地理信息系统简介

《GIS專題》 地理資訊系統簡介 (作者：劉威麟) 前言 1960年代美國、加拿大為調查與分析其國土利用、自然資源、地 質、人口普查等資料，遂有地理資訊系統(GIS,Geographic Information System)之萌芽。GIS發展至今已三十餘載，近年來與 遙感探測(Remote Sensing)、全球定位系統(GPS,Global Positioning System)......等技術相結合，相關應用急速增廣，成 為資訊界不可忽視的領域，這點可從Oracle、IBM等公司相繼推出可 結合GIS空間資料的資料庫解決方案中窺出一斑。 台灣地區GIS的發展，可分成幾個階段。最早的應用始於1970年中 期，政府單位使用衛星影像資料進行農產量預測與森林資源分析； 1985年之後，部分教育及學術單位相繼從國外引進GIS軟體加以推廣 應用，GIS方如雨後春筍般蓬勃發展。按1994年行政院資訊發展推動 小組所發表的白皮書中指出，政府資訊建設優先推動的六大計劃， 其中「國土資訊系統」與「地政資訊管理」兩計劃便與GIS技術有密 切的關係。 儘管GIS在許多領域均有出色的表現，但一般人印象中仍把GIS想 像成繪製與列印電子地圖的工具。事實上GIS還具有許多功能，若僅 需要製圖與出圖，或許AutoCAD、一般影像處理軟體就能滿足您的需 求。本文先擬就GIS的資料特性及基本功能做一概括性的介紹。 地理資料的特性 GIS中涵蓋兩類資料：空間資料(Spatial Data)及屬性資料 (Attribute Data)。空間資料記錄空間中的點、線、面等空間元素 ，如：城市、河川、道路、洪氾區域....。屬性資料記錄空間元素 的特徵，如：城市的名稱、面積、人口、老人率，河川的長度、洪 峰等資料，一般係以表格型態(Table)存在。 空間資料又可分成兩類：網格資料(Raster Data)及向量資料 (Vector Data)。網格資料係由點矩陣所組成，例如一般bmp檔案等 影像資料；向量資料則以記載空間中之點、線、面等元素之座標為 主，可對不同之空間元素進行搬移、修改、複製、刪除等編輯工作 。因向量空間資料較容易與相對之屬性資料結合，一般GIS軟體多以 處理向量資料為主。 GIS基本功能 1.空間資料與屬性資料之製造、儲取與展現 一般GIS軟體皆有其專用之空間資料格式。有關向量空間資料之製 造可使用數位板(Digitizer)將地圖上之空間資訊以手描方式直接輸 入，或以掃描器(Scanner)將地圖掃描成網格資料檔案後，再另行轉 換成向量格式(Raster to Vector)。若已知空間元素之座標，如： 經緯度、二維座標，也可以批次方式將空間座標轉入GIS系統中。新 增空間元素時，GIS軟體會自動計算並記錄空間元素之相關屬性，如 ：點的座標、線的長度、區域的面積等。GIS也提供屬性資料之輸出 入與管理功能，部分GIS軟體也可透過ODBC(Open DataBase Connectivity)與外部資料庫連結。 2.空間元素與其屬性資料間具有相互索引之能力 可由GIS地圖上之空間元素索引其屬性資料，或由屬性資料索引地 圖上之空間元素。例如：欲列出飛彈基地周圍十公里內之學校名單 ，可先於畫面上以飛彈基地為圓心，設定十公里之半徑範圍，GIS即 可挑選出座落於該範圍之學校(空間元素)，進而索引出這些學校之 屬性資料並產生報表。反之，可先查詢屬性資料或予以適當的分類 (Group)，再設定予不同的顏色由GIS自動把對應的空間元素表現於 圖面上。例如：先將屬性資料按各村里老齡人口比率之高低排序， 藉GIS把比率偏高的前一千個村里以特殊顏色表示於地圖上，可觀察 老化程度偏高村里之集中區位。 3.空間資料可按主題(Theme)分成不同之圖層(Layer)，使用時再 選取必要的圖層予以套疊 可將地圖上資訊按行政區、道路、水系、植披、土地利用、等高 線、考古遺址、不同朝代之歷史地名...等不同主題，將空間資料儲 存到不同之圖層，並聯結上不同之屬性資料庫。藉此可彈性運用資 料，按不同需求組合不同之圖層，增加資料的再使用率。但須留心 座標系與投影系統一致的問題。 4.空間資料可進行交集、差集、聯集、判別及製造環域區 (Buffering)等運算 GIS中可使用空間資料直接進行運算，這是GIS最具特色的功能， 可藉此完成許多複雜的分析。例如將耕種水稻區域之圖層與土地受 污染之圖層，進行差集即可產生一份表示可收成水稻之區域圖層， 若將兩圖層進行交集則所產生之資料可用以修正今年水稻產量之預 測。 交集、聯集、差集等空間運算之意義較容易想像，另舉一例說明 環域製造與判別兩運算之意義與應用：某鎮公所，希望新闢二條八 米寬之道路，為估計經費需要一份土地徵收補償費報表。今有道路 路線圖、道路所經不同區域之公告地價與相關資訊。而運用GIS處理 有二個步驟： 步驟一：先對此道路圖層進行環域運算(Buffering)，其結果將產 生依道路路線往外延展八公尺寬之環域圖層，見下圖。GIS具有對點 、線、面等空間元素進行環域處理的功能，例如大比例尺之地圖上 ，核三廠為一面元素，對該區域進行三公里之環域運算後，所得之 結果可表示核三廠周圍三公里之警界範圍。 步驟二：將道路圖層按地籍圖層進行判別運算，由圖了解該兩道 路將經過地籍圖上之三個區域。兩圖層運算後GIS產生新圖層之道路 已按所經區域之不同而劃分五塊小路段，新的屬性資料包括這五段 道路區域面積、土地單價、所屬區域及道路名稱。由這些資訊可概 估總補償金額。GIS中也具有將點圖層依面圖層進行判別之能力，此 功能可使點元素按區域別歸類。 5.建立空間元素之拓撲關係(Topology) 為加快空間元素之運算速度，由點、線、面構成向量圖後，須進 一步進行相位分析。GIS中記錄線元素是否相連、相連線段之順序、 線段左右兩側之面元素等資料，對於面元素則紀錄彼此相鄰等訊息 。這點是GIS空間資料與一般CAD檔案之重要差異。 6.空間資料投影及轉換功能 地球本身為一橢圓球體，對小範圍而言，可將地表視為一平面， 若地圖含蓋較大區域，如：中國大陸，則須考慮曲面資料投影的問 題。投影方式有多種，投影結果可能造成空間面積、距離不再維持 等比例或方位產生改變，沒有一種投影方式，可完全兼顧上述三種 考量。使用者可按地圖的用途與地圖呈現的區位選用不同的投影方 式，例如：航海圖以方位、距離之精準為主要考量，對高緯度與中 緯度區域也會考慮使用不同之投影方式。GIS軟體提供多種投影功能 ，可藉此將經緯座標轉成二度空間座標。使用不同投影方式所產生 之圖層直接套疊之結果往往發生相當的誤差，例如將不同投影之基 本圖層與城市圖層成套疊後，發生城市位於海上的情況。這時，也 可利用GIS投影轉換的功能將圖層先轉換成相同的投影方式再予套疊 。目前，台灣地區五千分之一的地圖，使用橫麥卡脫(Transverse Mercator Projection)二度分帶投影居多。 結語 本篇僅就地理資訊系統的資料特性及功能作一說明，若要深入研 究GIS，尚有許多可探討的領域，如GIS之應用領域、應用模式與整 體應用特性等，礙於篇幅緣故無法一次詳作說明，不足之處，尚待 他日另撰專文再為讀者介紹。