土木水利
中國土木水利工程學會,正常發行
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臺灣工程環境受制於複雜的地質構造與土地利用，地表受到地震、斷層活動與地層下陷等變化影響，於短中長期對工程設計、施作與後續維護等全生命週期的永續經營造成不確定因素，因此具有時空上經濟效益的衛星觀測模式逐漸用以輔助工程環境上許多參數的監測。衛星遙測技術經歷多年的研究與驗證，資料品質日趨穩定且傳輸交流迅速，已逐步邁向營運化與實用性的導向。以光學為主的被動式遙測已在國土利用、分類與監測相關領域成為不可或缺的基礎資料源，而以雷達為主的主動式遙測技術也隨著資料開放的趨勢，成為系統性大範圍監測土地利用與地表形變的潛在工具。本篇文章將介紹利用歐洲太空總署於2014及2016年發射的Sentinel-1A/B兩顆雷達衛星，利用再訪影像中不同相位所組成的短基線合成孔徑雷達干涉技術（Small Baseline Subset Differential Synthetic Aperture Radar，SBAS DInSAR）分析，可用以監測臺灣西南平原的地層下陷速度、範圍與週期。後續經由全球衛星導航定位系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）連續追蹤站的點狀地面位移校正雷達成果，可填補地面觀測密度不足的地區，對地表變動的即時監測與長期趨勢預估提供了低成本且高效益的新選項。
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近年來極端氣候影響，驅使河川洪水流量及土砂運移量加遽現象，致使河道上人工構造物（堤防、取水工、橋梁⋯等）之基腳保護工容易發生沖刷破損、傾倒、位移甚至消失等情況。眾多的基腳保護工不論清查或管理，若採用人工作業調查，需花費相當人力與時間成本。因此本研究希望透過快速現地調查，以無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）進行影像資訊蒐集，利用河岸自然環境與人工構造物於光譜影像中明顯的差異性，採用影像形態學與SVM（Support Vector Machine）二元影像等分類方法，進行半自動化圈選與辨識基腳保護工之應用。分析過程採用紋理分析方法，尋找影像中具辨識力紋理，再藉由二元影像分類得到基腳保護工區域與非基腳保護工區域。另外，分類成果亦包括雜訊與分類錯誤，後續納入影像形態學中封閉運算法，尋找最大外包絡多邊形。將最大外包絡區域視為基腳保護工區域，圈選與計算面積。藉由本研究建立程序，以半自動化圈選基腳保護工所在位置，對於基腳保護工區域調查作業，提供便捷分析效益，同時兼具成本考量與調查之精確度，掌握資訊利於後續養護工程進行。
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無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）最初於1970年代由美國國防部發展使用於軍事用途，簡單定義為沒有搭載飛行員的航空器。UAV之機動性高，且產製之影像較傳統衛星影像和航空攝影有更高之地面解析度（Ground Sampling Distance, GSD）。近年來民用UAV（Civil UAV）的發展隨著相關核心技術的開發，低成本製作技術的研發，飛行安全性的提升，民用UAV日漸普及且運用領域愈來愈廣，商業應用效益也愈來愈高。根據美國聯邦航空總署（Federal Aviation Administration，FAA）預估，2020年美國無人飛行載具將有約700萬部；而2022年時，在美國領空執行任務的商用無人飛行載具數量將上看45萬架（US FAA, 2018）。目前UAV之操作已由早期人工於地面手動操作，進步到可於UAV上搭載微型飛行控制電腦，同時整合全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、慣性測量單元（Inertial Measurement Unit, IMU）和地面控制站或控制器等，透過無線通訊系統進行半自動或全自動導航飛行，此整合的UAV飛行系統由美國FAA稱之為無人航空系統（Unmanned Aerial System，UAS）。
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2016年底自然雜誌刊登了一篇文章，文章中使用了300萬幅衛星影像，追蹤全球32年來水體的分佈，以及其隨著時間的變化，該文章作者使用的影像正是來自於美國的傳奇衛星－大地衛星（Landsat）。從1972年發射的大地衛星1號，到現在的大地衛星8號，近50年中以蒐集了約700萬幅影像，被廣泛應用在地球自然資源監測，大大提升了生態、水資源、災害等領域的研究視野。本文蒐集1972年至2018年之Landsat系列衛星，監測山區裸露地的長期變動趨勢，以曾文水庫集水區為例。
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近年在全球氣候變遷影響下，造成極端天氣越趨顯著，使得臺灣山坡地之崩塌災害現象頻生。本文以石門水庫集水區匹亞崩塌地為例，使用高精度DEM判識崩塌地地表特徵；接著，使用PIV方法分析坡地潛在滑動量；再者，以不同期數值地形分析不穩定土砂所在區域及量體；最後，參考地質資料建立三維地質模型，分析崩塌之機制及可能成因。研究成果可提供政府相關單位後續治理或監測規劃之參考。
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台灣濁水溪沖積扇（行政區域包括彰化縣與雲林縣）在地質條件上富含有易壓縮土壤，加上不當過量抽用地下水，導致該區域為台灣目前最嚴重的地層下陷區，尤其高速鐵路正通過該地區最嚴重的下陷中心，地層下陷將會對高速鐵路結構安全產生影響，使得地層下陷防治成為目前一個急需解決的重要議題。政府為改善當地嚴重地層下陷問題，大力投入相關地層下陷防治工作，本文主要介紹台灣地區應用多元整合空間資訊技術監測濁水溪沖積扇的地層下陷，其中多元整合空間資訊監測技術的監測方法包含全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、永久性雷達干涉技術（Persistent Scatterer Interferometry，PSI）、水準測量、磁環分層式地層下陷監測井（以下簡稱地陷監測井）與地下水位井等，分別從空中、地面及地下不同面向來監測三維變形。
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隧道襯砌變形監測為評估隧道穩定及安全性的重要程序之一。然而，除了設置感測器進行長期監測之外，隧道定期巡檢多採取人工目視，繪製襯砌損傷區域、損傷屬性並拍攝照片進行後續比對處理。對於規模較大的隧道，維護工作的執行與數據儲存往往需耗費大量時間、人力與成本。有鑑於此，本文說明以主動式感測的光達（Light Detection and Ranging，LiDAR）掃描技術進行非接觸式的三維數據蒐集，在不受光源侷限下快速獲得隧道襯砌的幾何資訊，並透過適當處理獲致雷射掃描影像，進行直覺化展示與空間資料處理，提升自動化作業之程度。此外，基於永續經營的目的，對於隧道施工階段的設計、工法、地質與岩體評分等資料，以及營運階段的歷年檢測報告、維修補強紀錄等龐大資訊皆應完整地記錄。因此，運用建築資訊模型（Building Information Modelling，BIM）技術於隧道工程設計、建設、營運之全生命週期的管理儼然成為必要趨勢。因此，本文著重在建構可整合於BIM模型中的隧道襯砌掃描影像資料庫管理系統，基於光達掃描 資料，提供隧道襯砌掃描的目視檢查及非破壞檢測量化成果，並可與多時期既有襯砌損傷資料進行比對，掌握襯砌損傷的分布現況與劣化情形，促進隧道結構安全檢測之成效。
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地形展現國土人文及自然特徵，更是各類工程建設的基本資料。地質學發展二百餘年來，現地調查皆仰賴地形圖記錄不同礦物、化石、乃至於岩層層序、構造及不連續面的空間分佈，提供後續推論地質模型或是評估岩盤工程特性的依據。地形圖傳統上多以二維等高線形式呈現，提供做為工作底圖的地形圖比例尺，基本上決定了地質調查的精度上限。近年測繪技術突飛猛進，包括地形幾何的測定方法、地圖製圖技術及呈現，皆有跨世代的變革，不只快速、精細，而且三維立體，岩體工程的地質調查，也將有嶄新的作業方式與呈現方法。