287應(yīng)用地理資訊系統(tǒng)於主要水庫(kù)集水區(qū)之管理.pdf

287 應(yīng)用地理資訊系統(tǒng)於主要水庫(kù)集水區(qū)之管理應(yīng)用地理資訊系統(tǒng)於主要水庫(kù)集水區(qū)之管理 陳美心陳美心 1 吳銘順 吳銘順 2 摘摘 要要 本研究藉由整合地理資訊系統(tǒng) GIS 全球定位系統(tǒng) GPS 遙感探測(cè) RS 三維 3 Dimensional 3D 技術(shù)及個(gè)人數(shù)位助理 Personal Digital Assistant PDA 各項(xiàng)功能 提供 水庫(kù)管理單位得以加速水庫(kù)集水區(qū)整體性保育規(guī)劃之執(zhí)行效率 利用 3D GIS 技術(shù) 配合 3D 地 形擬真 進(jìn)行 3D 空間飛行模擬 提供水庫(kù)管理者更能掌握集水區(qū)之空間資訊 並整合 GPS 與 個(gè)人數(shù)位助理 PDA 功能 使得現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查人員可即時(shí)上傳 下載水庫(kù)集水區(qū)環(huán)境資料 作為資 料的更新與維護(hù)之用 最後 除了對(duì)水庫(kù)集水區(qū)做地理資料查詢 更可對(duì)集水區(qū)基本地理環(huán)境 工程位置查詢與更新與維護(hù)土地變遷資料 進(jìn)一步得知集水區(qū)土壤沖蝕量與水源涵養(yǎng)量之影 響 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 地理資訊系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng) 遙感探測(cè) 三維 個(gè)人數(shù)位助理 Application of GIS to Management of Major Reservoir Watersheds Mei Hsin Chen 1 Graduate Student for Ph D degree Department of Soil and Water Conservation National Chung Hsing University Taichung Taiwan 402 Ming Shun Wu 2 Postdoctoral Fellowship Department of Environment Management Geographic Information Systems Research Center Feng Chia University Taichung Taiwan 407 ABSTRACT Geographic Information Systems GIS Global Position System GPS Remote Sensing RS 3 Dimensional 3D technique and Personal Digital Assistant PDA function have been integrated in this study to improve the implementation efficiency of Comprehensive Reservoir Watersheds conservation plan We use the technology of 3D GIS with the 3D topographic sham test 1 國(guó)立中興大學(xué)水土保持學(xué)系博士班研究生 2 逢甲大學(xué)地理資訊系統(tǒng)研究中心環(huán)境管理部博士後研究員 水土保持學(xué)報(bào) 39 3 287 301 2007 Journal of Soil and Water Conservation 39 3 287 301 2007 288 to develop the simulation of 3D flying It can be applied also to the spatial information management that the reservoir watersheds managers By combing both functions of GPS and PDA the on site inquirer can download or upload to do the data analyzing and updating This system can also 1 implement following services such as the Reservoir Watersheds Information search 2 providing the data of reservoir geographical environment inquiring the construction site and doing the maintenance of agrarian transition at all Finally we can have the results of water conservation capacity and soil erosion of Reservoir Watersheds by realizing this advanced system then Keywords Geographic Information System Global Position System Remote Sensing 3 Dimensional Personal Digital Assistant 緒緒 論論 1 1 前言 臺(tái)灣多山地狹人稠 地形陡峭 河短流 急 降雨的時(shí)間空間分佈不均 致使降雨至 地面後不易蓄存利用且水資源調(diào)配困難 更 凸顯集水區(qū)森林涵養(yǎng)水源之重要性 加上近 年來平地資源可開發(fā)利用已近乎極限 坡地 開發(fā)的壓力持續(xù)增加 造成水庫(kù)上游集水區(qū) 土地型態(tài)發(fā)生變化 明顯影響水庫(kù)集水區(qū)之 水文循環(huán)體系 目前各水庫(kù)集水區(qū)已有相當(dāng)豐富之環(huán)境 地理資料 然集水區(qū)之環(huán)境資料會(huì)因自然或 人為因素而改變 為能有效管理並於決策上 提供完整及正確的水資源相關(guān)資訊 資料庫(kù) 之更新與維護(hù)即為相當(dāng)重要的工作 有效利用 GIS 技術(shù) 進(jìn)行幅員廣闊的水 庫(kù)集水區(qū) GIS 資料庫(kù)之建置 使用更精確的 衛(wèi)星影像判識(shí)系統(tǒng) 並加入 GPS 的定位與 3D GIS 技術(shù)之整合 能讓水庫(kù)集水區(qū)環(huán)境管理 由平面走向立體化 於視覺上更趨於真實(shí) 性 為了能讓管理上更具有效率 配合使用 體積小 功能多 並可隨身攜帶的 PDA 進(jìn) 行即時(shí)資料傳輸 記事 無線通訊 手寫式 輸入及文數(shù)字 圖形 影像資料傳遞處理等 各項(xiàng)功能方便性 能更有效掌握與瞭解水庫(kù) 集水區(qū)之空間資訊 1 2 文獻(xiàn)回顧 近幾年來 全世界對(duì) GIS 的需求不斷的 增加 GIS 技術(shù)與應(yīng)用也相對(duì)的提升 單純 的瀏覽地圖已無法滿足使用者的需求 朝向 GIS GPS 與 RS 3S 整合應(yīng)用於 PDA 的趨 勢(shì)是勢(shì)在必行 因此 相當(dāng)多的學(xué)者專家進(jìn) 行此方面的研究與發(fā)展 以下將就 GIS 的各 項(xiàng)應(yīng)用做一探討 許 2002 利用 GPS GIS 科技研究曾文 水庫(kù) 以 GPS 定位配合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方式進(jìn)行集 水區(qū)內(nèi)77件治山防砂工程及各項(xiàng)地理資訊圖 層建立 利用 Visual Basic 6 0 VB6 Avenue 及 ArcObject 等程式語言 建立系統(tǒng)前端使用 者介面及後端支援資料庫(kù) 完成集水區(qū)治山 防災(zāi)工程管理資料庫(kù)系統(tǒng) 提供集水區(qū)內(nèi)工 程構(gòu)造物相關(guān)文字 數(shù)據(jù) 影像 GIS 與多 媒體等資訊查詢展示功能 有效掌握集水區(qū) 內(nèi)各項(xiàng)防災(zāi)工程現(xiàn)況 彭 2004 整合 GPS GIS 技術(shù)應(yīng)用於阿公店水庫(kù) 以 GPS 工 址定位配合現(xiàn)況查核進(jìn)行集水區(qū)內(nèi)97件治理 應(yīng)用地理資訊系統(tǒng)於主要水庫(kù)集水區(qū)之管理 陳美心 吳銘順 289 工程建立 並建置圖層 利用 VB6 Avenue ArcObject 及 NET 等程式語言 建立系統(tǒng)前 端使用者介面及後端支援資料庫(kù) 完成水庫(kù) 集水區(qū)治理工程管理資訊系統(tǒng) 提升該水庫(kù) 集水區(qū)整體治理技術(shù)與強(qiáng)化永續(xù)經(jīng)營(yíng)理念 蔡等人 2003 利用 GIS 與 RS 技術(shù) 應(yīng)用於 法國(guó)SPOT及美國(guó)QuickBird衛(wèi)星影像分析技 術(shù) 建置崩塌地與土石流災(zāi)害分析系統(tǒng) 作 為災(zāi)區(qū)防 救 災(zāi)工作方案研判與推展之參 考指標(biāo) 周 2001 探討 3S 之各種新技術(shù)於災(zāi)害 問題的相關(guān)運(yùn)用 主要目的為建置一完整災(zāi) 害防治地理資料庫(kù) 需包括安置 遷移 維 生管線 營(yíng)建 交通 衛(wèi)生 環(huán)保等各方面 資料展現(xiàn) 讓決策者能更有效制定最佳空間 決策 謝等人 2002 整合 GIS GPS RS 3D 技術(shù)及 PDA 之各項(xiàng)功能 提供水庫(kù)管理 單位一整合性之環(huán)境資源管理系統(tǒng)工具 有 效提高水庫(kù)集水區(qū)整體性保育規(guī)劃 王 2003 整合 3S 技術(shù) GPS GIS RS 技術(shù)應(yīng) 用於南化水庫(kù)集水區(qū)治山防災(zāi)工程管理資料 庫(kù)系統(tǒng)之建置與應(yīng)用 以 GPS 定位與配合現(xiàn) 況調(diào)查 進(jìn)行集水區(qū)治山防災(zāi)工程資料建立 資訊圖層 達(dá)到集水區(qū)土砂災(zāi)害防治規(guī)劃維 護(hù)管理功能 以延續(xù)水庫(kù)蓄水壽命 羅 2003 在發(fā)生 921 集集大地震之後 以 3S 技術(shù)與隨 機(jī)方式 針對(duì)中部縣市等地震災(zāi)區(qū) 進(jìn)行 118 件坡地災(zāi)害防治工程現(xiàn)地定位調(diào)查與其現(xiàn)況 評(píng)估 建立中部地震災(zāi)區(qū)坡地災(zāi)害防治工程 資料庫(kù)系統(tǒng) 提供後續(xù)地震災(zāi)區(qū)土砂災(zāi)害防 治工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方案研擬之重要參考依據(jù) 陳等人 2002 利用 3D 技術(shù)開發(fā)水庫(kù)集 水區(qū)飛行模擬功能 整合 GPS 與 PDA 功能 研發(fā)水庫(kù)集水區(qū)工程勘查 PDA 系統(tǒng) 透過行 動(dòng)裝置 讓控管人員可以隨時(shí)掌握各項(xiàng)工程 位置 適時(shí)回報(bào)管理單位 提高人員勘查效 能 林等人 2005 以 Web GIS 為系統(tǒng)基礎(chǔ) 運(yùn)用 XML 為訊息傳遞格式 串聯(lián)水土保持地 理資料倉(cāng)儲(chǔ)之資料庫(kù) 整合水保局之 坡地 網(wǎng)際網(wǎng)路地理資訊系統(tǒng) 衛(wèi)星影像變異點(diǎn) 查證網(wǎng)際網(wǎng)路管理系統(tǒng) 以及 農(nóng)路調(diào)查及 地理資訊系統(tǒng) 輔以手機(jī)行動(dòng)式瀏覽與 PDA 現(xiàn)地勘查模組 成功建立系統(tǒng)提供行動(dòng)式瀏 覽與現(xiàn)地勘查的功能 本研究應(yīng)用 GIS GPS RS 3D 技術(shù)及 PDA 之各項(xiàng)功能 提出一整合 3S 3D 與 PDA 功能方法 提供水庫(kù)管理單位一整合性環(huán)境 資源管理之系統(tǒng)工具 將水庫(kù)集水區(qū)之經(jīng)營(yíng) 與管理朝向資訊化 以提高水庫(kù)集水區(qū)整體 性保育規(guī)劃之執(zhí)行效率 達(dá)到水土資源永續(xù) 利用之目的 研究流程與方法研究流程與方法 由於水庫(kù)集水區(qū)範(fàn)圍幅員廣闊 需使用 衛(wèi)星影像進(jìn)行集水區(qū)土地使用與覆蓋之判 釋 最為快速 本研究採(cǎi)用最新之 SPOT 衛(wèi) 星影像進(jìn)行判釋 再配合現(xiàn)場(chǎng)勘查 作為精 確度評(píng)估 衛(wèi)星影像判釋流程 如圖 1 所示 分為前期處理與後期影像判釋兩階段 2 1 前期處理 在前期處理部分 分為波段組合 座標(biāo) 轉(zhuǎn)換與影像增揚(yáng)處理 Image Enhancement 階 段 2 1 1 波段組合與座標(biāo)轉(zhuǎn)換 原始影像資料為單一波段型式 透過影 像處理軟體 以波段組合方式 分成多波段 水土保持學(xué)報(bào) 39 3 287 301 2007 Journal of Soil and Water Conservation 39 3 287 301 2007 290 衛(wèi)星影像 分別為綠光段 G 紅光段 R 與近紅外光段 NIR 的 SPOT XS 多波段影 像 陳 1999 進(jìn)行多波譜影像的投影系統(tǒng) 及座標(biāo)系統(tǒng)之轉(zhuǎn)換作業(yè) 將座標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成 1967 地球原子的 TM 二度座標(biāo)系統(tǒng) 以利道 路 河流圖層資料與地理資訊等相關(guān)圖層資 料的套疊分析之用 2 1 2 影像增揚(yáng)處理 依特徵選取 Feature Extraction 的原則及 方法 增加物體彼此對(duì)比 增加影像的可判 性 所使用的影像增揚(yáng)方法分為 波譜增揚(yáng) 空間增揚(yáng)與多波段影像增揚(yáng)三種 本研究採(cǎi)用多波段影像增揚(yáng)方式 藉由 波段數(shù)之增加或減少 以增加景物彼此間之 對(duì)比性 或不同波段的組合與運(yùn)算 亦可突 顯出不同之波譜反應(yīng)值 提高判釋之正確 度 例 如 以 平 均 常 態(tài) 化 差 異 植 生 指 數(shù) Normalized Difference Vegetation Index NDVI 取代綠光波段 以突顯植生與其他地 物類別 增加分類準(zhǔn)確度 Gibabert et al 2002 計(jì)算式為 RNIR RNIR NDVI 1 式中 NIR 近紅外光波譜質(zhì) R 紅光波譜質(zhì) 2 2 後期處理 後期處理著重在影像分類 衛(wèi)星影像判 釋方法 分類與精準(zhǔn)度評(píng)估等事項(xiàng) 在影像 判釋方面分為 監(jiān)督式分類法 非監(jiān)督式 分類法 及 二階段分類 進(jìn)行水庫(kù)集水區(qū) 崩塌地 區(qū)分等工作 最後 再配合現(xiàn)地 勘查 以確保判釋精準(zhǔn)度 2 2 1 影像分類 採(cǎi)用監(jiān)督式與非監(jiān)督式混合之分類方 法 利用非監(jiān)督式分類對(duì)全區(qū)作初步之分 類 得知每一土地覆蓋種類分佈狀況及誤判 趨勢(shì) 再配合像片基本圖 崩塌地 道路 水系 土地利用等 GIS 資料以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘 查結(jié)果 選取訓(xùn)練樣區(qū)進(jìn)行監(jiān)督式分類 並 針對(duì)非監(jiān)督性分類中誤判的部分 加強(qiáng)訓(xùn)練 樣區(qū)選取降低誤判機(jī)率 2 2 2 衛(wèi)星影像判釋方法 影像分類 判釋 Image Classification 是 指透過影像上各像元 pixel 為衛(wèi)星影像上 的最小可辨識(shí)單位面積 所記錄的地表波譜 反射資訊 DNs 值 藉由特定統(tǒng)計(jì)方法的計(jì)算 和分析歸類 賦予影像中每一個(gè)像元一個(gè)象 徵地表覆蓋的特定類別 目前國(guó)內(nèi)於衛(wèi)星影像的技術(shù)發(fā)展上 普 遍以 SPOT 衛(wèi)星影像資料進(jìn)行資源開發(fā)管理 的相關(guān)應(yīng)用研究 本研究採(cǎi)用傳統(tǒng)分類方 式 如 監(jiān)督式分類法 及 非監(jiān)督式分類 法 取得土地覆蓋類別 並配合水庫(kù)集水區(qū) 治理重點(diǎn) 加強(qiáng)崩塌地分類精準(zhǔn)度之提昇 採(cǎi)用 二階段分類法 以下將前述三種分類 法分別說明 1 監(jiān)督性分類法 根據(jù)地面實(shí)測(cè)資料 選取影像上呈現(xiàn)均 值的區(qū)域作為訓(xùn)練樣區(qū) Training Site 資料 由訓(xùn)練樣區(qū)的已知值計(jì)算各分類別的統(tǒng)計(jì) 值 再依此統(tǒng)計(jì)值資料分類其他的未知點(diǎn) 一般而言 監(jiān)督式分類是先決定分類資訊 然後再檢視使波譜分離 非監(jiān)督式分類則先 定波譜分離組數(shù) 再?zèng)Q定其資訊之類別 應(yīng)用地理資訊系統(tǒng)於主要水庫(kù)集水區(qū)之管理 陳美心 吳銘順 291 一般的監(jiān)督式分類法包含最短距離分類 法 Minimum Distance to Means Classifier 平 行體分類法 Parallel piped Classifier 及最大 概似分類法 Maximum Likelihood Classifier 等 最大概似分類方法之基本假設(shè)為考慮所 有的類別光譜反應(yīng)值於所有波段都為常態(tài)分 佈型態(tài) 基本假設(shè)特性 配合已知類別之平 均光譜反應(yīng)值及標(biāo)準(zhǔn)偏差 來計(jì)算每個(gè)像元 落於每種類別之機(jī)率 機(jī)率大者 則歸為該 類別 待所有像元都分類完成 即可組成一 幅分類影像 最大概似分類方法與最短距離 分類方法最大的差別在於最大概似法多考慮 了光譜反射性質(zhì)中的變異量與協(xié)變方 其計(jì) 算公式如 2 式 2 1 exp 2 1 2 12 ii t i i N i mxmx xp 2 其中 i xp 第x個(gè)像元屬於第 i 個(gè)類別的 機(jī)率 N為波段數(shù) i 為類別 i 之協(xié)變方矩 陣 i m為類別 i 之平均光譜向量 Richard and Xiuping 1999 2 非監(jiān)督式分類法 主要是依據(jù)影像分析者所訂定的分類數(shù) 即預(yù)定的集群數(shù) 利用集群分析方式 計(jì) 算 分析全影像光譜分佈各集群的平均值及 標(biāo)準(zhǔn)差 並逐一檢查影像各像元的光譜值是 否符合光譜空間最短距離之條件 經(jīng)由反覆 的集群歸類 以達(dá)到預(yù)定的分類數(shù) 且同時(shí) 達(dá)到最高的光譜分離目的 藉由數(shù)學(xué)方法計(jì) 算檢查一大串未知的像元 基於影像DNs值 的自然群集分佈 Cluster Distribution 將其光 譜空間區(qū)隔成特定數(shù)目的分類屬性 相似覆 蓋型態(tài)內(nèi)的數(shù)值應(yīng)在量測(cè)的空間內(nèi)形成集合 之趨勢(shì) 不同分類的資料比較容易予以分 隔 分類過程亦較為單純 3 二階段分類 在 崩塌地 的掌握為水庫(kù)集水區(qū)治理 的重點(diǎn)之一 由單階段分類 傳統(tǒng)監(jiān)督式分 類 所得到的結(jié)果 相近的類別會(huì)造成分類 上的混淆 其中以建地和崩塌地最為明顯 本研究將分類工作分成二階段來進(jìn)行 首先 採(cǎi)用傳統(tǒng)監(jiān)督式分類法進(jìn)行大項(xiàng)之分類 如 水體 植生 果園 裸露地等 然後利用各 細(xì)類之間的不同光譜特徵值特性加以分類 由於光譜特徵存在的明顯差異 建地和崩塌 地會(huì)與水體 林地等大類別很明顯的區(qū)分開 來 若使用階段式的分類 對(duì)於大項(xiàng)之分類 即可達(dá)到令人滿意的精確度 因此 在於第 二階段將細(xì)類中的建地和崩塌地區(qū)分出來 在建地和崩塌地的分類上 建地的坡度 可視為較平緩 與崩塌地陡峭的特性有明顯 差異 以坡度因子作為區(qū)別兩類的特徵 使 用謝 1993 與吳 1999 對(duì)於臺(tái)灣地區(qū)崩 塌地與裸露地的門檻臨界值研究 使用16 18 20與22度進(jìn)行方法分析 並參考水土保 持局 2001 崩塌地調(diào)查作為崩塌地訓(xùn)練區(qū) 圈選參考之依據(jù) 本研究使用16 18與20 度與水土保持局崩塌地資料套疊 進(jìn)行門檻 值適宜性分析 分析結(jié)果以20度門檻值較為 合理 所以選用20度作為崩塌地 20度以 上 與裸露地 20度以下 劃為分門檻值 在坡度因子的計(jì)算使用數(shù)值地形模型 Digital Terrain Model DTM 資料 選擇3 3 大小矩陣 如圖2所示 圖中P5位置坡度 由其附近3 3像元經(jīng)坡度公式計(jì)算求得 tan 221 dydxSlope 3 式中 水土保持學(xué)報(bào) 39 3 287 301 2007 Journal of Soil and Water Conservation 39 3 287 301 2007 292 iPPdx 46 其中i為P6與P4範(fàn)圍內(nèi) 的像元個(gè)數(shù) jPPdx 82 其中j為P2與P8範(fàn)圍內(nèi) 的像元個(gè)數(shù) 其中每個(gè)方格代表DTM影像中的一個(gè) 像元大小 方格中代號(hào)為高程所對(duì)應(yīng)的灰階 值 運(yùn)算所得坡度以灰階值表示 由於採(cǎi)用 遙測(cè)衛(wèi)星SPOT XS影像之空間解析度為12 5 m 需將40 m 40 m解析度之DTM資料 以距離平方反比權(quán)重法 Inverse Distance Weight IDW 內(nèi)差成12 5 m 進(jìn)行坡度推 算 所得結(jié)果視為遙測(cè)影像分類時(shí)的資訊 量 並完成影像分類 陳 2004 2 2 3 分層分類 由於地表覆蓋情形極為複雜 因此為明 確區(qū)別不同的地表覆蓋 必須進(jìn)行分層分 類 以做出較精確的分類結(jié)果 首先將波譜 反應(yīng)值相類似的先予以歸類 依據(jù)各類再細(xì) 分成不同的地表覆蓋類別 分層分類樹狀圖 如圖3所示 影像分類之類別共可概分為9 類 包括 林地 果園 農(nóng)墾地 水田 旱田 草地 裸露地 崩塌地 建地 道路 水體及 雲(yún) 然各水庫(kù)集水區(qū)土地使用 覆蓋特性不盡 相同 因此判釋過程需視水庫(kù)集水區(qū)之差異 及特殊土地利用型態(tài)而調(diào)整並定義不同分類 類別 2 2 4 現(xiàn)場(chǎng)查勘 為了提高訓(xùn)練樣區(qū)波譜資料庫(kù)建置的精 確性 配合現(xiàn)地查勘作業(yè) 以GPS進(jìn)行定位 及萃取土地覆蓋分類之訓(xùn)練樣區(qū) 可作為分 類判釋的波譜樣本及主要依據(jù) 以提高影像 分類精確度 依據(jù)GPS的作業(yè)方法 本研究 採(cǎi)取純動(dòng)態(tài)定位方式 進(jìn)行試驗(yàn)地的定位作 業(yè) 2 2 5 精準(zhǔn)度評(píng)估 精準(zhǔn)度評(píng)估 Assessment of Classification Accuracy 指在影像分類完成後 依據(jù)所蒐 集的地面真實(shí)現(xiàn)況參考資料 評(píng)估分類後影 像的準(zhǔn)確性 經(jīng)由隨機(jī)方式抽取檢核的像元 後 輔以現(xiàn)地調(diào)查資料及土地利用圖 像片 基本圖等相關(guān)輔助圖形資料 逐一加以校 對(duì) 每一檢核點(diǎn) 可產(chǎn)生誤差矩陣 Error Matrix 依據(jù)Congalton 1991 提出之建議 檢核點(diǎn)的樣本數(shù)以大於250點(diǎn)為佳 以統(tǒng)計(jì) 學(xué)理論 在一定誤差界線下 屬於大樣本資 料 大於30為基數(shù) 可假設(shè)其為常態(tài)分佈 可由 4 式計(jì)算出應(yīng)抽樣的樣本數(shù) 張 1985 楊 2000 推算樣本數(shù)大於271即可 接受 2 2 1 e Z PPn 4 n 樣本數(shù) P 樣本比例 假設(shè)為0 5 每一筆資料 被選取與不被選取機(jī)率各半 e 可容忍誤差值 信賴區(qū)間為90 e 為0 05 Z 標(biāo)準(zhǔn)化常態(tài)值 當(dāng)Z N 0 1 1 645 在誤差矩陣中 經(jīng)由行與列的運(yùn)算 可 得生產(chǎn)精度 Producer s Accuracy PA 使用 者精度 User s Accuracy UA 及全區(qū)分類精 度 Overall Accuracy OA 其運(yùn)算方式如 下 組類真值類真值k第 組類正確分類的像元k第 PA 5 組類的像元數(shù)k被分類成第 組類正確分類的像元k第 UA 6 應(yīng)用地理資訊系統(tǒng)於主要水庫(kù)集水區(qū)之管理 陳美心 吳銘順 293 全區(qū)像元 數(shù)各組類分類正確的像元 OA 7 100 抽樣檢核點(diǎn) 點(diǎn)正確土地覆蓋類別檢核 總體準(zhǔn)確度 8 為了更能表現(xiàn)整體影像分類的誤差性 可藉由誤差矩陣間的相互運(yùn)算而產(chǎn)生Kappa 統(tǒng)計(jì)值 如下式 期望準(zhǔn)確度 期望準(zhǔn)確度總體準(zhǔn)確度 1 Kappa 9 9 式中 期望準(zhǔn)確度係由誤差矩陣 中 將相同的分類項(xiàng)目的行與列數(shù)值相乘 後 再相加總所產(chǎn)生的數(shù)值 除以左上到右 下對(duì)角線上的數(shù)值自乘之值 所產(chǎn)生的百分 比 經(jīng)由精準(zhǔn)度評(píng)估後 再結(jié)合GIS相關(guān)資 料 現(xiàn)地調(diào)查與土地利用圖共同進(jìn)行檢核 可決定分類結(jié)果是否可以接受 若無法接受 則需再次檢討分類項(xiàng)目與過程中的步驟 如 採(cǎi)用影像增揚(yáng) 改善分類方法或加強(qiáng)訓(xùn)練樣 區(qū)選取 直到精準(zhǔn)度改善為止 2 3 3D立體飛行模擬 本研究利用DTM 套疊衛(wèi)星影像或航空 照片以及相關(guān)之向量圖層模擬實(shí)地地形變 化 供使用者設(shè)定飛行路線 飛行速度 飛 行高度及角度 模擬於集水區(qū)內(nèi)實(shí)地飛行之 狀況 並新增屬性查詢及面積計(jì)算功能 3D 立體飛行模擬即是利用此一原理發(fā)展出可結(jié) 合衛(wèi)星影像資料或環(huán)境地理資料庫(kù) 建立具 有三度空間成像之區(qū)域動(dòng)態(tài)飛行模擬之模 式 主要之工作項(xiàng)目包括 影像波段重組 影像座標(biāo)校正 飛行模擬系統(tǒng)分析 路線平 滑化演算方式評(píng)選與測(cè)試 飛行模擬系統(tǒng)程 式撰寫及最小需求平臺(tái)評(píng)選與測(cè)試 工作流 程與說明如圖4所示 2 3 1 影像波段 座標(biāo)與系統(tǒng)分析 包括了影像獲取後之前處理 各個(gè)波段 的重組 以及自然色的處理 使得貼附 Drape 在DTM上的影像能夠呈現(xiàn)自然的色澤 已提 高飛行模擬時(shí) 操作人員對(duì)於地景的辨識(shí)能 力 同時(shí)在視覺上也較為美觀及擬真 再將 影像資料賦予大地座標(biāo) 以能和DTM進(jìn)行貼 附 系統(tǒng)分析內(nèi)容包括 硬體設(shè)備之支援能 力 軟體部分之具備條件 動(dòng)畫影像之可接 受限度 以及參數(shù)控制項(xiàng)目等 2 3 2 路線平滑化演算方式評(píng)選與測(cè)試 路線平滑化演算是指使用者在定義飛行 路線後 將路線上的折點(diǎn) vertex 間的路徑加 以內(nèi)插運(yùn)算 由於對(duì)於一個(gè)任意曲線 很難 找出一組參數(shù)來完全定義曲線的形狀 對(duì)於 任何曲線均可以在曲線上不同的部分用不同 組的參數(shù)來近似 因此 曲線的平滑程度可 以用各段間的曲線連續(xù)性 Continuity 來描 述 由於ArcView本身並未提供路徑平滑化 功能 因此平滑化的工作在飛行模擬上相當(dāng) 吃重 所以不同的演算方式 將會(huì)對(duì)飛行模 擬平滑化路徑產(chǎn)生時(shí)間上有所差異 常用的 曲線控制方法有貝玆曲線 Bezier curve 與雲(yún) 形曲線 Spline curve 二種 2 3 3 模擬系統(tǒng)更新與最佳平臺(tái)選測(cè) 決定了平滑化的演算方式後 接下來即 根據(jù)需求訪談的結(jié)果進(jìn)行程式撰寫 此部份 的程式將以ArcView的巨集語言Avenue為 主 並配合Dialog Designer產(chǎn)生對(duì)話盒 飛 行模擬需要大量圖形運(yùn)算與浮點(diǎn)運(yùn)算 系統(tǒng) 水土保持學(xué)報(bào) 39 3 287 301 2007 Journal of Soil and Water Conservation 39 3 287 301 2007 294 所在的機(jī)器效能必須有所要求 本研究也將 針對(duì)人類肉眼所能接受的更新率 進(jìn)行模擬 測(cè)試 2 4 PDA系統(tǒng)建置 本研究整合PDA與GPS進(jìn)行開發(fā)水庫(kù)集 水區(qū)工程查報(bào)系統(tǒng) 運(yùn)用於集水區(qū)現(xiàn)地工程 調(diào)查 可提昇水庫(kù)集水區(qū)管理人員勘查之效 能 主要分為系統(tǒng)開發(fā)方法與電子地圖製作 2 4 1 開發(fā)方法 以PDA為主體 整合GPS即時(shí)定位 數(shù) 位相機(jī)與手機(jī)通訊功能 具備體積小 功能 強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn) 具跨平臺(tái)運(yùn)作優(yōu)勢(shì) 以Microsoft Embedded C 作為開發(fā)工具 並將系統(tǒng)置於 Compaq iPAQ PDA上 WinCE平臺(tái) 水庫(kù)集 水區(qū)電子地圖資料以shape file格式轉(zhuǎn)入 PDA 另在硬體方面選擇Compaq iPAQ PDA 擴(kuò)充模組 CF GPS接收器模組作為勘查 設(shè)備 對(duì)於外業(yè)勘查的工程人員而言 設(shè)備 整體較輕便 減少許多負(fù)擔(dān) 整體網(wǎng)路架構(gòu) 分為資料庫(kù)伺服端 網(wǎng)站伺服端與客戶端三 部分 如圖5所示 資料庫(kù)端乃依系統(tǒng)需求 使用系統(tǒng)資料庫(kù) 以回應(yīng)網(wǎng)站伺服端要求 進(jìn)行資料轉(zhuǎn)換 儲(chǔ)存及維護(hù) 網(wǎng)站伺服端 係指 行動(dòng)化裝置 串連後端的資料庫(kù)伺服 端 透過Internet的運(yùn)作針對(duì)資料庫(kù)伺服端使 用者所提出各項(xiàng)查詢 編輯等之資料更新作 業(yè)要求 進(jìn)行服務(wù)與回應(yīng) 客戶端 即PDA 本身 依據(jù)使用者之需求 配合PDA本身?xiàng)l 件進(jìn)行客製化設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能 使用者操作介 面 展示空間圖資 文字 數(shù)字 本系統(tǒng)提供座標(biāo)定位 輸入 以及屬性 資料輸入管理功能 包括新增 修改 刪除 等功能 主要是協(xié)助工程查報(bào)人員利用PDA 及GPS之整合 達(dá)成行動(dòng)化工程查報(bào)系統(tǒng)的 目的 本研究建置 PDA水庫(kù)集水區(qū)工程查 報(bào)系統(tǒng) 並與PC版 水庫(kù)集水區(qū)保育查詢 系統(tǒng) 相互整合 將有效運(yùn)用於集水區(qū)現(xiàn)地 工程調(diào)查之業(yè)務(wù)執(zhí)行 其系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖6 所示 2 4 2 電子地圖製作 針對(duì)集水區(qū) 將最新之GIS圖層轉(zhuǎn)換為 PDA界面可讀取之格式 需包括 道路 水 系 集水區(qū)邊界與水庫(kù)淹沒區(qū)等相關(guān)資訊 其電子地圖資料庫(kù)建置流程 以整合水利署 以建置之水資源資料庫(kù) 蒐集彙整相關(guān)單位 最新圖資 進(jìn)行資料格式轉(zhuǎn)換 編修等工作 以利空間或?qū)傩再Y料關(guān)連整合 測(cè)試GIS各 項(xiàng)系統(tǒng)與資料的正確性 最後再將資料轉(zhuǎn)換 為PDA格式資料 匯至查詢系統(tǒng)以供各單位 使用 系統(tǒng)建置與應(yīng)用系統(tǒng)建置與應(yīng)用 主要說明集水區(qū)分類結(jié)果與精準(zhǔn)度評(píng) 估 水庫(kù)集水區(qū)保育系統(tǒng)查詢功能與PDA工 程查報(bào)系統(tǒng)的結(jié)果呈現(xiàn) 3 1 水庫(kù)集水區(qū)分類成果分析 目前研究計(jì)畫範(fàn)圍為全省22座主要水 庫(kù) 由於篇幅的關(guān)係只列舉翡翠水庫(kù)為例 作為水庫(kù)集水區(qū)分類成果分析部分說明 1 集水區(qū)概述 翡翠水庫(kù) Feitsui Reservoirs 位於臺(tái)灣 臺(tái)北縣北勢(shì)溪下游 介於下游南勢(shì)溪河流口 龜山與坪林之間 地理位置圖 如圖7所示 北勢(shì)溪發(fā)源於標(biāo)高620m之三面山 支流為魚 應(yīng)用地理資訊系統(tǒng)於主要水庫(kù)集水區(qū)之管理 陳美心 吳銘順 295 窟溪及金瓜溪 至龜山與南勢(shì)溪會(huì)合後注入 新店溪 Hsindien Creek 本區(qū)大部分為林班 地 現(xiàn)有土地使用狀況概分為兩類 一為已 發(fā)展使用地區(qū) 另為未開發(fā)區(qū) 2 訓(xùn)練區(qū)選取 水庫(kù)集水區(qū)土地 採(cǎi)用2001 1 18 SPOT XS衛(wèi)星影像進(jìn)行監(jiān)督式判釋分類 結(jié)果如圖 8所示 本區(qū)共選用116個(gè)訓(xùn)練樣區(qū) 共計(jì) 11 277個(gè)像元樣本點(diǎn) 3 成果分析 將翡翠集水區(qū)土地利用類別區(qū)分為 林 地 果園 農(nóng)墾地 裸露地 草地 水體 崩塌地與道路八大類 利用水土保持局於民 國(guó)86年委託農(nóng)林航測(cè)所測(cè)繪之臺(tái)灣省山坡地 土地利用圖與水庫(kù)集水區(qū)土地利用監(jiān)督式分 類結(jié)果做一比對(duì) 如表1所示 除了林地 裸露地與崩塌地的面積相差較多外 其他類 別的土地面積大致上吻合 且符合現(xiàn)況 4 精準(zhǔn)度評(píng)估 翡翠水庫(kù)集水區(qū)監(jiān)督式分類成果所進(jìn)行 精準(zhǔn)度分析結(jié)果 如表2所示 評(píng)估整體精 準(zhǔn)度達(dá)92 95 若單以真值之像元數(shù)為評(píng)估 基準(zhǔn) 各類別PA與UA由表中得知翡翠水庫(kù) 集水區(qū)之個(gè)別分類以水體分類精準(zhǔn)度較高 其餘類別有部分混淆情形存在 例如裸露地 易與農(nóng)墾地 果園混淆 林地易與草地 果 園混淆等 但是各分類精準(zhǔn)度皆達(dá)81 以上 3 2 水庫(kù)集水區(qū)保育查詢系統(tǒng) 水庫(kù)集水區(qū)保育查詢系統(tǒng) 系統(tǒng)進(jìn)入畫 面如圖9所示 功能操作主畫面如圖10 查 詢系統(tǒng)包含 22座主要集水區(qū)資料庫(kù) 保育 資料庫(kù) 衛(wèi)星影像資料庫(kù) 環(huán)境地理資料庫(kù) 治山防洪資料庫(kù)與3D資料庫(kù) 並配合PDA 工程查報(bào)系統(tǒng)使用 建構(gòu)成系統(tǒng) 以下將就 系統(tǒng)部分功能提出說明 3 3 基本圖層資料套疊查詢 包括基本圖 水庫(kù)資料圖 環(huán)境敏感地 資料圖 土地利用 水文資料 坡地防災(zāi)資 料與衛(wèi)星影像等 其套疊衛(wèi)星影像資料圖 如圖11所示 可以加入原始影像 分類影像 與變遷圖等 3 4 水庫(kù)集水區(qū)治理工程管理維護(hù) 提供使用者管理所有集水區(qū)治理工程 掌握集水區(qū)治理工程分佈位置 並可針對(duì)工 程之屬性資料進(jìn)行新增 修改 維護(hù)等 以 及施工前 中 後照片瀏覽 如圖12所示 可利用視窗先查詢套疊集水區(qū)治理工程圖 層 再進(jìn)行施工前或後的圖片查詢 3 5 土壤沖蝕及水源涵養(yǎng)模式估算 使用者可於集水區(qū)之土地利用圖上 框 選任意區(qū)域進(jìn)行土地利用變更 系統(tǒng)計(jì)算出 使用者所框選之範(fàn)圍類各類型土地利用之面 積 並提供使用者輸入於框選範(fàn)圍中欲變更 為其他類型土地利用之百分比 系統(tǒng)並顯示 已變更前後之土地利用面積 如圖13所示 再經(jīng)由土壤沖蝕指標(biāo)模式以及HSPF模式之 運(yùn)算結(jié)果 陳 1999 可產(chǎn)生集水區(qū)土地利用 變更前後之單場(chǎng)暴雨之土壤沖蝕量變化以及 逕流歷線 如圖14所示 3 6 3D立體飛行模擬 本 研 究 利 用ArcView Spatial analyst Extension及3D analyst Extension進(jìn)行空間資 料套疊及立體模型之製作 擷取水庫(kù)集水區(qū) 水土保持學(xué)報(bào) 39 3 287 301 2007 Journal of Soil and Water Conservation 39 3 287 301 2007 296 範(fàn)圍內(nèi)之DTM資料並將衛(wèi)星影像依DTM高 程地形進(jìn)行套合 可於ArcView介面中進(jìn)行 立體影像之任意旋轉(zhuǎn) 縮放 移動(dòng) 查詢等 功能 系統(tǒng)之立體飛行模擬功能 需於事前先 設(shè)定飛行軌跡繪製 此軌跡則需以GRID格 式之?dāng)?shù)值高程為底圖 而後軌跡之平面之 X Y座標(biāo)位置抓取DTM對(duì)應(yīng)之Cell value 作為高程 並轉(zhuǎn)換為立體座標(biāo) 以供於 ArcView 3D展示視窗中執(zhí)行飛行瀏覽 首先設(shè)定瀏覽軌跡 接著將前一步驟所 所建立之2D飛行軌跡 轉(zhuǎn)換成 3D 的立體 坐標(biāo)影像張數(shù) 以便與地形現(xiàn)況契合 然後 設(shè)定觀看的高度 傾斜角度 方位角及視角 等參數(shù) 最後以即時(shí)的方式將飛行模擬的情 況展現(xiàn) 系統(tǒng)除3D立體飛行模擬的功能外 如圖15所示 亦提供使用者套疊向量圖檔及 屬性資料查詢 供使用者於視窗中選取任意 範(fàn)圍 計(jì)算平面面積及斜面面積計(jì)算等功 能 對(duì)於水庫(kù)集水區(qū)管理人員而言 可充分 掌握集水區(qū)之地形地貌狀況 並可以減少現(xiàn) 地勘查之時(shí)間及人力成本 3 7水庫(kù)集水區(qū)PDA工程查報(bào)系統(tǒng) 本研究建構(gòu) 水庫(kù)集水區(qū)PDA工程查報(bào) 系統(tǒng) 之主要功能包含 地圖控制工具 地 圖管理功能 GPS定位功能 治理工程管理 功能 工程勘查位置管理功能 可疑點(diǎn)管理 功能與資料上傳下載功能等 進(jìn)入PDA勘查 系統(tǒng) 載入所需水庫(kù)圖資 如圖16 19所示 便可以利用上述功能進(jìn)行查報(bào)作業(yè) 管理人 員先接收GPS衛(wèi)星點(diǎn)位做定位動(dòng)作 再依查 報(bào)系統(tǒng)的功能進(jìn)行治理工程 工程勘查位置 與可疑點(diǎn)等進(jìn)行記錄 或進(jìn)行勘查軌跡記 錄 便可以追溯過去勘查資料 系統(tǒng)於PC端 提供資料上傳 下載之功能 以提供使用者傳 輸水庫(kù)集水區(qū)之電子地圖至PDA或?qū)F(xiàn)地調(diào) 查之資料傳回至資料庫(kù)中 以進(jìn)行管理 其 畫面如圖20所示 結(jié)論結(jié)論 1 本研究藉由GIS GPS RS 3D技術(shù)及 PDA各項(xiàng)功能之整合 提供水庫(kù)管理單 位一整合性之環(huán)境資源管理之系統(tǒng)工 具 透過3D地形模擬套疊地物地貌以 及衛(wèi)星影像 相片基本圖 依指定之飛 行路徑做3D立體飛行模擬 使水庫(kù)管 理者更能掌握集水區(qū)內(nèi)之空間資訊 2 GPS與PDA整合之功能 提供水庫(kù)集水 區(qū)環(huán)境資料庫(kù)及工程位置查報(bào)等更新及 維護(hù)管理機(jī)制 使水庫(kù)集水區(qū)之經(jīng)營(yíng)與 管理朝向資訊化 並提升相關(guān)業(yè)務(wù)執(zhí)行 之效率 3 集水區(qū)保育環(huán)境地理資料庫(kù)查詢外 更 可對(duì)集水區(qū)之基本環(huán)境地理資料 工程 位置查詢 更新 維護(hù)及土地利用變遷 對(duì)集水區(qū)土壤沖蝕量 水源涵養(yǎng)量之影 響等 做整合性的查詢 誌謝誌謝 本 文 承 蒙 經(jīng) 濟(jì) 部 水 利 署MOEA WRB 8900048和MOEA WRB 910005V2提 供研究計(jì)劃之補(bǔ)助 使得研究工作得以順利 進(jìn)行 在此由衷感謝 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 王凱玄 2003 GPS GIS RS應(yīng)用於南 應(yīng)用地理資訊系統(tǒng)於主要水庫(kù)集水區(qū)之管理 陳美心 吳銘順 297 化水庫(kù)集水區(qū)治山防災(zāi)工程管理資料庫(kù) 系統(tǒng)之建置與應(yīng)用 國(guó)立屏東科技大學(xué) 土木工程研究所碩士論文 屏東 2 行政院農(nóng)委會(huì)水土保持局 2001 崩 塌地調(diào)查計(jì)畫 北部地區(qū) 3 行政院農(nóng)委會(huì)水土保持局 2001 桃 芝颱風(fēng)災(zāi)區(qū)崩塌地調(diào)查分析 4 吳雲(yún)瑞 1999 土石流潛勢(shì)分析及 其在臺(tái)南縣之應(yīng)用 國(guó)立成功大學(xué)水利 及海洋工程研究所碩士論文 臺(tái)南 5 周天穎 2001 3S技術(shù)於防災(zāi)害分 析之應(yīng)用 土石流災(zāi)害之學(xué)術(shù)研究 中 正基金會(huì) 專題研究報(bào)告 第75 91 頁 6 林育生 高治中 陳美心 周天穎 2005 利用Web GIS XML Mobile技術(shù)達(dá) 成開放式之整合性網(wǎng)際網(wǎng)路地理資訊系 統(tǒng) 第三屆數(shù)位地球國(guó)際研討會(huì) 第 40頁 論文摘要 7 許偉岳 2002 GPS GIS應(yīng)用於曾 文水庫(kù)集水區(qū)治山防災(zāi)工程管理資料庫(kù) 系統(tǒng)之建置與應(yīng)用 國(guó)立屏東科技大學(xué) 土木工程研究所碩士論文 屏東 8 彭彩菁 2004 GPS GIS應(yīng)用於阿 公店水庫(kù)集水區(qū)治理工程空間分佈特性 之調(diào)查分析 國(guó)立屏東科技大學(xué)土木工 程研究所碩士論文 屏東 9 陳美心 1999 土地利用變遷對(duì)水 源涵養(yǎng)效益之影響 以大埔水庫(kù)集水區(qū) 為例 逢甲大學(xué)土地管理學(xué)系碩士論 文 臺(tái)中 10 陳美心 劉怡萱 謝公耀 葉昭憲 周 天穎 楊龍士 2002 整合PDA與 3D技術(shù)於水庫(kù)集水區(qū)管理之應(yīng)用 中 華地理資訊會(huì)年會(huì)暨學(xué)術(shù)研討會(huì) 第 B 26頁 論文摘要 11 陳盈智 2004 空間資訊技術(shù)於土 石流流出量分析之研究 以陳有蘭溪流 域?yàn)槔?逢甲大學(xué)土地管理學(xué)系碩士論 文 臺(tái)中 12 張紘炬 1985 統(tǒng)計(jì)學(xué) 華泰圖書 文物公司 13 楊龍士 周天潁 2000 遙感探測(cè) 理論與分析實(shí)務(wù) 逢甲大學(xué)地理資訊系 統(tǒng)研究中心 14 蔡光榮 羅佳明 廖鳳卿 林成翰 2003 衛(wèi)星影像技術(shù)應(yīng)用於崩塌地與土石流 災(zāi)害分析系統(tǒng)之建置 中華水土保持學(xué) 報(bào) 第三十四卷 第三期 第207 216 頁 15 謝政道 楊龍士 周天穎 葉昭憲 劉 怡萱 陳美心 2002 地理資訊科 技於水庫(kù)集水區(qū)管理之應(yīng)用 第十三屆 水利工程研討會(huì) 第O1 O8頁 16 謝正倫 1995 豐濱鄉(xiāng)東興部落之 野溪坡地災(zāi)害調(diào)查與規(guī)劃 花蓮縣政府 委託計(jì)畫 17 羅佳明 2003 GPS GIS RS應(yīng)用於 地震災(zāi)區(qū)坡地災(zāi)害防治工程調(diào)查及其風(fēng) 險(xiǎn)評(píng)估模式之建置與應(yīng)用 國(guó)立屏東科 技大學(xué)土木工程研究所碩士論文 屏東 18 Gilabert M A and Gonza lez Piqueras J 2002 A generalized soil adjusted vegetation index Remote Sensing of environment vol 82 pp 303 310 19 Congalton R G 1991 A review of assessment the accuracy of classifications of remotely sensed data Remote Sensing of Environment vol 37 pp 35 46 20 Richards J A and Xiuping J 1999 Remote Sensing Digital Image Analysis Springer 96 年 8 月 03 日 收稿 96 年 10 月 15 日 修改 96 年 11 月 01 日 接受 水土保持學(xué)報(bào) 39 3 287 301 2007 Journal of Soil and Water Conservation 39 3 287 301 2007 298 圖1 衛(wèi)星影像判釋流程圖 Figure 1 The flow chart of satellite images judge and interpre