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防災空間資訊系統

空間資訊系統結合了氣象及水利資訊,透過網際網路平臺提供水利防災服務,不僅能支援決策所需的關鍵資訊,同時也讓第一線單位人員可以快速掌握全面而即時的所有資料。
 
 
 
莫拉克風災之後

民國98年8月,莫拉克颱風在臺灣中、南、東部帶來近3,000毫米的雨量,導致前所未有的嚴重災情,計有675人死亡、24人失蹤、45人受傷。99年的凡那比、梅姬颱風,101年的蘇拉、天秤颱風,以及102年的蘇力、康芮颱風等,都造成宜蘭及嘉南地區嚴重淹水災情。另外,臺灣每年五、六月的梅雨季節對流雲系所帶來的雨量相當驚人,是臺灣地區僅次於颱風的第二大氣象災害。

颱風豪雨的降雨雖然可解除臺灣冬季雨量稀少所導致的旱象,但也因長時間高強度的降雨帶來淹水災情,嚴重威脅著民眾生命與財產的安全。然而水利防災面對的挑戰還不僅於此,全球氣候變遷跡象日益顯著,臺灣地區水環境變化難以預測,導致洪澇災害發生頻率、規模與損失的廣度、深度都有加大的趨勢。加上水災災害應變任務頻繁,現有人力物力又不足,再則隨著社會經濟發展,高地、都市水患屢屢發生,損害日益擴大,複合型災害因而一再重演。

全球暖化與極端氣候

依據2013年9月30日發表的聯合國「跨政府間氣候變遷小組,IPCC」《第五次氣候評估報告》,明確指出在地球暖化下,可以預期目前的溼潤地區雨量會增加、乾旱地區雨量則會更少。不容諱言的是,氣候變暖和極端氣候活動增加是氣候變化的兩個基本趨勢,變暖是一個全球的總趨勢,它在空域上的分布並不均衡,在時域上的變化也不單調,而是呈波動式上升。這個結論是以科學觀測得到的大量資料為依據的。

固然有部分學者對氣候變暖的趨勢提出不少質疑,也能列舉出一些數據,但從已掌握的全球觀測資料來看,確定近百年全球暖化的總體趨勢應是沒有問題的。至於在極端氣候事件上,IPCC‭ ‬早已觀測到,自1950年後北半球中緯度地區的降雨量是持續增加的;而熱浪發生的頻率也有增加,特別是在歐洲、亞洲與澳洲‭ ‬3‭ ‬個區域;另北大西洋熱帶氣旋的強度也有所增加。

世界銀行在「2005年自然災害頻傳地區 ─ 全球風險分析」研究中透過統計全球六大主要天然災害(地震、火山、洪水、乾旱、颱風、坍崩),了解目前各地遭受天災的情形。若進一步觀察臺灣地區,可以發現本地主要遭受地震、颱風和坍崩(土石流)3項天然災害,可能會遭受上述任兩項以上災害侵襲的土地面積涵蓋了全國的99.1%。因此世界銀行評估,臺灣是全球水災、坍崩、地震交替發生率最頻繁的區域。

細看上述三害,其中地震無法預測,幾乎無法進行事前防範工作。坍崩、土石流的發生與短時間內大量降雨有關,災變發生在剎那,使得防範的時間很短。至於洪水災害,以目前科技是比較有可能掌握並且提出因應對策的。

近年來已有許多洪水災害評估及預警系統建立,但是在空間展示及資訊整合上,與使用者的期待仍然有相當大的落差。隨著科技快速發展,防災資訊已經由過去人工與平面資訊轉為自動化作業、跨平臺執行、即時展示、立體影像、圖層疊加等。智慧型手機、平板電腦及行動網路普及,即時防災資訊已經由辦公室延伸到決策者個人的身邊。

多尺度遙測就是由不同高度來看同一個地方,由大範圍的周圍環境到細微的目標特徵都可以一併看清楚。也就是經由衛星、飛機、無人載具及地面攝影拍攝獲得的資料,經過套疊的技術同時看到巨觀與微觀的景物。

在一開始是從遠處來看,隨著滑鼠滾動,距離拉近,電腦已經在背後把更細緻的影像預備好,使更近更細緻的影像一一呈現,甚至使用者也感覺不出影像資料已經在更換,看到的只是連串順暢的影像。使用者同時可以轉動方位,從上下左右不同角度來觀看所關注目標的立體實景,有如身歷其境,其感覺恰如使用大家熟悉的谷歌地球(Google Earth)。

防災空間資訊系統以谷歌地球為展示平臺,這是全球最便捷的免費三維立體展示平臺,且是開放源碼的平臺。它的優點是建置及維護成本較低,且系統開發具高度彈性。透過網路雲端服務系統,可讓使用者把資料儲存在雲端。除了便於尋找地點或識別地形、地物之外,還可以把防災資訊加入這個空間展示平臺中。這樣的空間資訊(包括網格及向量圖層)更容易整合、建置與交流,並在二維及三維的環境套疊展示各式圖資,當災害發生時,可即時展示多重的資訊,並且配合空間定位,快速整合應用與展示。

傳統的電腦使用觀念,資料都儲存在硬碟中。但隨著網路科技的發展,網路速度提升,即使資料是放在太平洋的彼端,當存取該資料時也感覺不出來。由於微軟、蘋果電腦、資料箱(Dropbox)等大企業在多年前已經有這樣的遠見,因此在世界各地建置了數個資料中心,互相定期備份資料,並且有嚴密的資訊安全管理。

當客戶把資料放在網路的硬碟中,雖然不知道放在哪個機房,但只要有網路,輸入正確帳戶與密碼就可以隨時下載與搜尋想要的資料。這就是目前最熱門的雲端技術,而且許多電腦業者還提供使用者大量的免費儲存空間。新的電腦設計甚至沒有硬碟,只要有網路就可與世界連結。

防災空間資訊內容

淹水與土石流防災工作的重要依據是降雨量,而雨量預報的資料來源甚多,但我國以中央氣象局的「系集模式颱風定量降水預報」(Ensemble based Typhoon Quantitative Precipitation Forecast,簡稱ETQPF)為唯一防災雨量預報的官方依據。

系集預報的意思是因為全球有許多機構各發展出其數值天氣預報的模式,每個數值模式都有它的特點,沒有誰敢說哪個最準確。天氣預報員會根據個人主觀經驗選擇相信某個預報模式另加上一點微調。但是預報仍然不容易,於是氣象學者提出折衷的方法就是結合許多數值模式的預報結果,依據過去一天或三天預報比較準的模式給予不同的權重值再取其加權平均值,在這樣的考量下所求得的預報結果,就當成是最佳的天氣預報。

這個防災空間資訊系統就是依據中央氣象局提供的資訊,運用多尺度遙測技術與資料,徵詢決策者需求,建構出合宜的使用介面系統。在洪澇災害發生的期間,可即時掌握與判斷災區範圍,並立即調整救災人力與機具的部署,提升各種天災時救災的機動性與成功性。

為達成可迅速提供防災資訊服務的宗旨,筆者開發了以使用者為導向的系統。在理論與技術層面上,分別有面積雨量估算、雷達影像淹水深度判別、福衛二號影像的處理判釋、無人飛機空拍等。防災資訊則有潮位站、水位站、水庫、災點資訊、封橋封路資訊、防汎備料、抽水機資訊、各地攝影機、淹水潛勢圖、地籍圖、土石流警戒等。

資料整合

氣象局除了提供即時觀測雨量外,也提供72小時系集預報的雨量估計產品,在平日氣象局提供每6小時一次的區域系集模式雨量預報產品,颱風期間則改為每3小時一次的預報。系集模式颱風定量降水預報產品結合了中央氣象局和臺灣颱風洪水研究中心所有的系集成員預報結果,再融入氣象局發展的定量降雨預報技術所做出來的後製降水預報產品,使得資料更完整且密度比較高。

把氣象觀測站的觀測雨量和預估的雨量結合,分別找出位在河川水位站上游最近的雨量站的過去、現在及未來雨量,並且彙整水位上升速度、警戒水位高度等資訊。同樣的觀念也應用在水庫集水區及潮位站所在地區,並且整合附近氣象站、浮標站、雨量站、雨量預報等資訊,提供附近流城平均雨量及潮汐預報資料、沿岸風的風向、風速觀測等資訊。對於劇烈天氣時是否有暴潮、大雨及向岸風造成可能的水患,也提供了整合性服務的資訊。

向量資料整合

為便於防災單位使用,以防災預警資訊、災害事件分析、一般基礎圖資三大方向構思了彙整圖資。

超級套疊與發布技術 由於影像資料非常多元,包含福衛二號、無人載具影像、雷達衛星影像等,數量非常龐大,需要使用影像超級套疊。這技術是根據電腦畫面可視區域大小,貼入適合螢幕解析度的影像瓷磚(image tiles),因此影像前置處理主要程序包括了影像裁切及影像重新取樣兩部分。

影像裁切是先把一張例如1024 × 1024的原解析度影像切成4等份(512 × 512),每一等份再切成4等份,形成16張256 × 256解析度的影像瓷磚。影像重新取樣則是把所有影像瓷磚的解析度都重新取樣為256 × 256,這對原本的16張256 × 256原解析度的影像瓷磚並沒有影響,但會相對降低1024 × 1024及512 × 512這兩個等級的影像解析度。

做完前兩個步驟後,就完成不同套疊影像瓷磚的製作。把這些圖由下面的高解析度小範圍影像瓷磚依次向上疊加次解析度但是範圍略大的影像,到最上層時,範圍最大卻只有一個影像的低解析度影像,整個看來像是金字塔形狀的結構,這就是超級套疊。

向量資料 向量圖資如崩塌地或河川淤積地圖層等欲發布在谷歌三維地球模型軟體呈現時,會視檔案大小給予不同的轉檔處理。小型檔案會直接以軟體把圖資格式轉換成谷歌地球的格式檔案,因此在谷歌三維地球模型軟體中,無論何種視距都完整呈現圖資。大型檔案則依前述的超級套疊及發布技術,把圖資資料裁切成數塊相同大小的向量檔,並寫進谷歌地球的檔案中,供閱圖者在可視區域內能以高效率讀取,即使是普通等級的個人電腦也得以使用。

空間資訊系統運作與展望

空間資訊系統結合了氣象及水利資訊,藉著資訊平臺而建立水利防災服務系統,它不僅快速提供決策者充分的防災資訊,也提供第一線人員及相關單位取得必要的防災資料。

筆者的研究團隊建置的空間資訊系統,可以在災害來臨前與來臨時,提供豐富的空間資訊,包括河川水位、抽水機位置,以及重要水利設施等完整的資訊,以提供防救災管理者的決策參考。只是,沒有一個系統是完美的,只有繼續改善,增加系統中的資訊,例如微波衛星資料,颱風來臨前可能的降雨位置與夜間觀測資訊等,並提供防災人員前往災區的參考路線或淹水深度資訊等。

目前研究團隊已完成水利署的空間資訊系統的建置,但如何進一步和水利署防救災資訊管理系統緊密連結,仍待共同努力。未來更希望水利署的經驗可以複製到其他縣市政府。
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