無處不在的空間資訊：防救災的地理資訊系統科技
92/05/12
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周天穎｜
逢甲大學地理資訊系統研究中心
雷祖強｜
逢甲大學地理資訊系統研究中心
臺灣位處歐亞大陸板塊與菲律賓板塊的交接帶，河短流急，地殼活動劇烈且岩石構造破裂。由於地狹人稠，導致山坡土地超限利用，每逢颱風或地震等各種天然災害發生時，容易產生重大的災情，嚴重威脅人民身家財產。因此建立一套完善的防救災體系，並且納入生活之中，成為當今政府與每一位國民所須面對的重要課題。
地理資訊系統（geographic information system, GIS）是一種包含硬體、軟體、圖形與屬性資料的空間資料庫，它能夠藉由電腦設備與地理資料的組合，快速準確地提供空間資料的連結、儲存、規劃、查詢、分析及展示等功能。此外，拜電腦快速發展之助，其成果已可由二維空間轉換成以三維方式展示，或結合物件導向程式語言，另行開發執行軟體，在視窗、圖形工作平台上作業，以建立適合各種需求與任務的決策支援系統。因此若將空間中的各項整合資訊應用於自然災害的防治當中，相信一定可以獲得極為顯著的成效。
本文除了介紹目前可應用於防救災技術的新興科技外，同時也介紹三個應用地理資訊系統技術於防救災科技，有相當成效的實際案例，這三個成果分別是「利用遙控無人飛行載具進行土石流災區的監測」、「避難場所的決策支援系統」與「土石流災害應變中心」。
由上述這些案例當中可以說明「防災地理資訊系統」的建置成效，平時可作為災害資料的蒐集與人員模擬訓練的應用，於災害發生時可作為救難搶修單位執行工作的資料來源，更重要的是，可於災後作為人員安置與重建時的重要參考。因此建立有效的防災系統與體制，是政府各部門當前極為重要的核心工作之一。
地理資訊系統的發展史
基本上，地理資訊系統的發展與空間資訊的應用，是息息相關的。所以地理資訊系統的起源，可以追溯到十九世紀人類對於空間資訊的運用開始，也就是地圖的運用。當時的地圖相當於圖形的資料庫，而描述地圖訊息的內容就相當於屬性的資料庫，兩者的結合可以說是一種地理資訊系統的雛形。
當然在電腦尚未蓬勃發展之前，這一雛形與理想的地理資訊系統有很大的差異。首先是在地圖上空間資訊不宜有過多的疊層分析，太多的資訊將會造成資訊辨識的困擾，另一方面資料的即時更新有其困難，更重要的是圖形數據與屬性數據是難以共同連結與分析的。
這個問題直到二十世紀五○年代才發生了改變，那時電腦已有了初步的發展，因此有人使用電腦來蒐集、儲存與分析各種航空攝影所獲得的資料，並使用電腦進行數據分析與資訊的取得，以作為處理問題的決策依據。但受限於當時電腦運算的能力，成效並不顯著，可以說是人類在這個問題上的嘗試期，所以二十世紀五○年代可說是地理資訊系統技術的啟蒙年代。
進入六○年代，地理資訊系統開始快速發展，最早是由一位加拿大籍的土地測繪學家唐林森（R. F. Tomlinson）提出地圖數字化管理分析的構想開始，這也是日後地理資訊系統開始發展的濫觴。他在一九六二年開始使用電腦進行森林的分層管理與統計分析，並獲得相當良好的結果，因此在加拿大政府的大力協助下，於一九六三年製作成世界第一套的地理資訊系統，並提出了地理資訊系統這個專業術語。同時，美國哈佛大學的電腦圖形研究室也開始積極投入電腦地圖的分析系統，並且發展出名為SYMAP的一套地圖分析軟體。
七○年代可說是地理資訊系統鞏固、發展階段。此時電腦技術已逐漸成熟，電腦設備也逐漸走入學校及各研究機構中，更重要的是電腦系統當中一個不可或缺的伙伴－磁帶，也在此時發展成熟，可提供電腦進行大量的數據儲存，特別是在空間數據的輸入、儲存、檢索與輸出提供了強而有力的協助，促使地理資訊系統朝向應用方向迅速發展。當時世界許多國家，例如加拿大、美國、日本、西德、瑞典等，都相繼發展屬於自己的地理資訊系統。此時，地理資訊系統這一技術，已受到政府、學術研究單位與業界的高度重視，而成為一個令人注目的新領域。
八○至九○年代可說是地理資訊系統普及與應用的階段。由於電腦硬體的成功發展，並且推出圖形工作站與桌上型個人電腦之故，使得地理資訊系統被廣泛應用於許多不同的領域；另一方面，由於網路的建立，使得地理訊息傳輸的能力大為提升。
地理資訊系統的軟體與硬體的發展，使得它可以用來解決許多公共工程規劃，如道路、人口分布、管線等問題，並且還可將其應用於複雜的區域發展分析，例如土地的合理應用、都市的發展及人口規劃與布置等，使其成為投資與決策不可或缺的資訊之一。此外，將地理資訊系統與遙感探測所獲得的資料結合，可成為分析全球性問題的有效工具，例如全球荒漠化、土地適宜性評估、酸雨現象、環境資源評估、溫室效應等影響人類生存或發展的各項重要議題。
時至今日，藉由地理資訊系統的幫助，人類在針對問題作決策時的想法與習慣早已有所改變，我們的日常生活也日漸受其影響。未來，地理資訊系統極有可能成為桌上型電腦系統的一部分，就如同現有的文書處理、簡報、試算表等，成為電腦系統的基本功能之一。也就是說，地理資訊系統未來將走入我們的生活中，成為日常生活的一部分。
地理資訊系統與防災科技的關係
近年來，隨著科技資訊的突飛猛進、個人電腦效率的提升、視窗作業環境的普及、網際網路的快速崛起與嵌入式作業系統的發展，再加上網際網路地理資訊系統技術、元件式地理資訊系統技術的發展，已逐漸改變了地理資訊系統發展的趨勢。這些科技資訊的發展，促使桌上型地理資訊系統與攜帶型地理資訊系統應運而生。
地理資訊不單可以透過多種不同的管道與界面，例如個人電腦、網際網路、個人數位助理（PDA）或行動電話，供使用者運用，使用地理資訊技術的成本也大幅降低，人們再也不需要花費大筆資金，購買昂貴的硬體與軟體，使得地理資訊系統得以走入普羅大眾的日常生活中，地理資訊系統的普及化已然成為未來發展的新趨勢。這樣的發展除可增進人類生活的便利與水平外，當災害發生時，就能轉變成災害評估與控管的利器；目前應用於災害控管的新科技，多集中於電子地圖、個人數位助理等方面。
對於電子地圖而言，基本上多是以網站的型態呈現於世人面前。一般而言，該類型的網站以提供生活資訊為主，配合電子地圖與地理資訊系統等功能，提供民眾有關食、衣、住、行、育、樂等相關生活資訊服務。
以「臺中任逍遙」網站為例，該網站提供了一個將地理資訊系統的電子地圖與生活資訊結合應用的良好範例，在地圖中囊括了生活上的食、衣、住、行、育、樂等訊息，透過圖形展示出來；另外，使用者可以透過多種查詢方式獲取生活資訊，如路名查詢、區域範圍查詢、地標查詢。地圖內容則包括購物、休閒旅遊、醫療、文化、政府機構、以及重要地標等22類生活設施，堪稱是目前台中市資料最完整的生活資訊網站。
此外，該網站所建立的相關內容，也是災害發生時不可或缺的重要資訊，例如相關處置及人員車輛指派、避難地區的位置、急救站的位置、公部門的相關位置等。因此電子地圖的功用，於承平時期為生活資訊的來源，在災害發生時即成為緊急救難的重要資訊。
隨著電子時代的來臨，利用電腦處理個人事務已越來越普遍，然而筆記型電腦在電池容量、體積、重量上還是無法方便到可以長期隨身攜帶。如果使用者只需用到「電話本」、「記事本」這種如殺雞般的功能時，動用到如牛刀一樣的筆記型電腦反而不見得合適，雖然筆記型電腦的速度快、容量大、功能多，但是個人數位助理也能適度地提供這樣的需求。
目前個人數位助理的資料建構方式，有無線資料傳輸、記事本、無線通訊、手寫輸入、快閃式記憶體等，以及具有文數字、圖形、影像資料處理等多項功能，體積小容量大，已成為未來行動通訊的主流趨勢，也是環境保育、工程查報與災害工作控管的重要工具。
上述的科技若能與地理資訊系統結合，將其應用於防災業務等方面，相信一定可以發揮極為有用的功效。接下來就讓我們一同來了解，目前地理資訊系統應用在防災業務上的最新發展，以及未來可能的發展方向。
以遙控飛機執行監測
臺灣的山坡地分布極廣，約占總面積的四分之三，各地區的災害發生原因並不相同，加上地勢險惡、交通不便且具危險性，通常在災害例如颱風、地震等發生後，人員無法深入災區查看受災程度。為了爭取時效與掌握救災重點，以及日後評估復建成效，通常使用遙感探測技術進行災區問題的監測。所謂「遙感探測」是利用航空載具攜帶感測儀器，從空中蒐集地表上各種光譜資料，加以處理、分析、解釋，以了解地面目標物特性的技術。進行遙測的載台種類甚多，一般耳熟能詳的有衛星、飛機、熱氣球等。
對於土石流災區而言，由於災害發生位處山區，災情分布又極為廣大，若使用上述的載台除了拍攝費用昂貴之外，準備工作也需花費一段時間，對於災害地區的搶救與復舊，顯得緩不濟急。於是人們嘗試使用另外一種價廉且可快速獲得災區影像的方法，雖然所獲影像品質與其他載臺所拍攝的影像仍有一段差距，但災區搶救，時間第一，利用遙控無人飛行載具進行災區監測，是目前較為可行的方法之一。
每一種遙控無人飛行載具都會受到飛機酬載重量及體積的限制，較大機身及發動機雖然具有較高的酬載量，卻有耗油及操控不易等缺點，故在載具及酬載器材的選擇上須妥善評估，以避免發生適用性的困擾。
土石流災情分析系統
遙控無人直昇機於災後可迅速攜至現場，經規劃飛行路線後，即可起飛執行任務，將災情以相片（正片）方式拍攝，拍攝後重新洗成照片，使用掃描器將照片數位化，並進行影像的幾何校正。所謂影像幾何校正，就是將拍攝回來的影像，配合適當的地圖與參考座標系，經由數學公式的轉換，就可獲得一幅具有地理座標系統的影像。
這類資訊透過地理資訊系統並結合數位地形模型（digital terrain model, DTM）等資料，就可評估分析災區土石流所造成的影響，如面積、土方量、工程受災情況……等，利用上述資料即可發展出「土石流災情分析系統」。此一系統可提供空間查詢分析功能，彙整並分析災情與變遷的各種情況，特別是在受災面積的計算（水平／立體表面積），以及土石方量等問題的評估方面極具功效。此外，它還具備立體動態飛行模擬能力，可以提供使用者自訂飛行路線、高度、視野，以監測土石流災情或土地變遷的場景。
數位地形模型（DTM）是利用電腦，以數位化的方式將地貌特徵記錄下來，因此我們也稱之為數位高度模式（digital elevation model，DEM）。數位高度模式並非只是單純的地貌高度資料，我們可以利用這些點與點的數位化資料，進行類似在等高線地形圖上的分析，以取得如稜線、水系、坡度、坡向等資料。現今全臺灣已經完成了40 × 40公尺的規則網點地形高度資料。
最後將前面所述的各種資料加以整合，透過地理資訊系統就能以視覺化的方式展示土石流災情及土石流災後的模擬情境圖。
避難場所決策支援系統
地理資訊系統的另一項功能就是建立「避難場所的決策支援系統」，以規劃都市緊急避難據點。由於當前國內各都會地區尚無避難路線的規畫，一旦災害發生，人員疏散將是一項極大的考驗；因此，此一決策支援系統是以逃生避難者的角度作為切入點，進行思考。一旦當災害發生時，該往何處去？哪些地方是合適的避難場所？如果避難場所無法使用、額滿或避難道路受阻，該如何應變？是不是另有可行的替代方案？這些都是決策支援系統所探討的重點。
另一方面，由於災害發生時會導致水電、通訊中斷，影響臨時安置所的生活機能，也造成政府在救災指揮及聯繫協調上的困難，無法充分發揮其調配與支援的功效。如果能事先選定避難場所，對政府在防災、救災、安置、重建及調查統計方面都有相當的助益，同時可以避免產生二次災害，造成民眾生命財產更大的損失。
此一決策系統採用國內外相關文獻及九二一大地震的現況調查，做為規劃未來避難場所的基準，以此規畫基準做為逃生避難路線與區域選擇的依據。此外，將逃生避難者的心理因素和避難行為，與避難場所的互動關係串聯起來，並參考九二一大地震後避難行為的現況調查，尋求較為合理的避難方式，再與適當的區位理論結合，使得避難逃生者有一較明確的逃生避難方向與選擇。同時也可以藉此評估目前避難場所區位的適當與否，並可預先規劃當避難場所無法使用、額滿或避難道路受阻時，其他替代的避難場所及逃生動線。
考量上述所探討的各項變因，並根據災害發生狀況與等級，定出某一地區的「緊急避難場所」、「臨時避難場所與臨時收容場所」及所謂的「中長期收容所」，並且規劃出合理的區位選派模式。以一個相當典型的規畫案為例，首先利用地理資訊系統對某一地區進行基礎資料建置（道路、公共場所、消防、醫療體系等），根據遴選模式的評比，再考慮交通的狀況與災害範圍影響等因素，最後選擇出學校、公園、寺廟、停車場等地作為避難地區，進行災民的安置與災民的救助。當然這樣的系統，除可提供相關單位平時進行災前演練與物資調度外，一旦發生災害，也可使得災害所造成的影響降至最低。
土石流災害應變中心
最後談到另一個地理資訊系統的成功應用案例，那就是「土石流災害應變系統」的建置。建立此一系統的主要目的，是為了在颱風豪雨來臨時，有足夠的資訊提供給水土保持局土石流災害應變中心，以研判土石流發生的可能性，並適時發布土石流警報，讓民眾得以及時疏散。
此一應變系統是利用地理資訊系統與網際網路技術，將空間與屬性資訊結合，以提供展示、儲存、管理、分析與決策的決策支援系統。它不但可以進行多元化的資料展示，也可以充分提供管理單位多方面的資訊，以作為政策研擬的參考依據，提供管理者更宏觀的管理規劃。土石流資訊系統採用多階層架構規劃，以提升系統效率及穩定性。目前土石流災害應變系統硬體規劃架構，可區分中央氣象局、水保局土石流應變中心及使用者三大部分。
中央氣象局主要負責提供各種氣象資料，如颱風預報資料、衛星雲圖、即時雨量資料。目前水保局土石流應變中心與中央氣象局間以專線方式連接，前述資料由氣象局端Linux氣象資料伺服器，主動將即時氣象資料傳送到水保局土石流應變中心端的Linux雨量接收伺服器。
水保局土石流應變中心負責將氣象局傳送到水保局Linux雨量接收伺服器中的各種氣象資料，加值處理後儲存於資料庫中，並透過土石流發生基準值模式演算後，獲得各地行政區土石流警戒參考狀態。土石流應變中心的核心工作，分別由雨量加值工作站、土石流警戒分析工作站及土石流資訊伺服器三部電腦所構成。
雨量加值工作站主要針對氣象局颱風預報單、雨量站十分鐘即時雨量及衛星雲圖三種資料做加值處理。土石流警戒分析工作站主要針對氣象局雨量站資料進行內插，計算出各鄉鎮累積雨量及降雨強度等雨量資料後，透過土石流臨界值分析模式加以計算，以評估各地土石流警戒狀況。土石流資訊伺服器中架設有土石流資訊系統網站，可將雨量加值工作站及土石流警戒分析工作站處理後的結果公布到網際網路上，以提供民眾或其他防救災應變中心最即時的土石流警戒與災情狀況。
當災害即將來臨或正在發生時，為了讓土石流資訊可以快速地透過網際網路，傳遞到各級災害應變中心，以及讓民眾了解土石流最新相關訊息，此系統資料顯示界面採取網頁方式設計，只要透過瀏覽器即可連結到本網頁，瀏覽最新的土石流相關訊息、颱風資訊、雨量資訊等。土石流相關訊息包括土石流統計、土石流查詢、土石流分布圖、疏散路線圖、電子報訂閱等；颱風資訊包括颱風軌跡圖、台灣地區與東亞地區的紅外線雲圖與藍底雲圖、雷達回波圖；雨量資訊包括雨量站分布、各行政區或雨量站的雨量資料等。
透過地理資訊系統及新興科技的幫助，才得以建立各種災害預警系統，使民眾對於災害的預防與應變，有更為從容與妥適的處理能力，這又是地理資訊系統保護我們身家財產安全的另一成功實例。
未來展望
從以上的介紹來看，地理資訊系統在防災業務方面，實在是一個不可或缺的好幫手，相信在不久的將來，地理資訊系統的重要性就如同汽車、電器、手機般深植在你我的生活中，成為日日相隨的好伙伴。至於未來的發展，地理資訊系統會有怎樣改變呢？以目前系統發展的趨勢來看，在未來的幾十年內，地理資訊將朝幾個方向發展，包括資料標準化、資料多維化、系統物件化、網路化與應用社會化等。
在資料標準化方面，未來各種軟體開發的商家，在資料交換上將會依循共同的標準，以降低資料的重複建置與交換時的損失。在資料多維化方面，目前地球資訊系統的主要應用尚停留在地球表面資料的處理上，大多數地理資訊系統平臺都能夠支援點、線、面的空間物體，但對於曲面仍無法提供良好的支援，因此對於自然景觀或是曲面物體的表達無法逼真。目前多維地理資訊系統的研究重點，多集中在三維資料結構如數位表面模型、柱狀實體等的設計與展現，以及視覺化技術的運用等方面。
在物件化地理資訊系統發展方面，未來的各種地理資訊系統都會變成元件化，其特色就是類似「積木」般可任意組合，因此使用者可以視本身需求開發屬於自己合適的地理資訊系統。最後，網路化的效益就十分明顯了，透過網路的連結可以有效地流通資訊，而從全球資訊網／萬維網（WWW）的任一節點，網際網路用戶可以瀏覽網路化地理資訊網站中的空間資料製作主題圖，進行各種空間檢索和空間資料分析。
由於這些資料均取材自地球上的各種環境，當然這些資料可以整合成一個全新的數位化系統，也就是所謂的「數位地球」。數位地球的誕生，會為人類生活開啟一個嶄新的面貌，有助於社會進步與生活水平的提升。當然我們最關心的防災業務，將來也可完全納入此一系統中，如此一來藉由空間分布及屬性資料的展現，可讓決策者更能有效率地制定最佳的空間資訊政策。一方面可降低災害對人類的衝擊與損失，另一方面可有效達成災害預防與災後重建的目的。
