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曾文水庫集水區崩塌地及其地景指標分析 Landslide and its landscape metrics analysis in Tsengwen reservoir
watershed
國立屏東科技大學水土保持系
副教授 研究生
江介倫 林紘立
Jie-Lun Chiang
Hong-Li Lin
摘 要
近年來侵台的颱風常帶來超大豪雨衍生極端降雨致災事件，對台灣之坡地造成大規
模土砂災害，加上面臨全球氣候變遷，原來極端降雨事件發生頻率改變，因此本研究分
析曾文水庫集水區 2008~2013 年的 SPOT 衛星影像得到歷年崩塌區域圖，再將崩塌地之
變遷如擴大、不變或復育等區分再計算地景指標加以探討。由結果可知莫拉克風災後因
2010 年、2011 年、2012 年連續三年無較大之颱風降雨故復育區逐漸增加，至 2013 年之
較大之降雨又令崩塌擴大。並分析歷年崩塌面積的變化與颱風降雨的關係，發現曾文水
庫集水區承受能力在累積降雨 900mm 時仍無明顯新增崩塌，累積降雨達 1900mm 以上時
則崩塌顯著增加。由各年復育區地景指標分析其與雨量相關性，可發現與密度相關指標
具顯著相關性。由擴崩區地景指標與雨量相關性可發現與嵌塊體大小有關之指標如面積
等指標具顯著相關性。由各年無變動區地景指標與雨量相關性可發現最大嵌塊體與邊緣
形狀相關指標具顯著相關性。透過集水區測站降雨資料與各年崩塌地面積變化分析，發
現大型颱風降雨是影響大型崩塌的關鍵，也是影響崩塌地自然復育的重要因素，而小型
崩塌地自然復育快，可在環境的常年擾動中恢復，對集水區影響小，故建議未來在水庫
集水區管理經營的考量上，可加強對極端降雨事件後大型坡地崩塌的清查與整治，方能
盡可能減少土砂沖蝕量，降低水庫淤積的風險。
關鍵詞：崩塌，地景指標，颱風
Abstract
Tsengwen Reservoir is one of the important water conservancy facilities in southern Taiwan,
and also an important source of livelihood water in Chiayi, Tainan and Kaohsiung areas.
Because vulnerability of geological condition, typhoons and heavy rain cause serious erosion
and sediment in Tsengwen watershed. In 2009, Typhoon Morakot brought about 17,060,000
sediment and caused uncertainty of water supply. As a result, to renovate landslides of watershed is an important issue for the operation of reservoir.
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In this study, SPOT image and landscape metrics are used to analyze the variational
characteristics of patch which is seen as vegetation restorative of landslide 2012-2013.
Maximum likelihood classifier was used in this study. The features of classification included
green, red and near-infrared, short-wavelength infrared band of SPOT and normalized
difference vegetation index (NDVI). After that, we use landslide layer in which spatial
resolution is 20 meters as a base data to analyze landscape metrics. The results showed that
between 2012-2013 vegetation restoration of landslide in Nan-hua Reservoir is about
50,705.The mean patch size(AREA_MN)is about 291 , number of patch(NP) is 174, and largest patch index(LPI) is about 22.91％. It shows vegetation recovery scattered distribution.
2013 Mean patch fractal dimension (FRAC_MN) is 1.0599, and comparing with 2012 in
which FRAC_MN is 1.1314, the shape of patch tends toward simple. However, vegetation
recovery is smaller than landslide. According to spatial resolution, it affects expression of
small patch. As a result, we have two points in the renovation. One is to strengthen the edge
of landslide and prevents from being larger .On the other hand, to speed up the vegetation
restorative process of smaller landslide.
Keywords: landslide, landscape metrics, typhoon
一、 前言
近年來侵台的颱風常帶來超大豪雨衍生極端降雨致災事件，對台灣之坡地造成大規
模土砂災害，面臨全球氣候變遷，原來極端降雨事件發生頻率改變，土砂災害發生頻率
可能增加，而隨遙測技術的快速發展，遙測影像成為環境監測的利器，遙測影像具有獲
取資料週期短、不受地形限制、影像資料涵蓋範圍廣，可以全面性與即時性的掌握災害
資訊，進而瞭解災害發生的模式做出適當的預測與警告，達到勘災以及防災的目的(顏
君毅、張中白，2007)，加上地景指標可加深吾人對崩塌空間特性的了解。因此本研究
分析曾文水庫集水區 2008~2013 年的 SPOT 衛星影像得到歷年崩塌區域圖，再將崩塌地
之變遷如擴大、不變或復育等區分再計算地景指標加以探討。故在防災觀點與集水區永
續經營的思量上，結合遙測技術與空間資訊系統分析集水區內崩塌地特性則成重要之課
題，未來若能針對區內崩塌地特性制定合適的治理策略，期能更有效的收到水土保持之
目的。
二、 文獻回顧
林信輝(2006)指出臺灣地區常見的崩塌類型有兩種：地震型崩塌及降雨型崩塌，地
震所引發之崩塌，除大面積地滑外，大多屬於淺層崩塌、崖落，多位於凸坡之坡頂，其
規模較小；而降雨引發之崩塌則多發生於山腹及邊坡坡趾，其規模通常較地震引發之崩
塌來得大(洪如江等，2000；Fuchu et al., 1999)。
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陳家平(2013)以福衛二號影像判釋曾文水庫、南化水庫、石門水庫等集水區崩塌，
指出各水庫集水區崩塌最易發生在坡度七級坡之區位，曾文、南化水庫易發生崩塌坡向
為東、東南、南、西南，石門則是東、東北、東南；土地使用類型分別是水利使用地、
裸露地及森林使用地；高程為 1250~1750 公尺、750~1000 公尺及 3250~3500 公尺。陳
天健等人(2014)分析之隘寮溪流域地震型與降雨型崩塌特性之差異，成果顯示地震之崩
塌坡度主要分佈於 30 - 50 度，75%位於山脊或山腹，90%崩塌之面積小於 10 公頃；而
颱風之崩塌坡度則主要分佈於 20 - 40 度，81%位於山腹或坡趾，且中大型崩塌面積明顯
增多，52%崩塌之面積大於 10 公頃，而颱風引致大型崩塌之數量較地震事件顯著。
穆婧與林昭遠(2013)研究高雄旗山溪上游莫拉克颱風前後 11 項崩塌地環境指標分
析，結果顯示，主成分分析萃取的三個主成分軸分別以植生、坡度和海拔高差指標為主，
代表地形為主要影響因素，故採用海拔、坡度、NDVI、地形濕潤指數、坡度粗糙度、
距離平均高度離差等 6 項因子建立崩塌潛感推估模式。
胡原銘(2006)分析曾文水庫集水區於颱風過後新增崩塌地之地質、地形、坡向及降
雨特性的關聯性分析，崩塌較易發生之地形坡度集中於 20~40 度之間，地質條件則以達
邦層及南莊層等為主要發生崩塌地區，坡向方面以東南方坡向較容易發生坍塌破壞現
象。當地形坡度及地質分區符合上述條件時，接近颱風暴雨中心區域之崩塌潛勢將大為
提高，顯示崩塌分佈特性主要還是與降雨有較高之關聯性，所以降雨對於崩塌發生地
點、發生規模與數量上皆有相當程度之影響。Mitra et al. (1987)利用模糊理論建立土壤
侵蝕預報模式，點出坡度越大的邊坡面，其土壤臨界摩擦係數相對越小，坡度大於 56%
的崩塌地具有高度不穩定性，極易發生崩塌。
林文賜等人(2004)以多期衛星影像分析 921 地震後九九峰地區崩塌地變化，指出該
區域崩塌比會隨坡度及海拔高度增加而增大，顯示坡度與高程對崩塌的正向關係。陳樹
群等人(2012)研究南投神木集水區崩塌發生之降雨特性，指出集集大地震後，中長延時
(超過 12 小時)或高強度(降雨強度>30mm/hr) 之降雨事件是主要誘發因素，降雨誘發的
崩塌以下邊坡崩塌為主，且越是長延時高強度之降雨事件，下邊坡崩塌比率地景生態學
是以地景為研究主題，將地理學與生態學結合產生的交叉學科(黃志成及馮豐隆，1998)，
德國地理學家 Troll 在 1939 年於東非土地利用的研究被視為地景生態學的起源，Troll
將地景定義為結合了地理圈、生物圈及智慧圈的人和事物在人類生活空間中的可見實
體。地景生態學的核心著重於景觀單元間能量與物種的流動，及其空間結構、分佈、功
能與時空之關係 (Troll, 1968, Forman and Godron, 1986)。鄔建國(2003)認為地景的結
構、功能與變遷是相互依賴作用的，地景結構決定功能，而結構的形成與發展又受功能
的影響，地景結構和功能又必然隨時間變遷，其變遷過程反映自然和人為、生物和非生
物等的交互作用和綜合影響。
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19AD，德國學者 A.Von Humboldt，將景觀（Landscape）視為一地的所有特徵。1939
年，德國學者 C.Troll，將地理學和生態學概念相結合（空間、時間），可將其定義為對
景觀某一地段土生物群落與環境間的主要的、綜合的、因果關係的研究，這些相互關係
可以從明確的分佈組合和各種大小不同等級的自然區劃表現出來。本研究將之應用於探
討崩塌區塊之分佈及其對水文環境與致災的影響。地景指標的分析研究依空間尺度的不
同劃分為三大層級(Leitao et al., 2006)：嵌塊體(patch)、類別(class)和景觀(landscape)，研
究者依不同的研究目的採取不同的層級架構(圖 2-1)。
圖 2-1 地景指標層級概念圖
資料來源：改繪自 Leitao, A.B., Miller, J., Ahern, J., McGarigal, K., 2006, Measuring
Landscapes: A Planner’s Handbook, Island Press, Washington, D.C.
三、 方法與理論
所謂地景指標係指利用土地利用之空間圖層資料，進行嵌塊體特性的量化。量
化地景結構為瞭解地景功能與變遷不可或缺的程序，而地景指標可即時描述地景的空間
結構，它可以提供鑲嵌體的資訊，如區域內每一地景型態或類型的百分比或地景要素所
組成的形狀，其為描述嵌塊體或嵌塊體之鑲嵌體的幾何與空間特性（空間的等質性）之
工具，地景指標會隨著地景屬性而改變，彼此有高度的相關，故地景指標能夠將地景異
質性與棲地破碎化的程序量化，提供地景類型與程序較佳的瞭解。近年來由於地理資訊
網格
嵌塊體
(網格的總和)
類別
(嵌塊體的總和)
景觀
(類別的總和)
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系統（Geographic Information System, GIS）的空間分析技術成熟，再加上高解析力的衛
星影像影像取得容易，使得地景生態指標的應用有顯著的增加。
地景指標在研究上主要被作為描述地景生態系統型態及趨勢的工具，多在分析地景
結構變化對生態系統的影響(McGarigal and Mark, 1995)，然而其空間面向思考景觀變化
過程的特性亦被廣泛應用於崩塌地研究。林文賜等人(2007)以地景指標分析 1999 年至
2006 年間九份二山崩塌地變遷狀況，指出在 2006 年後平均嵌塊體指標最小，顯示大範
圍的崩塌空間已逐漸復育而破碎化。形狀指標而言，顯示整體在受地震擾動後，比對各
指標值，指標呈現下降趨勢；聚集度指標中發現經地震後嵌塊體聚集度逐漸增加，而多
樣性指標顯示逐年有增加之趨勢，顯示景觀多樣性受植生復育影響。以下針對諸多指標
中與崩塌較相關之指標其描述的特性與概念詳加說明。重要廣泛使用的指標如下表：
(一)嵌塊體層級：
在空間單元裡，嵌塊體是由某特定土地覆蓋類型網格所構成，並以相鄰與否定義個
別嵌塊體，嵌塊體層級指數是將個別嵌塊體的特徵加以量化，通常嵌塊體層級指數並不
會直接被詮釋應用，而是作為類別層級或景觀層級指數之基礎。
(二)類別層級：
類別係指同種土地覆蓋類型嵌塊體的總合，其指數是根據整個類別特性加以量化而
得。
(三)景觀層級：
景觀是指標的範圍內所有類別嵌塊體的總和，景觀層級將是整個嵌塊體的特徵加以
量化。
地景破碎化之成因有三大要件，原探討棲地的喪失；棲地嵌塊體大小的縮減與棲地
嵌塊體隔離度（Isolation）的增加。其中棲地喪失的影響遠比其他棲地破碎產生的影響
來的大；隔離是由於非棲地基質中所殘留的棲地間相距較遠且分散，其結果將導致基因
層級生物多樣性喪失的潛能，因為它降低族群間基因的交換，容易導致物種的滅絕。基
本上，嵌塊體遭受隔離、嵌塊體面積減少，會增加遭受外界環境干擾的機率，如外來物
種之入侵或物理狀態的改變，而這些效應都將導致生物多樣性的衰退，造成生態系穩定
性與回復力的降低。
茲將重要而廣泛使用的指標表列如下：
表 3-1 主要地景指標公式列表
指標名稱 縮寫 公式
類別面積 Class Area
CA CA＝
地景百分比 Percent of Landscape PLAND PLAND＝ ＝
嵌塊體數量 Number of Patches NP NP＝
嵌塊體密度 Patch Density PD PD＝
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最大嵌塊體指標 Largest Patch Index LPI LPI＝
地景形狀指標 Landscape Shape Index LSI LSI＝
總邊緣長度 Total Edge TE TE＝
邊緣密度 Edge Density ED ED＝
平均嵌塊體大小 Mean Patch Size AREA_MN （MPS） MPS＝
面積加權平均嵌塊體 面積 Area-Weighted Mean Patch Area
AREA_AM AREA_AM＝
嵌塊體面積標準差 Patch Size Standard Deviation
AREA_SD（PSSD）
PSSD＝
平均形狀指標 Mean Shape Index SHAPE_MN（MSI）
MSI＝
面積加權平均形狀指標 Area-Weighted Mean Shape Index
SHAPE_AM（AWMSI） AWMSI＝
平均嵌塊體碎形維度 Mean Patch Fractal Dimension
FRAC_MN （MPFD） MPDF＝
面積加權平均嵌塊體碎形維度指標
Area-Weighted Mean Patch Fractal Dimension
FRAC_AM（AWMPFD）
AWMPFD＝
面積加權平均旋轉半徑 Area-Weighted Mean Radius of Gyration
GYRATE_AM GYRATM_AM＝
平均鄰近距離 Mean Nearest- Neighbor Distance
ENN_MN（MNN） MNN＝
聚集指標 Aggregation Index AI AI＝
分割指標 Splitting Index SPLIT SPLIT＝
而人為活動如農業與都市發展、道路建設，皆為造成地景破碎化的主要原因。人為
活動會改變地景結構，使林地覆蓋的減少及地景破碎後剩餘多且小的孤立單元，並影響
生態過程，不但降低了嵌塊體間的連結性（Connectivity）及嵌塊體形狀複雜性
（Complexity of patch shape），並產生高比例的邊緣生育地（Edge habitat），亦即土地
覆蓋型內的生育地將產生內部變化。而道路開設創造了人類遊憩、居住發展活動的管
道，進而直接或間接導致物種棲地的喪失或改變，降低棲地維持原本生物多樣性的能
力。野生生物棲地與族群的破碎化，係人類支配地景之常見結果，許多在人為地景中殘
存的物種，常依賴各個破碎棲地的連結而存活。因此，在地景的規劃上，首要之務即是
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連繫已破碎化之生態棲地，許多文獻亦表示棲地的連接性，對於破碎地景植物和動物族
群的持續具有相當的重要性，亦即連結隔離的嵌塊體，將有助生物多樣性的維持。以往
地景指標多被用於生態景觀、生物棲地及其對生物多樣性的影響，本研究透過地景指標
計算崩塌的嵌塊體，以評估地文環境變化，探討集水區水文特性變化及致災影響。
四、 結果討論
依據前述理論將 2008~2013 年之 SPOT 衛星影像前處理及校正分析後可以得到歷年
崩塌區域圖(如圖 4-1~圖 4-6)。並將崩塌地之變遷如擴大、不變或復育等區分再計算地
景指標加以探討。歷年崩塌變遷如圖 4-5-7～圖 4-5-11，其中藍色屬不變區域。綠色屬
復育區而紅色則表示擴崩區。由結果可知莫拉克風災後因 2010 年、2011 年、2012 年連
續三年無較大之颱風降雨故復育區逐漸增加，至 2013 年之較大之降雨又令崩塌擴大。
顯示此區承受能力在累積降雨 900mm 時仍無明顯新增崩塌，1900mm 以上崩塌增加。
透過集水區測站降雨資料與各年崩塌地面積變化分析，發現大型颱風降雨是影響
大型崩塌的關鍵，也是影響崩塌地自然復育的重要因素，而小型崩塌地自然復育快，可
在環境的常年擾動中恢復，對集水區影響小，故未來在水庫集水區管理經營的考量上，
應加強對極端降雨事件後大型坡地崩塌的清查與整治，才得以盡可能減少土砂沖蝕量，
降低水庫淤積的風險。地景指標有助於瞭解各年際間崩塌類別的變遷情況，可得知多數
擴崩地在隔年後即可復育，莫拉克極端事件造成的崩塌破壞，則需 2 到 3 年才漸趨穩定。
形狀指標與聚集連接度指標顯示颱風強降雨會使各崩塌類型嵌塊體形狀趨於複雜且空
間分布較為緊密，擴崩區崩塌嵌塊體會使旋轉半徑增加趨向帶狀發展。
以 NDVI 值評估復育區崩塌植生恢復狀況結果顯示，在連續強降雨颱風侵擾年及無
強降雨颱風侵擾穩定年，NDVI 值變化最為劇烈，凸顯自然界不僅在穩定年植生恢復良
好，在高頻率的颱風侵擾下，自然復育速率仍快，多數崩塌仍可復育。由表 4-5-1~表 4-5-4
可以發現若以各年所有崩塌計算得之地景指標與各年颱風降雨進行相關分析以近圓形
形狀指標具顯著相關性。若以各年復育區計算地景指標且分析各指標與雨量相關性可發
現密度相關指標如嵌塊體密度、邊緣密度、叢集指數等三指標具顯著相關性。而各年擴
崩區計算地景指標且分析各指標與雨量相關性可發現與嵌塊體大小有關之指標如類別
面積、平均嵌塊體大小、綠覆地區塊連接度、聚集指標等四指標具顯著相關性。由各年
無變動區地景指標與雨量相關性可發現最大嵌塊體指標、邊緣密度形狀全距指標綠覆地
區塊連接度等指標具顯著相關性。
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圖 4-1 2008 年崩塌地
圖 4-2 2009 年崩塌地
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圖 4-3 2010 年崩塌地
圖 4-4 2011 年崩塌地
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圖 4-5 2012 年崩塌地
圖 4-6 2013 年崩塌地
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五、 結論
初步結果可知莫拉克風災後因 2010 年、2011 年、2012 年連續三年無較大之颱風降
雨故復育區逐漸增加，至 2013 年之較大之降雨又令崩塌擴大。
目前分析顯示曾文水庫集水區承受能力在累積降雨 900mm 時仍無明顯新增崩塌，累
積降雨達 1900mm 以上時則崩塌顯著增加。而若比較不同類型土砂災害之雨量啟動門檻，
可以發現崩塌之啟動門勘最低，地滑居中，土石流之啟動門檻雨量最高。由各年復育區
地景指標分析其與雨量相關性，可發現與密度相關指標具顯著相關性。由擴崩區地景指
標與雨量相關性可發現與嵌塊體大小有關之指標如面積等指標具顯著相關性。由各年無
變動區地景指標與雨量相關性可發現最大嵌塊體與邊緣形狀相關指標具顯著相關性。以
上成果及均一尺度之極端降雨範圍之劃定有利於後續第二、三年計畫訂定致災臨界降雨
基準值，以利防災預警、集水區治理。
六、 參考文獻
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