塌範圍切割出來後進行挖填方計算如圖 5b 中藍色的部分為崩塌之區域，紅色區域為土石堆積處，另依計算之崩塌土方推估，藍色區塊之崩塌面積約 7.4 公頃、土方量約 110 萬立方公尺，平均深度約 14.96 公尺；紅色區塊之堆積面積約 6.1 公頃，土方量約 82 萬立方公尺，平均高度約 13.48 公尺。

五 . 成果檢核

　　另以莫拉克風災前後利用標準航測程序產製之 數值高程模型 (DEM) 資料進行土方量計算，得出之成果如圖 5e ，藍色區域為崩塌地區，紅色區域為堆積區域；崩塌面積約 7.7 公頃，土方量約 110 萬立方公尺，堆積區面積約 5.7 公頃，堆積土方量約為 72 萬立方公尺。兩者計算土方量整理如表 2 ：

肆 . 結論

　　本範例使用旋翼型 遙控無人載具 （ UAV ）航拍影像，平均航高約 2,600 公尺，地面解析度約 25 ～ 50 公分，利用前期的控制點成果作為本次控制點及檢核點使用，並可即時以擬傳統航測製作之方式，進行 3D 間量測及後續計算，以獲取崩塌地區之即時地形資訊。

　　分析結果，驗證利用旋翼型無人載具搭載非量測型相機及 GPS 定位可即時獲取地面高解析度之空拍影像，並且可以立體像對產製快速產製影像資料以進行 3D 空間量測，其可用以推估崩塌範圍、土方量並進行崩塌地 3D 模型及飛行模擬。

　　以 遙控無人載具 （ UAV ）快速及機動性、可低空雲下作業之特性，應用於災害發生初期影像資料獲取具有即時性之優勢，且 遙控無人載具 （ UAV ）航拍影像解析度較高，對於災情判釋亦相當有幫助。所拍攝之影像後製處理，雖像片邊緣部分從檢核的部分可看出變形較大，但崩塌地區周圍誤差約在 5 公尺左右，此誤差範圍於緊急災害情況分析使用時，可切除周圍變形之區域進行分析。另利用前期成果之地物特徵點坐標作為控制點，節省至傳統地面控制點須實地進行地面控制量測所耗費之時間與人力，此作法符合緊急時影像快速後製處理需求。此影像產製時間自相機率定至完成 數值表面模型 (DSM) 製作並扣除飛機航拍之時間產製時間約 4 ～ 6 小時，此產製之成果可快速且完整瞭解災害發生地區之即時地形資訊，提供相關救災單位於緊急災情研判及救援使用。

　

圖 1 98 年莫拉克颱風災區影像範例： （ a ）小林村高空近垂直攝影；（ b ）小林村高空斜拍鳥瞰全區；（ c ）莫拉克颱風後那瑪夏鄉低空斜拍成果

圖 2 　研究區域圖

圖 3 分析流程圖

　

圖4 旋翼型無人載具拍攝之研究區影像： 研究範圍之左像及研究範圍之右像

圖 5 莫拉克風災 前 後 研究區土方量估算歷程： (a) 崩塌範圍區切割； (b) 崩塌切割成果； (c) 前後期 DSM 相減成果； (d) 崩塌土方量成果圖； (e) 標準航測 DEM 產品研究區土方量估算成果

表 1 遙控無人載具系統各項設備性能諸元介紹

重量		8.5kg
承載重量		5.5kg
引擎		90 級木精引擎
主旋翼		680mm 非對稱旋翼
尾翼		標準 90 級尾旋翼
作業範圍		10000m
飛行時間		20 分鐘
最大飛行高度		3000m /10000ft
儀器	型號		規格
高解析度數位相機	Canon EOS 550D Mark II		有效像素： 1800 萬 pixels 影像大小： 5184×3456 pixels 感測器尺寸： 22.3x14.9 快門： 3.7f ps 焦距： 28m m ，重量：約 1kg
GPS 定位	SiRFStarIII Chip		定位精度 ±3 ～ 5m ，重量： 90g Velocity Accuracy ： 0.1 m /s RMS steady state

表 2 UAV 成果與 DEM 檢核資料崩塌土方量比較表

	UAV 產製 DSM	DEM 檢核資料	差值絕對值	誤差率
崩塌面積 m2	74075	77000	2925	3.8%
崩塌土方量 m3	1108129	1100913	7216	0.7%
平均深度 m	14.96	14.3	0.66	4.6%
堆積面積 m2	60965	57600	3365	5.8%
堆積土方量 m3	821885.09	723594.67	98290.42	13.6%
平均高度 m	13.48	12.56	0.92	7.3%

【農業常見用語】

遙控無人載具

　　遙控無人載具（ UAV ）俗稱無人飛機，廣義上為不需要駕駛員登機駕駛的各式遙控飛行器。具高機動性與高解析度等優點，經幾何校正處理後即可得到具大地坐標之影像，亦可與現有之地形圖、航空照片及衛星影像等圖形整合及套疊，不但可在短時間內瞭解災區災害狀況，更可簡化人力，因此，可應用於各個領域，進行各種不同任務。