以台24線三地門至霧台路段為例 談 InSAR安全監測遙測技術之應用

林曜滄 土木技師/台灣世曦顧問公司總工程師

王慶雄/公路總局第三區養工處主任工程司

陳柔妃 /北科大材料及資源工程學系副教授

葉佳鴻 /台灣世曦顧問公司 工程師

一、前言

合成孔徑雷達干涉技術(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR),近年發展快速,因其具穿透性佳、精度高、週期短,且可獲取地表資訊等優點,目前已應用於地層下陷評估、坡地及其他設施之監測等項目。

有鑑於「災害總在遺忘的時候來臨」,台灣世曦率先成立專業防災部門,並自主研發建置「國土安全防災平台」,冀望在公共工程減災、預警、監測等方面發揮專業知能。平台中「InSAR 安全監測管理系統」,可望在山區道路邊坡監測中,協助決策、評估重點邊坡之活動性。本文以省道台24線三地門至霧台路段為例,闡述本平台系統結合InSAR資料,於山區公路防、救、減災上之積極應用,及未來可能加值服務。

二、InSAR安全監測管理系統架構規劃

近年來,遙測技術之提升與快速發展,連帶影響國土監測與防災新思維,其中尤以InSAR技術為重點。此技術之優勢,在於以具有全天候成像的雷達影像作為底圖,能有效獲取高精度的地面回波資訊,如今廣泛應用於地層下陷評估、廣域地表變位研究、坡地監測等項目。過去雷達衛星影像,給人單價昂貴、技術門檻過高的既定印象;然而,隨著歐洲太空總署的哨兵1號衛星(Sentinel-1),提供免費資料下載,其短週期多時序影像,有助於提升資料品質,也使各界紛紛投入相關應用與研究,更有助於坡地工程環境之廣域監測。

由於台灣地理環境位置之特殊性,長期以來面臨「複合式」災害之考驗,包含颱風、暴雨、土石流、地震等之侵襲,致使道路邊坡、橋梁等交通設施,遭受此天然災害威脅甚巨,對國家競爭力將間接造成影響;而坡地災害更是不可忽視,如近日臺鐵宜蘭線瑞芳猴硐路段12.2k邊坡坍方、公路總局台2甲線陽金公路8.4K邊坡坍方,導致交通中斷之事件,若各主管機關,能以『認知風險、嚴陣以待(Know the risk, be prepared)』之思維應對防救災,即能事先未雨綢繆,進而加速救災決策效率,故整合式防災平台之需求,更顯重要及迫切。

目前國土安全防災平台系統,包含「橋梁防災維護管理系統」、「土建設施災害管理系統」與「InSAR安全監測管理系統」。前兩者,可在橋梁快篩診斷與防救災資料庫蒐集提供協助;後者,則採用Sentinel-1 雷達影像,將影像解算成果之監測資料,匯入空間資料庫,針對全台進行大尺度長期廣域監測(如圖1),本系統已蒐集近五年期之全台InSAR資料,並且整合全台超過500座GPS測站、歷史地震等資訊,以供擬合比對參考。後續參酌地質環境、雨量等因素,可篩選出高風險致災熱區,再建置地面實體監測儀器,以作為中央及縣市等各級機關,防、救、減災之決策參考。

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圖1 InSAR安全廣域監測系統操作圖台(以花蓮美崙地震為例)

三、公路工程應用案例

省道台24線為屏東市至霧台鄉阿禮村之主要道路,全長47.4公里,其中21.5K至47.4K路段為山區道路,2009年莫拉克風災造成多處道路崩塌,經過公路養護單位多年搶修及復建後,目前已修復至44.5K(臨近過去吉露部落),之後路段,為臨時便道並管制通行。本路段經過多年整治後,道路漸趨於穩定,但歷經豪雨或地震後,仍有零星落石、局部岩屑崩滑、或潛在路基下陷等災害發生。

在工程整治方面,以34.5K路段修復工程為例,本工址於隘寮北溪支流底,設置三處固床工,避免河岸掏刷,保護道路路基,並於103年起,裝設傾斜管與水位觀測井,進行為期五年之監測計畫(如圖2)。前四年的現地監測資料顯示,此區域地下水位與傾斜管變化並不明顯;惟於第五年(107年)7月時,傾斜管產生明顯變位及位移速率增加,現地勘查亦發現坡面保護噴凝土鼓出、路面下陷裂隙等現象。當年9月再次現勘時,發現現地CH-4傾斜管,疑似地層滑動而遭剪斷,且可能有持續產生邊坡滑動疑慮。

為釐清邊坡活動性,以利後續管理養護,故透過ALOS2衛星資料(105-108年),將InSAR形變分析結果與監測資料進行比對,發現自107年7月起,確有明顯地表位移情形,顯示初步分析結果與現地資料吻合,雖尚不危及道路通行安全,但仍須持續監測關注。

綜上所述,顯示各養護管理單位,過去均需挹注大量經費及人力,進行整治與巡查;而如今防災思維,已由災後復建轉為災前預警,且傳統式之大量監測資料,若無適當整合,將造成研判致災時,大量負擔及資訊落差,在資源有限狀況下,多元資料整合與智慧平台建置,則成為一種重要趨勢。

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圖2 台24線34.5K工址空拍圖(左)與InSAR及現地監測資料(右)

四、科技應用調查未來構想

國土安全防災平台系統,可匯入或介接InSAR數據、航拍影像、GPS、現地監測等資料,並彙整成大數據資料庫,協助通盤思考『防、救減災策略』。其中InSAR安全監測管理系統,在台24線公路調查中已有初步成果(如圖3)。本路段雖位於山區,導致資料不如都市地區齊全(青色圖塊),但是初步數據顯示:邊坡地表位移整體趨勢,仍屬長期緩慢沉降(藍色部分為擬合線),特別是部分重點路段,顯示存在潛勢不穩定之疑慮,而分析結果,將來可有助於尋找潛在致災熱點,並掌握其坡地活動性。

後續,將結合歷史災害、光達資料判釋成果、與現地調查、InSAR分析等資料,重新巡視本路段沿線邊坡單元,並配合養護單位,完成滾動式邊坡分級檢討;而雷達衛星反射參考點,在山區不足的問題,將透過增設三處角反射器、與單頻GPS觀測站的方式來改善,此方法能夠提升衛星影像之時間和空間精度,有效提升InSAR資料品質。而利用UAV、LiDAR、InSAR等工具,可望未來能夠事先掌握潛在致災熱點,提前補強高風險致災路段,達到真正「科技巡檢治理」之初衷,進而確保用路人之安全。

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圖3 台24線34.5K以Sentinel衛星分析初步應用成果

五、結語

極端氣候變遷下,未來面對天然災害環境,將更為嚴峻,如何整合相關資訊、提升民眾防災意識等面向,將是往後重點工作。國土安全監測平台系統,首度與公路總局合作,希望透過InSAR遙測技術,能夠在山區道路監測上有防災之積極作為,並達到「減災、防災、避災」目標。達成減少巡檢人力、物力,且監測資料能有效整合,化被動為主動,更能作為往後防救減災之決策資源參考。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


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