109 年 國立成功大學測量及空間資訊學系碩士班《地理資訊系統概論》

本題主要在探討地理資訊系統（GIS）中，空間資料建置的關鍵面向，特別是針對「路網資料」這個常見的空間物件，從三個核心角度進行分析：幾何表示（Geometric Representation）、屬性設計（Attribute Design）與空間關係（Spatial Relationship）的建立與確保。

核心觀念：
GIS 資料建置的基礎在於準確地描述真實世界的空間現象及其關聯。對於線狀的空間物件（如路網），必須同時考量其幾何形態、所代表的屬性資訊，以及與其他空間物件之間的空間關係，才能進行有效的空間分析與應用。

解題說明：

1. 幾何表示 (Geometric Representation)：

   • 觀念： 路網在 GIS 中通常是以線狀（LineString）或多段線（MultiLineString）的幾何類型來表示。這種幾何表示法著重於描述道路的「位置」與「形狀」。
   • 討論：
     • 線條的定義： 路網的幾何表示是由一系列連續的點（Vertices）所連接而成，這些點的座標定義了道路的走向與彎曲程度。
     • 精確度與比例尺： 幾何表示的精確度與所採用的比例尺有關。例如，用於導航的精細路網需要高精度的幾何表示，而用於區域規劃的粗略路網則可能允許較低的幾何精度。
     • 拓撲結構的隱含： 雖然純粹的幾何表示只描述位置和形狀，但路網資料的幾何建置也隱含了拓撲關係，例如道路的連通性。

2. 屬性設計 (Attribute Design)：

   • 觀念： 除了幾何資訊，路網資料還必須包含描述道路特徵的屬性資料。這些屬性資料是進行交通分析、路徑規劃等應用時的關鍵。
   • 討論：
     • 基本屬性： 如道路名稱（Road Name）、道路等級（如高速公路、省道、市道、鄉道、產業道路等）、線型（如直線、曲線）、路面材質（瀝青、水泥、土路）等。
     • 交通相關屬性： 如限速（Speed Limit）、車道數（Number of Lanes）、允許通行車種（如大型車、機車、自行車）、單/雙向通行（One-way/Two-way）、路況（如施工中、封閉）。
     • 空間分析相關屬性： 如容量（Capacity）、旅行時間（Travel Time，可由速度和長度計算或直接記錄）、通行費用（Toll）。
     • 屬性資料庫設計： 屬性的選擇與設計應基於應用需求，並考量資料的一致性、完整性與有效性。例如，道路等級的定義應統一，限速的單位應明確。

本題探討 Raster 資料模型記錄空間現象的影響因素，並比較 Raster 和 Vector 模型在處理地址點分佈資料時的特色與差異。

核心觀念：
GIS 資料模型主要有 Raster 和 Vector 兩種。Raster 模型以網格儲存地理資訊，適合連續性現象；Vector 模型以點、線、面描述地理物件，適合離散性物件。兩者在記錄與詮釋空間現象時各有優缺點。

解題說明：

第一部分：影響 Raster 記錄空間現象內容的因素

Raster 模型將空間分割成規則的網格（像棋盤），每個網格單元（Pixel）儲存一個數值，代表該單元內的地理特徵。影響其記錄空間現象內容的因素主要有：

1. 空間解析度 (Spatial Resolution)：

   • 定義： 指的是一個 Raster 單元（Pixel）在真實世界中所代表的地面範圍大小。例如，若解析度為 30 公尺，則每個 Pixel 代表 30m x 30m 的區域。
   • 影響：
     • 高解析度 (小 Pixel)： 能更精細地描述空間細節，適合記錄小型物件或精確邊界，但資料量大。
     • 低解析度 (大 Pixel)： 概括性強，適合記錄大範圍或變化緩慢的現象，資料量小，但會模糊細節，可能遺漏小型物件。
   • 舉例： 遙測影像的解析度決定了影像中能辨識的最小物體大小。城市街道可能在 1 公尺解析度的影像中清晰可見，但在 100 公尺解析度的影像中可能就消失成一個模糊的區域。

2. 資料類型與數值範圍 (Data Type and Value Range)：

   • 定義： Raster 單元儲存的數值類型（整數、浮點數）與其數值範圍，決定了能表示的地理資訊種類。
   • 影響：
     • 離散資料： 如土地覆蓋類型（森林、水體、建築）、行政區劃。每個數值代表一個類別。
     • 連續資料： 如高程、溫度、降雨量、遙測影像的反射強度。數值代表連續變化的量。
   • 舉例： 儲存土地利用類別時，可能使用整數 1 代表森林，2 代表水體；儲存高程時，則需要浮點數來表示精確的高度值。

3. 編碼方式 (Encoding Scheme)：

   • **定義：**Raster 資料如何儲存和壓縮，以及如何表示無資料（NoData）的區域。
   • 影響：
     • 儲存效率： 不同的編碼方式（如 Run-Length Encoding, RLE）可以減少檔案大小，特別是對於大面積同質區域。
     • 資料完整性： 正確處理無資料區域，避免被誤判為有效數值。

4. 空間參考系統 (Spatial Reference System)：

   • 定義： Raster 資料所使用的座標系統和投影方式。
   • 影響：
     • 空間定位： 確保 Raster 資料能被正確地放置在地理空間中。
     • 測量準確性： 不同的投影方式會影響面積、距離和方向的測量。

第二部分：地址點分佈資料的 Raster 與 Vector 模式比較

假設我們有一個區域的地址點資料，要記錄每個地址點的數量。

1. Raster 模式記錄：

• 方法： 將研究區域劃分為規則的網格（Pixel）。每個 Pixel 內的地址點數量被統計並記錄為該 Pixel 的屬性值。
• 特色：
  • 空間概括性： 每個 Pixel 的數值代表該區域內地址點數量的「平均」或「總和」，喪失了地址點的精確位置資訊。
  • 易於網格分析： 方便進行空間疊加、篩選、分級等基於網格的空間分析。
  • 視覺化： 容易產生熱點圖（Heat Map）或密度圖，直觀展示地址點的空間分佈趨勢（例如，哪個區域地址點密集，哪個區域稀疏）。
  • 解析度影響： 如果 Pixel 很大，可能將原本分散的地址點統計在同一個 Pixel 內，掩蓋了分佈的細節。例如，一個大 Pixel 可能包含市中心高密度區域和周邊低密度區域，其統計值會是兩者的平均，無法區分。
• 解讀： 適合了解整體區域的地址點分佈密度趨勢，例如哪個鄉鎮、哪個網格區域的地址點數量較多。

本題主要探討在 GIS 中如何透過資料庫管理空間資料，特別是針對「地形圖資料」的加入與組織方式，強調基於「主題」和「空間範圍」進行檔案劃分以利管理。

核心觀念：
GIS 資料管理的核心是將現實世界的地理資訊，以結構化的方式儲存在資料庫中，以便於查詢、分析與應用。常見的組織原則是依據「主題」（例如，地形、水文、地質、交通）和「空間範圍」（例如，行政區、圖幅、比例尺）來劃分資料。

解題說明：

地形圖資料加入 GIS 的運作流程：

1. 資料來源與格式：

   • 地形圖資料可能來自不同的來源，例如：
     • 數位地形模型 (DTM/DEM)： 通常是 Raster 格式，由等高線內插或直接掃描地形圖產生，表示地表高程。
     • 等高線 (Contour Lines)： Vector 格式的線狀地理物件，每條線代表一個特定的高程值。
     • 水系、山脊線、坡向、坡度等地形衍生資料： 這些也可以是 Vector 或 Raster 格式。
     • 傳統紙本地圖掃描後進行向量化： 將紙本地圖的等高線、地貌符號等轉換為 GIS 可用的 Vector 格式。
   • GIS 軟體支援多種檔案格式（如 Shapefile, GeoTIFF, GDB, MapInfo TAB, AutoCAD DWG 等），需確保來源資料與 GIS 軟體或資料庫相容。

2. 基於「主題」的劃分 (Thematic Classification)：

   • 概念： 將不同類型的地理資訊歸類到不同的主題圖層或資料表中。
   • 地形圖資料的例子：
     • 高程資料： 可以是一個 Raster 檔（DEM/DTM），或是一組 Vector 等高線圖層。
     • 地形相關屬性： 如坡度、坡向、地貌（平原、丘陵、山地）等，這些也可以是 Raster 圖層或 Vector 圖層。
     • 水文資料： 河流、湖泊等（雖然嚴格說不全是地形，但常與地形圖一同考慮）。
   • 實務操作： 在 GIS 資料庫中，可能會為「地形」主題建立一個專門的資料夾或資料庫 Schema，並在其中存放各種與地形相關的圖層（如 DEM_DEM, Contour_5000, Slope_Raster, Aspect_Raster）。

3. 基於「空間範圍」的劃分 (Spatial Extent Classification)：

   • 概念： 為了方便管理和查詢，特別是對於大範圍的地理區域，會將資料依據其空間覆蓋範圍進行劃分。
   • 地形圖資料的例子：
     • 圖幅劃分 (Map Sheet)： 傳統紙本地圖是以固定大小的圖幅（如 1:50,000 比例尺的地形圖）來劃分。GIS 資料庫可以按照相同的圖幅編號來組織資料。例如，N5000_1234.shp (表示 1:50,000 比例尺，圖幅編號 1234 的 Shapefile)。

本題旨在探討如何利用 GIS 技術，協助進行道路開發前的影響評估，重點在於辨識受影響的土地與建物，並評估建物拆除程度，最終產出評估結果。

核心觀念：
GIS 在土地開發、環境影響評估等領域扮演重要角色。透過空間分析，可以快速、準確地找出與開發範圍重疊或鄰近的地理物件，並結合屬性資訊進行量化評估。

解題說明：

步驟一：所需圖資 (Data Requirements)

為了完成這項工作，需要以下圖資，並說明其記錄內容：

1. 擬議道路範圍圖 (Proposed Road Alignment/Corridor)：

   • 內容： 以 Vector 格式（通常是 Polygon 或 Polyline）表示規劃道路的預定路線或規劃廊帶。
   • 作用： 作為空間分析的「查詢範圍」，用來找出所有與之重疊或相鄰的土地與建物。

2. 土地分割圖 (Cadastral Map / Land Parcels)：

   • 內容： Vector 格式的 Polygon 圖層，每個 Polygon 代表一筆土地，包含地號、地籍面積、土地使用分區、地價資訊（若有）等屬性。
   • 作用： 辨識土地的歸屬、面積，並可能連結到地價資料，用於估算購地費用。

3. 建物圖層 (Building Footprints)：

   • 內容： Vector 格式的 Polygon 圖層，每個 Polygon 代表一棟建築物的平面輪廓。屬性應包含：建築物 ID、建築類型（住宅、商業、工業）、建築結構（鋼筋混凝土、磚造）、樓層數、建築面積、建築年代、若有則包含建物所有權人、使用現況（自住、出租、空置）等資訊。
   • 作用： 辨識受影響的建物，並為評估拆除程度提供基礎資訊。

4. 道路現況圖 (Existing Road Network)：

   • 內容： Vector 格式的 Line 或 Polygon 圖層，表示現有道路系統。
   • 作用： 判斷擬議道路與現有道路的銜接關係，以及評估建物是否臨接現有道路（這可能影響其使用價值或拆遷補償）。

5. 其他可能圖資：

   • 地價圖/地價區段圖 (Land Value Map/Zones)： Vector Polygon 圖層，包含不同地價區段的資訊，用於更精確地估算購地費用。
   • 管線圖 (Utility Lines)： 顯示地下或地上管線（水、電、瓦斯、通信）的位置，影響施工難度與潛在賠償。
   • 地形圖 (Topographic Map)： DEM 或等高線，用於評估道路坡度、土方工程量等。

步驟二：執行 GIS 操作 (GIS Operations)

1. 空間疊加分析 (Spatial Overlay Analysis) - 找出受影響的土地：

   • 操作： 使用「Intersect」或「Spatial Join」工具，將「擬議道路範圍圖」與「土地分割圖」進行疊加。
   • 目的： 找出所有與擬議道路廊帶有空間重疊的土地圖塊。
   • 產出： 一個新的圖層，其中包含所有受影響的土地，以及這些土地的原有屬性（地號、面積、地價等）。

2. 空間疊加分析 (Spatial Overlay Analysis) - 找出受影響的建物：

   • 操作： 使用「Intersect」或「Spatial Join」工具，將「擬議道路範圍圖」與「建物圖層」進行疊加。
   • 目的： 找出所有與擬議道路廊帶有空間重疊的建物。
   • 產出： 一個新的圖層，其中包含所有受影響的建物，以及其原有屬性（建築物 ID、類型、面積、樓層等）。

3. 緩衝區分析 (Buffer Analysis) - 評估影響範圍 (可選)：

   • 操作： 以「擬議道路範圍圖」為基礎，建立一個適當寬度的緩衝區（例如，考慮道路本身寬度加上兩側一定距離的施工影響範圍）。
   • 目的： 識別出「直接被道路佔用」的土地/建物，以及「因道路建設而間接受到影響」（如噪音、景觀遮蔽、進出不便）的土地/建物。

本題探討網際網路（Internet）對現代地理資訊系統（GIS）應用發展的影響，特別是在四個關鍵領域：適地性服務（LBS）、政府便民服務、政府開放資料，以及汽車導航。

核心觀念：
網際網路徹底改變了 GIS 的傳播、分享與應用模式。從傳統的桌面端軟體，轉變為分布式的網路服務，使得地理資訊的獲取與利用更加便捷、即時，並催生了許多創新的應用。

解題說明：

網際網路對 GIS 發展的影響：

網際網路的普及，使得地理資訊不再是僅限於特定專業人士才能使用的桌面軟體，而是可以透過網頁、行動裝置隨時隨地存取。這帶來了以下幾點關鍵影響：

• 普及性與可及性 (Ubiquity and Accessibility)： 任何人只要有網路連線，就能存取地理資訊和 GIS 功能。
• 即時性 (Real-time)： 能夠獲取即時更新的地理資訊（如交通狀況、天氣）。
• 互動性 (Interactivity)： 使用者可以與地圖互動，進行查詢、分析，甚至貢獻資料。
• 分散式架構 (Distributed Architecture)： GIS 功能被部署在伺服器端，透過網路提供服務（如 Web GIS, Cloud GIS）。

各課題的影響分析：

(1) 適地性服務 (Location-based Service, LBS)

• 定義： LBS 是一種利用行動裝置的地理位置資訊，提供與該位置相關的服務。
• 網際網路的影響：
  • 基礎設施： 網際網路是 LBS 的核心。行動裝置透過網際網路連接到定位伺服器（如 GPS 衛星訊號的輔助伺服器）、地圖服務伺服器、以及各種應用服務伺服器。
  • 即時定位與資訊傳輸： 行動裝置即時透過網際網路發送其位置資訊，並接收來自伺服器的相關服務資訊。
  • 應用廣泛：
    • 導航與路線規劃： 提供當前位置到目的地的最佳路徑。
    • 周邊搜尋： 尋找附近的餐廳、商店、ATM、加油站等。
    • 社交應用： 分享位置、查看好友位置（如 Facebook, LINE 的打卡功能）。
    • 緊急服務： 撥打緊急電話時，自動傳送位置資訊。
    • 精準廣告推播： 根據用戶當前位置，推送相關的促銷訊息。
  • GIS 角色： LBS 大量依賴 GIS 技術來處理位置數據、提供地圖顯示、進行空間查詢與路徑分析。網際網路使得這些 GIS 功能得以透過行動裝置隨時隨地被調用。

(2) 政府便民服務 (Government Citizen Services)

• 定義： 指政府利用網路平台，向民眾提供各項公共服務，提高行政效率與民眾便利性。

• 網際網路的影響：

  • 服務管道多元化： 政府不再僅限於臨櫃辦理，而是透過網站、App 提供線上服務。
  • 地理資訊的整合應用：
    • 地政服務： 線上查詢土地謄本、地籍圖、地價資訊（如內政部不動產資訊平台）。民眾可透過地圖介面查詢地籍資料。
    • 都市計畫查詢： 查詢特定區域的都市計畫圖、建管法規、土地使用分區。
    • 災害應變與資訊發布： 在地震、颱風等災害發生時，即時發布災情資訊、避難場所位置、疏散路線等，通常結合地圖呈現。
    • 交通資訊： 提供即時路況、公車動態、停車場資訊等。
    • 環境資訊： 提供空氣品質、水質監測站位置與數據。
  • GIS 角色： 許多政府便民服務都整合了 GIS 技術，將地理空間資訊視覺化，讓民眾更容易理解與使用。例如，民眾可以在地圖上「點選」來查詢特定地點的資訊，或「規劃」一條前往辦事處的最佳路線。

• 舉例：

  • 內政部不動產資訊平台： 提供線上查詢地籍圖、土地段籍、建物謄本、地價等資訊，並可透過地圖介面進行空間查詢。
  • 各縣市政府網站的「圖資查詢」專區： 提供都市計畫圖、土地使用分區圖、道路幾何圖等查詢服務。
  • 交通部公路總局的「即時路況」： 透過地圖呈現高速公路及主要省道的即時交通壅塞狀況。