yutt@mail.ncku.edu.tw

Geohazard Assessment withHigh Resolution LiDAR DEMand Photogrammetry DTM:Comparison and ValidationTeng-To To Yu , Chao-ShuChenSatellite Geoinformatics Research Center,National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan;Tel:+88662383399 ext. 310,E-Mail: Mail:yutt@mail.@mail.ncku.edu.twJune 2006, Wuhan ,China

DTM Related Geo-HazardsEarthquake: Size, Location, distributionof Blind Faults.Land Slide: Slope, Aspect, Run-offDistanceFlood: Catchment, river networksTsunami: Elevation of coast lineDebris Flow: Slope, Run-off DistanceVolcano: Terrain Data

Basic Information from DTMAltitude Elevation Potential energyUpslope height Averaged Height of UpslopeUpslope slope runoff velocityDispersal slope rate of soil drainageCatchment slope time of concentrationUpslope area runoff volume, steady-state state runoff rateDispersal rate soil drainage rateCatchment area runoff volumeSpecific catchment runoff volume, steady-state state runoffrate, geomorphologyFlow path length erosion rate, sediment yield, time ofconcentrationUpslope length flow acceleration, erosion rate,Dispersal length: impedance of soil drainage.Catchment length: : overland flow attenuationProfile curvation: : flow acceleration, erosion/deposition ratePlan curvation: : converging/diverging flow.

Accuracy Comparison of DTM

Discrete points Grids

Data Type used in ComparisonBy Photogrammetry: 40m、5m Interval。By LiDAR 5m,1m Interval DTM。With Bilinear interpolation to gather the anticipated height atthe target region.AuBvPP=(1 −u)(1−v ) A+u(1−v)B+v(1−uC) + uvD0≤u≤10≤v≤1CD

Comparison the Error of HeightUnit:mLiDARRaw Data40mDTMAerail5m DTMLiDAR5m DTMLiDAR1m DTMAverage Dz 0.025 0.990 -0.8350.040 0.105Averagemagnitude 0.154 3.187 1.955 0.233 0.205RMS 0.196 3.812 2.126 0.324 0.271MAX 0.393 7.623 3.212 0.621 0.615MIN -0.382-5.135-4.616-0.921-0.421Median 0.047 0.508 -0.9840.016 0.096

Unit:mLiDAR DSM-DTMAerial DTM-LiDAR DTMBlue regionNot all the canopy be removedfrom aerial DTM

2574000Photogrammetry VS2572000LiDAR DEM2570000256800025660002564000480460440420400380360340320184000 300 186000 188000 190000 192000 19400028026024022020018016014012010080604020

Profile of Photogrammetry VS LiDAR

3D View of Regional Bias

Example:Trench IdentificationLiDAR DTM VS Aerial DTMTrenchRoadAerial PhotoAerial 5m DTM

Aerial 5m DTMLiDAR 1m DTMTrenchRoad

LiDAR 5m ContourAerial 5m Contour

Aerial40maerial5mLiDAR5mLiDAR1m

Land Slide ILand Slide IILiDAR 1mHill shaded

Slope

Resolution of DTM do make the difference!

Summary of published result for Landslide cause/number山 崩 因 子 \ 個 數0 10 20 30 40 50坡 度岩 性坡 向坡 高土 地 利 用與 水 系 相 關植 生 相 關與 地 質 構 造 相 關土 壤 相 關坡 形曲 率 相 關降 雨 相 關地 層 位 態不 連 續 面 相 關與 道 路 距 離線 性 特 徵集 水 區 相 關地 形凝 聚 力 與 內 摩 擦 角粗 糙 度地 下 水 相 關風 化 程 度地 震 相 關山 崩 活 動 性水 力 侵 蝕 相 關日 照 相 關坡 長AspectHeight of slopeSlope

Tested Region

Aerial Photos集 集 084_921 地 震 後1999 年 12 月集 集 084_ 桃 芝 颱 風 後2001 年 10 月

Category ofResults fromAerial Photosinterpretation.

Determine the Weighting forLandslide Factors by unstable indexGeology-lithologylithology、distance tothe structure。Geography-slopeslope、aspect、heightof slope。Environmental-PGAPGA、Rain、Dist. Togully、soil type、land usage。Grid size is 5mX5m gathered fromDTM of photogrammetry。

Geology-Rock Type岩 性 對 山 崩 面 積山 崩 面 積( 平 方 公 里 )201510501 2 3 4 5 6 7岩 性岩 性 對 山 崩 崩 壞 比山 崩 崩 壞 比0.080.060.040.0201 2 3 4 5 6 7岩 性中 央 地 質 調 查 所 五 十 萬 分 之 ㄧ 數 值 地 質 圖

Geology-Dist. To Structure與 構 造 距 離 對 山 崩 面 積山 崩 面 積( 平 方 公 里 )25201510500~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~6 6~7構 造 距 離 ( 公 里 )與 構 造 距 離 對 山 崩 崩 壞 比山 崩 崩 壞 比0.050.040.030.020.0100~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~6 6~7構 造 距 離 ( 公 里 )中 央 地 質 調 查 所 二 萬 五 千 分 之 ㄧ 數 值 地 質 圖

Topography-slope坡 度 對 山 崩 面 積15山 崩 面 積( 平 方 公 里 )10500~10 11~2021~3031~40 41~5051~6061~70 71~8081~90坡 度坡 度 對 山 崩 崩 壞 比山 崩 崩 壞 比0.50.40.30.20.100~10 11~20 21~30 31~40 41~50 51~60 61~70 71~80 81~90坡 度成 功 大 學 衛 星 資 訊 研 究 中 心 5mX5m DTM

Topography-Aspect坡 向 對 山 崩 面 積6山 崩 面 積( 平 方 公 里 )4200~45 45~90 90~135135~180180~225225~270270~315315~360坡 向坡 向 對 山 崩 崩 壞 比0.06山 崩 崩 壞 比0.040.0200~45 45~90 90~135 135~180 180~225 225~270 270~315 315~360坡 向成 功 大 學 衛 星 資 訊 研 究 中 心 5mX5m DTM

Topography-Elevation坡 高 對 山 崩 面 積山 崩 面 積( 平 方 公 里 )10864200~250 251~500 501~750 751~1000 1001~1250 1251~1500 1501~1750 1751~2000 2001~2250坡 高 ( 公 尺 )坡 高 對 山 崩 崩 壞 比山 崩 崩 壞 比0.10.080.060.040.0200~250 251~500 501~750 751~1000 1001~1250 1251~1500 1501~1750 1751~2000 2001~2250坡 高 ( 公 尺 )成 功 大 學 衛 星 資 訊 研 究 中 心 5mX5m DTM

Environment-PGAPGA 對 山 崩 面 積山 崩 面 積( 平 方 公 里 )121086420401~500 501~600 601~700 701~800 801~900 901~10001001~1100PGAPGA 對 山 崩 崩 壞 比山 崩 崩 壞 比0.050.040.030.020.010401~500 501~600 601~700 701~800 801~900 901~1000 1001~1100PGA中 央 氣 象 局

Environment-Dist. To Gully與 溪 溝 距 離 對 山 崩 面 積40山 崩 面 積( 平 方 公 里 )30201000~0.5 0.5~1 1~1.5 1.5~2 2~2.5 2.5~3 3~3.5 3.5~4 4~4.5 4.5~5溪 溝 距 離 ( 公 里 )與 溪 溝 距 離 對 山 崩 崩 壞 比山 崩 崩 壞 比0.050.040.030.020.0100~0.5 0.5~1 1~1.5 1.5~2 2~2.5 2.5~3 3~3.5 3.5~4 4~4.5 4.5~5溪 溝 距 離 ( 公 里 )成 功 大 學 衛 星 資 訊 研 究 中 心 航 空 照 片 轉 繪

Unstable Index MethodRatio Index=(No. Land Slide Grid/Total Grid)×100100%Normalized the index Weight from 1 to 10。D=(9(Xi-Xmin)/(XmaxXmin)/(Xmax-Xmin))+1Xmin))+1D Weighting,XiXi: : associated ratio for such item,Xmax: : max ratio at this item,XminXmin: : min ratio。D total =D W1 1 ×D W2 2 ×D W3 3 …×D Wnn

Example in Determine the Weighting岩 性板 岩變 質 砂 岩早 中 新 世砂 頁 岩晚 中 新 世砂 頁 岩上 新 世砂 頁 岩更 新 世砂 礫 岩河 階 與 河床 堆 積 層合 併 後山 崩 圖 層山 崩 面 積2( km )岩 性 面 積( km 2)1.477 2.205 18.988 5.076 1.41 2.179 4.29854.247 54.741 254.711 98.686 128.135 156.770 317.014山 崩 崩 壞 比 0.027 0.040 0.075 0.051 0.011 0.014 0.014因 子 評 分 3.297 5.146 10 6.727 1 1.410 1.362山 崩 因 子岩 性與 構 造距 離坡 度坡 向坡 高PGA累 積雨 量與 溪 溝距 離土 壤種 類土 地利 用因 子 變 異係 數71.62277.14596.95526.90660.97339.54779.313204.15257.2177.068因 子 權 重0.0910.0980.1230.0340.0770.050.10.2580.0720.097

Reclassify Results

Ratio and Area

Validation Region

Ground True Data for theValidation Region

Calculated Factors

Results:Index between1.814~7.697 havelarge ratio oflandslide。Pick index = 4 ascriteria then 88%area of landslide isincluded。整 體 山 崩 崩壞 比整 體 山 崩 面積 (%)整 體 山 崩 崩 壞 比 與 不 安 定 指 數 值0.250.20.150.10.0501.814~2 2~3 3~4 4~5 5~6 6~7 7~7.697不 安 定 指 數 值整 體 山 崩 面 積 與 不 安 定 指 數 值4030201001.814~2 2~3 3~4 4~5 5~6 6~7 7~7.697不 安 定 指 數 值

Discussion1.Dist to gully2.Slope3.rain4.Dis. to structure…權 重 值0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3岩 性與 構 造 距 離坡 度坡 向坡 高PGA累 積 雨 量與 溪 溝 距 離土 壤 種 類土 地 利 用

Slope vs aspect vs landslide ratiowith diff. resolution DTM

Slope vs height vs landslideratio with diff. Resolution ofDTM

Conclusions:Human error at photogrammetry datahandling is linked to the density of canopyand light shadow. These two error sourcescontribute uncertainty toward the geo-hazard potential assessment, an averageerror of 65% more than the LiDAR data.Checked by the ground truth data.GIS assessment model with Unstable Indexmethod based upon these two dataset hasa margin of 17% in hazard prediction.

InterpretationsLidar have better chance to detect the minoror hidden structures than photogrammetry.Those structures bearing high index weightingin the process, therefore the influence fromresolution of DTM shall be enlarged.2 nd order data derived from DTM, (slope,aspect,aspect, Flow path length, Profile curvation,etc…) ) will alter the physical setting ofsimulating model. Accuracy of DEM affectas much as 30% in prediction for someparticular case.

Acknowledgement:Study and traveling grant of Teng-To To Yu issupported by National Science Council ofTaiwan.LiDAR data is provided by Chun-ShinSurvey Company at Taichung, Taiwan withOptech 30/70.Photogrammetry DEM, Aerial photos areproduced at Satellite GeoinformaticsResearch Center of National Cheng KungUniversity at Tainan, Taiwan by thecontract of DOI, Taiwan.

Thanks……yutt@mail.ncku.edu.twTEL:+886-6-2383399 Ext.310Fax:+886-6-2099733