防災資料視覺化之應用(上)

(本篇刊載於教育部103年校園災害防救實務暨理論研討會論文集)

蔡孟涵 國立臺灣大學氣候天氣災害研究中心
康仕仲 國立臺灣大學土木工程學系
賴進松 國立臺灣大學國立臺灣大學水工試驗所
譚義績 國立臺灣大學生物環境系統工程學系

摘要

       國立臺灣大學氣候天氣災害研究中心（簡稱臺大天災中心）致力於開發防災視覺化系統，以提供災前之演練及整備、災中之預警及應變、災後復原及學習之各項需求。災害之資料來源複雜且多源，使得收集資料不易且正確性不易判斷，連續性且同時產生複合性災害之過程也讓防災資料不易管理及儲存，在呈現及加值應用，亦會因使用者之需求領域及背景而有不一樣的需求及判斷，故臺大天災中心的開發防災視覺化系統的主要目標，在讓使用者在不同的災害階段，都能有效率地進行防災資訊之查詢，清楚的獲得所需訊息，做為後續分析及決策之依據，亦能通過視覺化的呈現方式，讓不同領域之防災人員及民眾，能對防災資訊進行探索及比對，假進防災應變之效率及正確性。本文將以臺大天災中心開發之六套防災視覺化系統：「天然災害緊急應變演練腳本產生器」、「歷史颱風事件搜尋程式」、「防災資訊儀表板」、「防災決策支援系統」、「水利緊急應變經驗學習中心」及「水利防災互動電子書」，說明防災資訊於視覺化應用之目的及過程，期能通過視覺化及資料一致性的呈現，提升防災整體之效率及效益。

關鍵詞：防災資料、視覺化、災前演練、應變系統、經驗學習    

一、前言

       臺灣是世界上最易受天災影響的國家之一，因此防災單位在災前整備、災中應變、及災後復原的任務中，都需有效且快速的傳遞、呈現及組織不同來源的防災資訊，以進行適當的決策判斷及經驗傳遞。並且防災資訊以高效率與即時接收為訴求，以協助防災單位於平時進行防災能量之提升、汛期間進行災害應變、預警及前置作業等，可善用合適的視覺化資訊技術來幫助防救災工作效率的提升及傳承。雖然現有防災系統種類繁多，可滿足水災資訊、歷史資料統計、平日整備等功能，但各系統間未有明確的組織架構，其資訊無法有系統地整合呈現，讓防災系統雖多，卻無法發揮連結的功能。作者於2013提出了現有防災資訊的三大問題與挑戰，簡列述如下：

(1) 資料一致性：防災資訊種類繁多且資料來源多元，故防災決策單位需將這些蒐集而來的資料，用一致的格式呈現與回報，以利於彙整及分析，才能有效應用於決策過程。 
(2) 資料正確性：在混亂、缺乏組織且複雜的環境下，由於防災決策單位難以獲得即時且正確的資訊，可能做出不適當的決策而造成難以挽回的災情，所以必須確保資訊的正確性。 
(3) 重複使用性：防災資訊敏感度及變化性高，常因時間改變而有不同的判斷，但也因其多變性，在不同的時間尺度下可以支援不同的決策。因此，如何有效的重復使用防災資訊進行防災決策比對，也將是防災應變重要挑戰之一。

       因此，國立臺灣大學氣候天氣災害研究中心（以下簡稱臺大天災中心）於2008年開始依據防災決策單位之需求，進行防災資訊系統之開發，並於防災應變時協助應變人員使用防災資訊，提升防災應變之能量。臺大天災中心開發之防災資訊系統，以視覺化資訊系統將防災資料有效彙整及重組，可符合災前演練及整備、災中應變及災後復原之永續防災目標，以下將介紹六套防災視覺化系統，分別為：天然災害緊急應變演練腳本產生器（災前演練）、歷史颱風事件搜尋程式（災前整備）、防災資訊儀表板（災中預警）、防災決策支援系統（災中應變）、水利緊急應變經驗學習中心（災後復原）、水利防災互動電子書（災後學習），藉此說明臺大天災中心如何應用防災資料視覺化，來解決資料一致性、正確性、重複使用的挑戰，並達到提供防災相關單位歷史災情分析、學習及即時應變之目標。

二、災前演練及整備

       在災害來臨前，各防災單位都需進行災前的演練及整備。在災前演練中，臺大天災中心開發一「天然災害緊急應變演練腳本產生器」，希望能提供防災專業人員更多演練腳本挑選及發展的方式；在災前整備中，臺大天災中心亦開發一「歷史颱風事件搜尋程式」，提供防災人員能於此程式中，搜尋已發生過相關路徑之颱風事件及應變作為，以利輔助進行防災決策。以下將進行「天然災害緊急應變演練腳本產生器」及「歷史颱風事件搜尋程式」開發目的、系統說明、視覺化應用之說明。

1. 天然災害緊急應變演練腳本產生器

       在現行防災實務上，防災演練腳本主要是由專家或經驗豐富的防災專員編寫，他們需花費大量的人時才能將實務經驗轉譯和編寫成腳本。然而，面對於複合性和大規模的天然災害，這些花費大量人力和時間所產生的腳本，並不能自動的產生新的模擬事件。故臺大天災中心於2010年開發一「天然災害緊急應變演練腳本產生器」，提供防災專業人員挑選適合腳本，且依照需求發展腳本，進行不同單位的模擬訓練。詳細內容可參閱以下文章：蔡孟涵、莊智仁、康仕仲、賴進松、譚義績，「天然災害緊急應變演練腳本產生器」，災害防救科技與管理學刊。（接受日期2014年3月28日）。

(1) 開發目的 

       「天然災害緊急應變演練腳本產生器」開發目的是用於指導防災人員如何在模擬的天災環境中做出正確的判斷。「天然災害緊急應變演練腳本產生器」所產生之演練腳本，可供防災專業人員於產生之災害類型中，挑選合適的腳本進行模擬訓練；「天然災害緊急應變演練腳本產生器」自動化地生成不同的模擬腳本，亦可減少了防災演練腳本人工編寫之成本，並提升編寫發展腳本的擴充能力，讓防災人員可藉由過去的經驗，延伸及產生更符合複合性及大規模災害的情境腳本，以提供模擬訓練使用。

(2) 系統說明 
 
       「天然災害緊急應變演練腳本產生器」可根據歷史事件資料，自動生成不同類型之模擬情境，提供專家進行腳本的挑選及使用。腳本自動產生方法有三個步驟：(i)根據歷史資料或電腦模擬結果，產生天然災害範圍。(ii)定義災害事件（危險狀況），災害事件描述真實情境包含傷亡人員、危險建物等災害事件相關細節。本研究亦開發了參數供使用者定義事件樣貌。(iii)開發腳本產生器，將災害範圍及災害事件組合，發展可能的災害事件之類型。

圖1、天然災害緊急應變演練腳本產生器之步驟

(3) 視覺化應用 

        「天然災害緊急應變演練腳本產生器」以網站形式（圖2）為介面，使用者可經過三步驟可快速產生百件事件腳本，再由產生之大量範本中挑選適合的腳本進行演練使用。腳本產生的步驟為：步驟一：指定災害情境選項（區塊1）；步驟二：指定災害事件及受訓對象（任務）相關選項（區塊2和3）；步驟三：指定事件輸出選項（區塊4），便可快速產生百件災害事件腳本（區塊5）。

       區塊1災害情境選項，可依照災害類型、災害等及及時間長度，進行不同災害之設定及挑選。區塊2為災害事件選項，包含：災情案件及行政區，可提供給使用者決定產生的事件類型和發生地點；本腳本產生器依據臺北市防災作業手冊的內容，提供二十二項的常見的天然災害引起的事件；並因為受訓單位的權責區域，以行政區劃分事件發生地點；亦提供了臺北市的十二行政區作為選項，使為受訓單位可獨立訓練。

       區塊3的訓練選項提供給使用者決定受訓對象。由於相同事件下各單位職責不同，此區塊選項幫助受訓單位只產生他們需求的腳本內容。這些選項根據臺北市救災體系克分成兩部分：市應變中心單位及區應變中心單位。區塊2和區塊3的設定步驟決定了從資料庫取出那些事件模板作為腳本樣板。

       最後的步驟經由區塊4的輸出選項指定事件輸出的數量、格式以及是否引用歷史災害案例。事件的數量有1、10及100件三個選項，亦提供納莉風災的設定選項；輸出格式提供了純文字格式輸出，提供使用者複製或其他使用上的便利；產生出的事件方塊顯示在區塊5，圖2為產生五十個事件的示意圖。本步驟根據使用者指定選項，系統經由亂數及地區災害潛勢機率分布產生對應的事件。因此即使使用相同選項，每次系統產生的結果不盡相同。

圖2、天然災害緊急應變演練腳本產生器介面 script.caece.net

2. 歷史颱風事件搜尋程式（颱風搜）

       臺灣位於颱風必經之地，其路徑走向、速度及降雨型式有一定之關聯性，防災單位常會找出類似的歷史颱風事件用於防災參考，並依據過去曾發生之災況提早應對戒備，但天氣系統難以預測，颱風路徑難以完全掌握，因此應變期間需要視當前狀況進行多次的比對。目前搜尋過去類似颱風的比對作業需仰賴資深防災人員參與，防災人員會依照中央氣象局九大颱風路徑分類及其個人經驗，同時考量颱風路徑、速度、降雨型式及歷史災情等因素，配合其單位特性找出可供其參考的過去經驗，搜尋過程耗費資深人員大量時間及團隊人力。故臺大天災中心在2010年即開發一「歷史颱風事件搜尋程式」（以下簡稱颱風搜），建置颱風路徑及事件比對程式，協助防災人員即時找到歷史相似的颱風，進而提早進行分析研判。詳細內容可參閱以下文章：康仕仲、吳宗翰、陳奕竹、許睿叡、莊世坤、蔡孟涵、賴進松 (2013)，「人性化操作考量之歷史颱風事件搜尋程式」，社團法人臺灣災害管理學會電子報，第12期，2013年5月15日發行：http://www.dmst.org.tw/e-paper/12/12/001.html。

(1) 開發目的 
 
       「歷史颱風事件搜尋程式」（颱風搜）透過使用者為中心的設計模式，建置以路徑比對為基礎的歷史颱風事件比對程式，並配合中央氣象局歷史颱風資料及水利署經驗學習中心等資料，可幫助防災人員快速找到可供參考之歷史颱風路徑，減少等待預報資料發佈及過濾事件災況的時間，以輔助進行防災決策。對於資淺的防災人員，在使用「颱風搜」時，亦只要經過簡單的訓練，就可以找出大部分需要了解的歷史颱風資訊，而原本經驗豐富的資深防災人員可以把時間用於進階的分析研判上，提高整體防災效率。    

(2) 系統說明

        「歷史颱風事件搜尋程式」（颱風搜）在建置時，有三大主要步驟：(i)建立過去歷史颱風資料庫：除了從中央氣象局歷史颱風資料庫取得資料以外，還增加中央氣象局連結資料、日本氣象廳之連結資料、全臺雨量分佈圖、分析研判輔助系統雨量綜合資訊及颱風綜合說明等輔助資料。(ii)建立颱風路徑資料庫：自日本氣象廳網站下載颱風路徑KML檔，以程式擷取其中的座標資訊，記錄到資料表中。目前的版本將模組判斷的範圍設定在經度114~128度、緯度18~30度之間，移除超過範圍之颱風路徑點位以提高即時運算速度。(iii)建立使用者介面：以Microsoft .Net Framework作為開發基礎，採用C#程式語言及Windows Form作為開發介面，包含：路徑座標資訊、可點選之底圖、及歷史颱風路徑之查詢結果。

圖3、颱風搜介面

(3) 視覺化應用 

       「颱風搜」目前的版本包含自1958至2013年近400個颱風歷史資料，藉由輸入颱風路徑點位可快速由資料庫中找出類似的颱風資料，颱風搜的介面及使用方式都以使用者為中心進行設計，在使用及呈現上都更顯直覺。當使用者啟動颱風搜，首先會看到如圖4(a)的初始畫面，使用者可根據想要搜尋的颱風路徑，直接用手指在螢幕上觸碰輸入颱風點位座標，颱風搜會即時比對輸入路徑與歷史颱風路徑，顯示類似的歷史颱風名稱及路徑，如圖4 (b)所示，接著再用手指觸碰來輸入接下來颱風之可能點位座標，颱風搜會將此次輸入之點位及之前的輸入之點位一起與歷史颱風路徑比對，將新的搜尋結果再次呈現在畫面中，如圖4(c)所示，圖4(a)到(d)為使用者連續用手指觸碰以輸入颱風可能點位之結果示意圖。

       此外，由於背後的地圖有時會影響使用者判讀颱風路徑，為了讓使用者可清楚地察看颱風路徑，颱風搜實作了三種地圖顯示模式，包含了衛星地圖（無城市名稱）、衛星地圖（含城市名稱）、一般地圖（含城市名稱），當使用者想要切換地圖模式時，只要用手指觸碰圖5(a)中右上角圓圈的「切換地圖模式」按鈕，便可輕鬆地在三種地圖顯示模式間切換，使用者切換地圖的過程如圖5(a)到(c)所示，依序為衛星地圖（無城市名稱）、衛星地圖（含城市名稱）、一般地圖（含城市名稱）。當使用者想要知道某一颱風的路徑及簡要資訊時，可用手指觸碰圖5(d)中右下角颱風名稱的按鈕，例如「96年聖帕」，颱風搜會依據使用者所選到的颱風，將颱風路徑以紅色粗線表示，並將該颱風的簡要資訊展示在地圖上，如圖5(d)所示。

圖4、颱風搜的搜尋流程

圖5、颱風搜的三種地圖切換模式

       當使用者快速地搜尋到類似路徑的颱風後，可透過颱風資訊（圖6(a)所示）內的三個圖示來進一步了解颱風資訊，此三個圖示會連結到更詳細的資訊，「雲朵」圖示將會連結到中央氣象局對於此次颱風所作之報告（圖6(b)所示），「筆記板」圖示將會連結到經濟部水利署水利緊急應變經驗學習中心（ 圖6(c)所示），「量筒」圖示將會連結到此次颱風，全臺各地的總雨量分佈圖（ 圖6(d)所示）。颱風搜可幫助使用者快速找到類似路徑的歷史颱風，並透過資料的連結能幫助使用者更加了解該次颱風的相關資訊。

圖6、颱風相關資訊展示

3. 小結

       臺大天災中心開發之「天然災害緊急應變演練腳本產生器」及「颱風搜」二套災前演練及整備視覺化系統，可在災前提供防災人員進行整備作業。「天然災害緊急應變演練腳本產生器」可自動化、快速且大量的產生演練腳本，以提供演練腳本之挑選，節省演練時腳本製作之時程，亦可支援各防災單位於各類型災害、事故及相應的緊急應變任務的模擬演練。而「颱風搜」可有效縮短類似颱風比對所花費的時間，提供較全面性的研判輔助資訊，以幫助防災人員快速找到需要先了解的颱風資訊，並將重點放在進階的分析研判上，以提高整體防災效率。