應用影像智慧化技術判釋海岸公路及防波堤越波研究(3/4)-防波堤越波影像判釋

簡介

為減少海岸公路及港區因越波 (浪襲) 所造成的災害，本研究計畫需透過網路攝影監視系統資料，配合影像判釋技術分析易越波區域受波浪襲擊情況，並發展影像判釋越波警示技術。本研究計畫區域為「台11線人定勝天路段」與「花蓮港區防波堤」兩區域，需透過已架設之攝影系統，蒐集影像資料及分析溯升與越波情況，並回傳交通部運輸研究所運輸技術研究中心交通部運輸研究所 (以下簡稱運研所運技中心) ，以作為越波警示之依據。
本研究為4年期計畫，本年度 (民國113年) 為第3年期，主要為發展花蓮港區防波堤越波影像判釋技術、港區機器學習越波模型及既有的越波觀測與模型維運和精進。越波影像判釋會以「光學」和「熱成像」來進行分析，以使能達到日、夜間判釋能力；機器學習模型則需透過大量追算模擬與機器學習方式建立回歸模型，以使其能夠銜接未來港區越波預報；維運與精進方面，除維持人定勝天路段觀測系統與模型運作更新外，亦會進行「光達感測溯升」技術可行性評估，以強化未來溯升/越波監測之能力。
本年已完成防波堤越波影像判釋方法與流程且透過往昔有越波之影像進行參數率定與調校，目前應可判釋該影像是否適合作為越波分析所用及判釋越波與否，此可作為機器學習模型校驗與未來防波堤越波警戒所用。機器學習越波模型建立方面，已完成花蓮港越波計算所需計算範圍劃定、數位地形與網格建立，並進行近岸波場與越波模擬。以2023海葵颱風事件為驗證對象，其有越波事件誤判率約14%；無越波事件誤判率約8％。再將各事件模擬結果作為樣本資料，並建立機器學習模型。光達感測溯升技術可行性評估部分，本計畫已進行溯升物理模型試驗，並以光達為量測儀器進行溯升量測，同時透過攝影設備同步拍攝以利比對量測結果。最後，在依據量測成果評估光達量測所需流程與限制。
此外，本年度亦持續進行人定勝天影像判釋、溯升感測器與預報系統之維運作業。於本年度6月時完成該路段控制點量測作業與感測器維護工作，並於此期間持續協助人定勝天路段溯升影像判釋警戒系統建立與預報警戒系統作業化建立等工作。

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目次

目　錄
交通部運輸研究所合作研究計畫出版品摘要表 I
目　錄 IIII
圖目錄 V
表目錄 IX
第一章 緒論 1-1
1.1 計畫緣起 1-1
1.2 計畫目的 1-1
1.3 計畫工作項目 1-1
1.4 工作流程規劃 1-2
1.5 工作執行進度規劃安排 1-5
1.6 前期 (111~112年) 計畫概述 1-6
1.7 本 (113) 年度預期效益及成果 1-9
1.8 環境背景現況說明 1-9
1.8.1 氣象 1-9
1.8.2 海象環境 1-9
1.8.3 地質環境 1-9
1.8.4 海岸災害 1-9
1.8.5 花蓮海岸公路浪襲預警系統概述 1-9
第二章 國內外應用影像判釋於港區防波堤越波相關研究蒐集 2-1
2.1 國內相關研究 2-1
2.2 國外相關研究 2-3
第三章 港區防波堤越波影像判釋方法建立 3-1
3.1 影像資料 3-4
3.2 影像分類 3-5
3.3 日間影像判釋流程 3-6
3.3.1 預處理 3-7
3.3.2 K-means分群法 3-8
3.3.3 提取背景分群 3-8
3.3.4 越波判斷 3-10
3.4 夜間影像判釋流程 3-11
3.4.1 灰階影像 3-11
3.4.2 大津二值化法 3-12
3.4.3 越波判斷 3-13
3.5 影像正確率 3-13
第四章 花蓮港區機器學習越波模型建立 4-1
4.1 數值模式與機器學習模型說明 4-4
4.1.1 數值模式說明 4-4
4.1.2 機器學習模型說明 4-14
4.2 模型建置成果說明 4-17
第五章 光達感測溯升技術可行性評估 5-1
5.1 光達試驗 5-3
5.2 可行性評估 5-12
第六章 海岸公路觀測系統及機器學習模型維運與精進 6-1
6.1 觀測系統維運與精進 6-1
6.2 機器學習模型維運與精進 6-18
第七章 結論與建議 7-1
7.1 結論 7-1
7.2 建議 7-2
7.3 成果效益及應用情形 7-3
參考文獻 參-1
附錄一 期中報告審查意見回覆及辦理情形 附1-1
附錄二 期末報告審查意見回覆及辦理情形 附2-1
附錄三 期末審查簡報 附3-1
附錄四 歷次工作會議記錄 附4-1

 
圖目錄
圖1.1　計畫工作流程與執行架構 1-3
圖1.2　海岸線判釋技術流程圖 1-7
圖1.3　影像分析水線有效性之判釋成果 1-7
圖1.4　影像分析水線有效性通過門檻之局部時間點結果(圖為時序列影像有效性判斷結果，1為通過門檻值；0為未通過門檻值) 1-8
圖1.5　地形高程資料套疊影像之成果 1-8
圖1.6　溯升影像水線之高程判釋成果 1-8
圖1.7　不同情境之影像水線判釋結果 1-9
圖1.8　花蓮氣象站月平均溫度與日照時數分布圖(2021/5~2024/9)
1-10
圖1.9　花蓮氣象站月平均降雨量與降雨日數分布圖(2021/5~2024/9)
1-10
圖1.10　花蓮港歷年四季及全觀測期海流流速機率分佈圖 1-14
圖1.11　花蓮港歷年四季及全觀測期海流流向機率分佈圖 1-14
圖1.12　花蓮海岸聚落於災害徵兆 (Ts) -災害潛勢 (Tp) 二維分
布情形 1-16
圖1.13　浪襲台11線海岸公路事件現場概況 1-18
圖1.14　花蓮海岸公路浪襲預警系統畫面及燈號 1-21
圖2.1　2016年梅姬颱風期間花蓮港大浪越堤實況 2-2
圖2.2　2018年山竹颱風期間花蓮港大浪越堤實況 2-2
圖2.3　2021年利奇馬颱風期間花蓮港大浪越堤實況 2-2
圖2.4　韓國Jumunjin港防波堤CCTV架設位置與影像範例 2-4
圖2.5　影像監測系統 2-4
圖2.6　在不同波浪條件下拍攝到的影像資料 2-5
圖2.7　8字湖 (Figure Eight Pools) 及其沿岸的水深地形分佈 2-5
圖2.8　越波評級方式 2-6
圖2.9　觀測資料與越波評級 2-6
圖3.1　本計畫影像判釋自動化建置之流程圖 3-2
圖3.2　影像判釋越波成果圖 (光學影像) 3-2
圖3.3　自動化影像判釋越波警戒線圖 3-2
圖3.4　花蓮港越波範例影像 3-3
圖3.5　花蓮港無越波範例影像 3-3
圖3.6　花蓮港夜間越波範例影像 3-3
圖3.7　花蓮港夜間無越波範例影像 3-4
圖3.8　花蓮港影像分類過程 3-5
圖3.9　花蓮港影像分析區域 3-6
圖3.10　日間越波影像判釋流程圖 3-6
圖3.11　花蓮港日間越波之分群結果 (感興趣區域) 3-9
圖3.12　花蓮港日間無越波之分群結果 (感興趣區域) 3-9
圖3.13　花蓮港日間越波之二值影像 (感興趣區域) 3-9
圖3.14　花蓮港日間無越波之二值影像 (感興趣區域) 3-9
圖3.15　花蓮港日間越波範例影像之判釋結果 3-10
圖3.16　花蓮港日間無越波範例影像之判釋結果 3-10
圖3.17　夜間越波影像判釋流程圖 3-11
圖3.18　花蓮港夜間越波之灰階影像 (感興趣區域) 3-11
圖3.19　花蓮港夜間無越波之灰階影像 (感興趣區域) 3-11
圖3.20　花蓮港夜間越波之二值影像 (感興趣區域) 3-12
圖3.21　花蓮港夜間無越波之二值影像 (感興趣區域) 3-12
圖3.22　花蓮港夜間越波之更改後二值影像 (感興趣區域) 3-12
圖3.23　花蓮港夜間無越波之更改後二值影像 (感興趣區域) 3-12
圖3.24　花蓮港夜間越波範例影像之判釋結果 3-13
圖3.25　花蓮港夜間無越波範例影像之判釋結果 3-13
圖3.26　判釋錯誤之日間影像 (一) 3-15
圖3.27　判釋錯誤之夜間影像 (一) 3-15
圖3.28　判釋錯誤之日間影像 (二) 3-15
圖3.29　判釋錯誤之夜間影像 (二) 3-15
圖4.1　花蓮港外廓防波堤示意圖 (影像擷取自Google 地球) 4-2
圖4.2　花蓮港東防波堤及開放垂釣區域圖 4-2
圖4.3　SCHISM模式架構圖 4-5
圖4.4　SCHISM-WWM-III 耦合示意圖 (Chen et al., 2019) 4-9
圖4.5　臺灣周圍水深地形與網格分布 4-9
圖4.6　花蓮港地形量測點位資料 (民國113年5月) 4-11
圖4.7　花蓮港模擬範圍與水深地形分布 (Case A) 4-12
圖4.8　花蓮港模擬範圍與水深地形分布 (Case B) 4-13
圖4.9　示性波高和最大2%溯升高高斯過程的機器學習流程
示意圖 4-16
圖4.10　混合風場圖 (以2016年梅姬颱風事件為例) 4-18
圖4.11　颱風事件追算模擬與量測資料時序列比較(以2016年
莫蘭蒂、馬勒卡、梅姬颱風事件為例) 4-19
圖4.12　花蓮港周圍潮位測站與波浪測站位置圖 4-19
圖4.13　花蓮港近岸波場模擬結果(1/4) 4-20
圖4.13(續)花蓮港近岸波場模擬結果(2/4) 4-20
圖4.13(續)花蓮港近岸波場模擬結果(3/4) 4-21
圖4.13(續)花蓮港近岸波場模擬結果(4/4) 4-21
圖4.14　2023年海葵颱風事件越波記錄資料 4-22
圖4.15　花蓮港防波堤越波機器學習模型的訓練集樣本分布 4-22
圖4.16　花蓮港防波堤越波機器學習模型之(a)訓練集、(b)驗證
集和(c)測試集………………………………………………4-23
圖4.17　花蓮港防波堤越波機器學習模型於不同越波誤差值的累
積分佈 4-23
圖5.1　光達量測範圍示意圖 5-1
圖5.2　現地光達之部署(a)英國Saltburn海灘碼頭(b)光達部署位
置位於碼頭前三分之一的區域，架設距離碼頭2.5米遠(c)
三台光達設置示意圖……………………………………….. 5-2
圖5.3　國立成功大學潰壩水槽 5-4
圖5.4　斜坡水槽配置 5-4
圖5.5　光達試驗攝影機 5-4
圖5.6　光達 5-4
圖5.7　實驗配置圖 5-5
圖5.8　空水槽量測結果 5-6
圖5.9　碎波量測結果 (清水且無障礙物) 5-8
圖5.10　溯升量測結果 (清水且無障礙物) 5-8
圖5.11　水面線量測結果 (清水且無障礙物) 5-8
圖5.12　碎波量測結果 (清水且有障礙物) 5-9
圖5.13　溯升量測結果 (清水且有障礙物) 5-9
圖5.14　水面線量測結果 (清水且有障礙物) 5-9
圖5.15　碎波量測結果 (濁水且無障礙物) 5-10
圖5.16　溯升量測結果 (濁水且無障礙物) 5-10
圖5.17　水面線量測結果 (濁水且無障礙物) 5-10
圖5.18　碎波量測結果 (濁水且有障礙物) 5-11
圖5.19　溯升量測結果 (濁水且有障礙物) 5-11
圖5.20　水面線量測結果 (濁水且有障礙物) 5-11
圖5.21　光達量測結果誤差分析(1/3) 5-13
圖5.21(續)光達量測結果誤差分析(2/3) 5-13
圖5.21(續)光達量測結果誤差分析(3/3) 5-14
圖6.1　台11線人定勝天路段海岸斷面現況 (攝於2023/5/26) 6-1
圖6.2　花蓮縣台11線人定勝天段溯升感測器安裝完工圖 6-2
圖6.3　花蓮縣台11線人定勝天段溯升觀測站訊號中繼站位置圖6-2
圖6.4　本年度感測器運作情況 6-3
圖6.5　人定勝天路段日間影像判釋結果圖 (光學影像) 6-5
圖6.6　人定勝天路段日間影像判釋結果圖 (熱成像) 6-5
圖6.7　前期計畫之影像判釋自動化建置之流程圖 6-6
圖6.8　本年度計畫影像判釋自動化建置之流程圖 6-6
圖6.9　本年度計畫溯升/越波預報自動化建置之流程圖 6-7
圖6.10　攝影機更換作業 6-10
圖6.11　現場量測及量測工具 6-10
圖6.12　針孔相機模型 6-11
圖6.13　共線方程計算水平誤差分析 (光學影像) 6-11
圖6.14　共線方程計算高程誤差分析 (光學影像) 6-11
圖6.15　共線方程計算水平誤差分析 (熱成像) 6-12
圖6.16　共線方程計算高程誤差分析 (熱成像) 6-12
圖6.17　地形高程資料套疊影像之成果 (光學影像) 6-13
圖6.18　地形高程資料套疊影像之成果 (熱成像) 6-13
圖6.19　人定勝天路段於凱米颱風期間的外海海象預報、溯升預
報、溯升計觀測和影像判釋 6-14
圖6.20　人定勝天路段於山陀兒颱風期間的外海海象預報、溯升
預報、溯升計觀測和影像判釋 6-15
圖6.21　人定勝天路段於凱米颱風期間的浪襲影像判釋資料(溯升
預報達8 m以上) 6-16
圖6.22　人定勝天路段於山陀兒颱風期間的浪襲影像判釋資料(溯
升預報達8 m以上) 6-16
圖6.23　人定勝天路段於凱米颱風期間的浪襲影像判釋資料(溯
升預報未達8 m) 6-17
圖6.24　人定勝天路段於山陀兒颱風期間的浪襲影像判釋資料(溯
升預報未達8 m) 6-17
圖6.25　溯升/越波機器學習模型建置流程圖 6-18
圖6.26　前期計畫及本年度計畫於溯升/越波機器學習模型自動化
建置之流程圖 6-19

表目錄
表1 1　本年度(113年)計畫分項工作進度規劃 1-5
表1 2　花蓮浮標每月波高統計表 (2004-2023) 1-11
表1 3　花蓮潮位站逐月潮位統計表 (2004-2023) 1-12
表1 4　石梯潮位站逐月潮位統計表 (2004-2023) 1-12
表1 5　花蓮港測站分季流速分佈統計表 (2003~2020) 1-13
表1 6　花蓮港測站利年分季流向分佈統計表 1-13
表1 7　相關浪襲台11線海岸公路事件新聞蒐集 1-19
表3 1　本計畫海岸公路與防波堤越波影像判釋方法比較 3-14
表4 1　以機器學習進行溯升/越波預測之相關研究 4-4
表6 1　自動化影像判釋維運作業項目 6-8