2017年2月19日 星期日

【新工具】更直覺的新型態地形呈現方式-紅色地圖

管目前Google Earth等3D地形展示工具已非常便利,但實務上,平面的地形圖仍是工程規劃設計時不可或缺的工具。


常用的地形圖類型

常用地形圖的呈現方式包括:等高線法、分層設色法、立體陰影法等,如圖1。另外,亦有整合分層設色法及立體陰影法之彩色立體陰影法,如圖2。
圖1 常用的地形圖型式 (修改自蕭宇伸,2016)

圖2 彩色立體陰影圖 (水土保持局,2015)


傳統地形圖不足之處

等高線法是最常用來表現地形的方式,但等高線法分層設色法只適合用來表示大範圍的地表高程變化,無法反映地表之微地形狀況;立體陰影圖雖然可以突顯局部地形起伏之變化,但除了陰影自身會遮蔽較細微之地形外,入射光源方向不同時,亦可能造成地形凹凸之誤判。
此外,即便目前高解析度光學衛星影像或是航照愈來愈容易取得,但限於地表植生等遮蔽問題,亦不易判識植生下之地表起伏;甚至,如圖1(a)航拍照片中之裸露地在強光照射下,因強烈的光影對比,易讓人誤以為光亮面為凸地。

紅色地圖是啥? 可以吃嗎?

紅色地圖源自Yokoyama等(2002)提出地形開闊度(Topographic openness)之概念,採用醫院的手術燈照射原理,模擬環境自然光線是從全方向照射到地形,並分別對地形隆起與凹陷之特徵進行地上開度及地下開度光照陰影分析,以製作出不會遺漏任何地形細節且具立體感之地形圖。Chiba et al.(2008)結合地形開闊度與地形坡度,並採用辨識效果最佳的黑紅色階,製作出紅色立體地圖(red relief image map),如圖3。(註:日文為『赤色地図』)



圖3 紅色立體地圖製作流程示意圖 (水土保持局,2015)


所謂某位置點之地形開闊度,其實可以視為該處之光源接收量,如山頂(脊)處由於地形開闊度較佳,故光源接收量大,反映在紅色地圖上,其顏色即為白色;反之,如該處為河谷,則光源接收量較少,故在紅色地圖上即為黑色,如圖4右上。
此外,對於某位置點之坡度,紅色地圖則採用陡坡為紅色,緩坡為白色之代表色,如圖4右下。



圖4 紅色立體地圖地形判釋與分析表示圖 (水土保持局,2015)


透過地形開闊度與地形坡度這二個參數的組合,紅色地圖即能表現出絕佳的立體感,如圖5。甚至不須任何訓練,一般人也能直接圈繪出集水區邊界,也不易發生在等高線圖上不同工程師圈繪集水區範圍,結果卻不一致的狀況。
圖5 屏東縣霧台鄉地區之紅色立體地圖(水土保持局,2014)



紅色地圖的真正價值

要談紅色地圖的價值之前,其實必須先回頭看看,產製紅色地圖的重要原始材料-數值地形。近年來,由於空載光達(Airborne LiDAR)的發展,讓我們能濾除地表植生及建物等地物,得到高精度的數值高程模型(DEM),才能進一步地探索與辨識地表微地形的變化。圖6即為使用空載光達製作的1m解析度DEM,後製完成的紅色地圖。


圖6 使用空載光達製作的1m解析度DEM,後製完成的紅色地圖(水土保持局,2015)


由於地質災害(如崩塌、地滑、土石流)多具有重複性,亦即歷史災害遺跡或是地形之變異前兆,常被用來作為災害潛勢判識之重要參據,如圖8為潛在大規模崩塌可能存在之地形特徵。而在紅色地圖上,由於立體效果良好,對於這些地質災害的地形特徵,常有較佳之辨識能力,且不易因判讀者的熟練性不同,導致判讀結果會有不一致的現象。圖9為使用紅色地圖判識集水區內地質災害潛勢之成果。


圖8 潛在大規模崩塌可能存在之地形特徵(水土保持局,2015)


圖9 使用紅色地圖判識集水區內地質災害潛勢之成果(水土保持局,2015)


紅色地圖真的好到沒有缺點?

紅色地圖固然已解決傳統地形圖的一些缺點,但現階段紅色地圖的呈現方式尚無法直接讀取各點位之高程值,或任二點間之高程差,未來或許再與等高線結合,也許是可行的方向,如圖10。
但更大的問題是,目前紅色地圖為日本廠商的專利,固然也許可以用不同地形開闊度的計算方式繞過專利問題(蕭宇伸,2016),但是否真為如此,可能還要進一步了解。
儘管紅色地圖確實在地形與災害潛勢判識之功能性及效果上有重大的提昇,可是一旦涉及專利,在採購法26條的前提下,能否普遍在台灣應用,可能又是另一個問題......



圖10 整合等高線之紅色地圖(蕭宇伸,2016)


【參考文獻】


  1. 蕭宇伸(2016),以自行研發之紅色地圖技術輔助預判土砂災害之潛勢地區,水土保持局105年創新研究計畫。
  2. 李璟芳、黃韋凱、冀樹勇 (2015)。遙測新利器—立體彩繪明暗圖,地工技術,第113期,第113-115頁。
  3. 水土保持局(2015),運用遙測技術協助判釋大規模崩塌潛勢區域微地形特徵之研究。
  4. 陳奕中、侯進雄、謝有忠、陳柔妃、吳若穎 (2014)。高解析度空載光達資料結合地形開闊度分析於構造地形特徵之應用,航測及遙測學刊,第18卷,第2期,第67-78頁。
  5. Chiba, T., Kaneta, S. I., and Suzuki, Y. (2008). Red relief image map: new visualization method for three dimensional data, The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 37, pp. 1071-1076.
  6. Yokoyama, R., Shirasawa, M., and Pike, R. J. (2002). Visualizing topography by openness: a new application of image processing to digital elevation models, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 68, pp. 257-265.



============================ 後紀 ===============================
我個人是將紅色地圖視為一種新型態的地形圖。
測量學上以平面圖表現地形的方法很多,不管是陰影法、暈渲法、分層設色法或是最常用的等高線法,都是方法之一;但相較之下,近年來新發展的紅色地圖似乎更易懂易讀。

以同一地點的四張圖為例:下圖左一為過去我們常用的1/25000經建版地形圖,對於一般未經過訓練的人而言,並不容易直接判讀並於腦海中自動轉換成三維的地形,更別說因其精度有限,無法呈現出微地形的變化;即便我們已使用空載光達製作高精度的1m DEM,當展示為等高線圖(如下圖左二),對於前揭問題仍無法有效解決。
但相同的DEM製成紅色地圖後,就算是未經訓練的一般民眾,經簡單說明後,應該也能很直覺地看出道路、山脊、山谷...等地形特徵。
此外,由於光達可穿透植生直接打到地面,因此,在下圖右一衛星影像看不到的許多山區小徑,在紅色地圖上上也能一覽無遺。




更進一步來說,長久以來判識地質災害潛勢的方法,不管是由等高線、立體像對、或是像潘國樑老師使GE衛星影像判讀的方式,或因呈現方式較抽像,或因易受地表植生遮蔽的影響,判讀時大多仍需要較多經驗的累積與較高技術的養成;相對而言,使用理論上已剝除地表植生的高精度Lidar 產製的DEM則可更真實地反映地表的起伏狀況,同時,再透過紅色地圖產製技術,則可將前揭的高精度DEM以更視覺化的方式在二維的平面圖上清晰地表現地形現況,甚至讓一般人也能以直覺的方式進行判讀,這是我認為新工具及新技術所帶來的好處。

那紅色地圖會取代等高線圖嗎? 可以取代立體像對、或是像潘老師使GE衛星影像判讀的方式嗎?

當然不會。

每一種方法有均有其限制及適用條件與時機。
等高線地形圖仍是大多數工程師最易取得及現場調查溝通的工具,潘老師使GE衛星影像判讀的方式仍是工程師第一時間無法到現場時,在內業最隹的作業工具。

就像即便我的Kindle中早已有全套好讀版的金庸,但我在家中還是喜歡享受三十多年前買的全套遠流版紙本書。


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