108 年 國立臺北大學不動產與城鄉環境學系碩士班甲組《測量與空間資訊》
第 一 題
一、請比較下列各名詞組合的差別:
(1) 精密度(precision)與精確度(accuracy)的差別。(6%)
(2) 角度測量中,方位角與方向角的差別。(6%)
(3) 衛星測量中,靜態定位與動態定位的差別。(6%)
(4) TWD67坐標系統與TWD97坐標系統的差別。(10%)
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本題主要在考驗測量學中基本名詞的定義與區別,以及不同測量項目中的專業術語。
(1) 精密度 (precision) 與精確度 (accuracy) 的差別:
精密度是指測量結果的一致性或重複性,也就是說,多次測量同一對象時,結果之間的離散程度。高精度的測量結果彼此之間非常接近,但它們不一定接近真實值。
精確度則是指測量結果與真實值之間的接近程度。高精確度的測量結果非常接近真實值。
簡單來說,精密度是「結果的集中程度」,精確度是「結果與真實值的接近程度」。
一個測量可以很高精度但低精確度(例如,每次都測到同一個錯誤的值),也可以低精度但高精確度(例如,測量結果分散,但平均值接近真實值)。理想的測量是同時具備高精度和高精確度。
(2) 角度測量中,方位角 (azimuth) 與方向角 (bearing) 的差別:
方位角 (azimuth) 通常是指從某一基準方向(通常是北方)順時針或逆時針量測到目標方向的角度。在測量學中,方位角通常是從正北方(或正南方)開始,順時針量測到目標方向的水平夾角,範圍是 到 。
方向角 (bearing) 則是指從北方或南方基準線,向東或向西量測到目標方向的角度。方向角通常表示為「基準方向(N或S)、角度、方向(E或W)」。例如,N E 表示從正北方順時針量測 到東方;S W 表示從正南方逆時針量測 到西方。方向角的表示範圍是 到 。
主要差別在於表示方式和角度範圍:方位角是單一角度,範圍 ;方向角包含基準方向、角度和方向,角度範圍 。
(3) 衛星測量中,靜態定位 (static positioning) 與動態定位 (kinematic positioning) 的差別:
靜態定位是指接收機在接收衛星訊號的整個過程中保持靜止不動,進行長時間的觀測。
第 二 題
二、在測量工作中,常利用經過設計的量測程序或挑選的外業時間,以有效消除觀測誤差的產生,請說明下列各
量測程序可以消除或降低的誤差有哪些?
(1) 在水準測量中,保持前、後視的視距相等。(10%)
(2) 在角度測量中,進行正、倒鏡的觀測。(12%)
(3) 在衛星測量中,不接收過低仰角的衛星訊號。(5%)
(4) 在衛星測量中,進行夜間觀測。(5%)
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本題考驗對各種測量方法中,為消除或降低誤差所採取的特定程序之原理的理解。
(1) 在水準測量中,保持前、後視的視距相等:
此程序主要用於消除或降低「儀器視準軸不平差」所造成的誤差。水準儀的視準軸若不完全水平,則在量測前後視高差時,會產生一系統性誤差。當前視與後視的視距相等時,此誤差對前後視讀數的影響量相等,但方向相反,故在計算高差時(後視讀數減前視讀數),此誤差會互相抵消,進而消除或大幅降低其影響。
(2) 在角度測量中,進行正、倒鏡的觀測:
此程序主要用於消除或降低「照準部與基座不垂直」以及「視準軸與橫軸不垂直」等儀器本身所帶有的誤差,以及「照準部轉動不平」等誤差。正鏡觀測時,儀器的誤差組合會影響讀數;倒鏡觀測時,儀器的誤差組合會以另一種組合影響讀數。將正、倒鏡的觀測結果取平均值,可以將這些系統性誤差予以抵消,達到提高角度測量精度的目的。
(3) 在衛星測量中,不接收過低仰角的衛星訊號:
此程序主要用於消除或降低「大氣折射誤差」和「多路徑效應」的影響。
第 三 題
三、若 , 若 及 , 則:
(1) (5 %)
(2) 的中誤差 (或稱標準差) (15%)
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本題考驗函數的計算以及誤差傳播的應用,特別是當輸入量帶有誤差時,如何計算輸出量的期望值及誤差。
首先,我們定義函數 ,其中 是由 和 計算出來的。此處的 應理解為一個變量,而 和 是兩個獨立的、帶有誤差的測量值。題目中 表述上可能有些誤導,通常若 是獨立變量,則函數形式應為 。我們假設題目意指 。
給定:
其中 後面的值通常代表中誤差或標準差。在此我們假設其為標準差 和 。
(1) 計算 的期望值:
期望值是將各變量的期望值(平均值)代入函數中計算。
所以, 的期望值為 。
(2) 計算 的中誤差 (標準差) :
我們使用誤差傳播定律來計算 。假設 和 是獨立的隨機變數。
對於一個函數 ,其標準差的平方(方差)可以表示為:
第 四 題
四、已知五邊形 ABCDE 各頂點的坐標如表格所列,並擬劃定 CF 分割線,則:
(1) 五個頂點 ABCDE 所圍的區域面積 = ? (8%)
(2) 若 EF = 6.20 m,則 F 的坐標 (縱、橫) = ? (12%)
| 點號 | 縱坐標(m) | 橫坐標(m) |
|---|---|---|
| A | 80.00 | 40.00 |
| B | 70.00 | 45.00 |
| C | 68.00 | 55.00 |
| D | 85.00 | 60.00 |
| E | 90.00 | 48.00 |
🖼️【此處有附圖,請對照原卷】(圖示為五邊形 ABCDE 的示意圖,點 E 在上方,點 A 在左側,點 C 在右側,點 B 在 C 的下方偏左,點 D 在 C 的上方偏右)
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核心觀念
本題考查:
- 利用坐標法(鞋帶公式)計算多邊形面積。
- 線段內分與坐標插值:由 點沿著 方向量取 ,求點 坐標。
依圖可知, 位於線段 上,且 為分割線。
解題方法
令橫坐標為 、縱坐標為 ,則各點為:
依多邊形邊界順序 使用鞋帶公式:
因此五邊形面積為:
接著求點 。線段 長度為:
第 一 題
一、試繪圖並說明向量式資料(Vector)與網格式資料(Raster)如何表示地理空間圖徵(Feature)? (20%)
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本題主要考查地理資訊系統 (GIS) 中兩種主要的空間資料模型:向量模型 (Vector) 和網格模型 (Raster),以及它們如何表示地理空間圖徵。
1. 向量式資料 (Vector Data)
向量資料模型使用點 (Point)、線 (Line) 和面 (Polygon) 這三種幾何圖形來表示地理空間圖徵。每個圖徵都由其幾何形狀和屬性資訊組成。
-
點 (Point): 用單一的坐標點 來表示一個地理圖徵。
- 表示方式: 單一點。
- 應用範例:
- 井蓋、路燈、標誌、房屋的中心點、學校、醫院、商店等離散的地理對象。
- GPS 測量點。
- 圖示說明: 一個單獨的點標記在坐標系上。
-
線 (Line / Polyline): 由一系列按順序連接的點(稱為頂點)所構成的線段或曲線。
- 表示方式: 一系列頂點 。
- 應用範例:
- 道路、河流、管線、海岸線、行政區劃邊界等線性地理對象。
- 圖示說明: 一條由多個點連接而成的路徑。
-
面 (Polygon): 由一系列閉合的點(頂點)所構成的區域。第一個點和最後一個點通常是相同的,以確保區域的封閉性。
- 表示方式: 一系列閉合的頂點 。
- 應用範例:
- 湖泊、公園、建築物、行政區劃(省、市、鄉鎮)、土地利用區、森林等具有面積的地理對象。
- 圖示說明: 一個由多個點圍成的封閉區域。
向量資料的優點:
- 能精確表示地理圖徵的邊界和形狀。
- 適合表示離散的地理對象。
- 檔案體積相對較小(取決於圖徵的複雜度)。
- 易於進行屬性查詢和空間分析。
2. 網格式資料 (Raster Data)
網格資料模型將地理空間區域劃分為一個規則的網格,網格中的每個單元格 (cell) 或像素 (pixel) 都代表一個特定的地理區域,並賦予該區域的屬性值。
- 表示方式: 一個由行和列組成的二維陣列,其中每個單元格都儲存一個數值,代表該單元格所覆蓋區域的屬性。
- 單元格大小 (Cell Size): 決定了網格資料的空間解析度。單元格越小,解析度越高,表示的地理細節越多,但檔案體積也越大。
- 應用範例:
- 連續性地理現象: 高程 (DEM)、氣溫、降雨量、坡度、坡向、地表覆蓋的連續變化。
- 影像資料: 衛星影像、航空照片。
- 土地利用/土地覆蓋圖: 將區域劃分為不同類型的土地覆蓋,每個單元格代表一種土地覆蓋類型(如森林、農田、建築區)。
- 土壤類型圖、地質圖 等。
- 圖示說明: 一張由許多小方格組成的圖像,每個方格有不同的顏色或數值。
第 二 題
二、我國目前採用的坐標系統主要有TWD67與TWD97,請說明此兩種坐標系統的主要差異為何?現有
若干點位,同時具有參考於 TWD67 和 TWD97 兩組二度 TM 地圖投影的坐標,試擬一可行的坐標
轉換方法,並說明如何利用這些點位求出 TWD67 和 TWD97 之間的轉換參數。(20%)
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本題考查台灣地區兩大地測量基準 TWD67 和 TWD97 的差異,以及如何進行坐標轉換,並推求轉換參數。
1. TWD67 與 TWD97 的主要差異
TWD67 (Taiwan Datum 1967) 和 TWD97 (Taiwan Datum 1997) 是台灣地區兩種主要的國家大地測量基準,它們在以下幾個方面存在差異:
-
大地基準 (Datum):
- TWD67: 基於 1967 年建立的「八里」基準點(或稱「台灣基準點」)為基準,使用國際上較早期的測量數據和模型。
- TWD97: 基於 1997 年建立的「氣象站」基準點,採用更現代、更精確的大地測量數據和模型。TWD97 的基準點是根據國際上最為通用的 GRS80 橢球體參數來定義的,並考慮了台灣地區的板塊運動。
-
橢球體參數 (Ellipsoid Parameters):
- TWD67: 使用的是 Clarke 1866 橢球體。
- TWD97: 使用的是 GRS80 橢球體(與 WGS84 橢球體參數非常接近)。
-
投影方式 (Projection Method):
- TWD67: 採用的是二度分帶(UTM)投影,並有台灣地區專用的 TM(Transverse Mercator)投影。通常台灣本島使用中央經線為東經 的 TM 投影。
- TWD97: 也採用 TM 投影,中央經線為東經 。其投影參數經過重新定義,以適應 GRS80 橢球體和新的大地基準。
-
精度與穩定性 (Accuracy and Stability):
- TWD67: 相對較早期的測量成果,其精度和穩定性不如 TWD97,且未充分考慮地殼運動。
- TWD97: 精度更高,考慮了台灣地區的地殼運動,能夠更準確地描述地理位置,是目前台灣地區主要的官方大地測量基準。
-
轉換參數 (Transformation Parameters):
- 由於基準點、橢球體和參數的不同,TWD67 和 TWD97 之間的坐標轉換需要使用特定的轉換方法和參數,不能直接進行轉換。
2. 可行的坐標轉換方法
當我們有若干點同時具有 TWD67 和 TWD97 的坐標時,可以利用這些點來建立坐標轉換模型。常用的轉換方法有:
-
三參數轉換 (3-Parameter Transformation / Molodensky's Method):
- 僅考慮三個平移參數(),假設兩個坐標系統之間只有位置的平移。適用於兩個基準點距離較近,且沒有顯著的旋轉或尺度差異的情況。
- 公式:, , (在三維空間)。
- 在二維投影坐標系下,轉換會更複雜,通常需要先轉換到大地坐標,再進行三參數轉換,最後再投影回二維坐標。
-
七參數轉換 (7-Parameter Transformation / Bursa-Wolf Model):
- 考慮三個平移參數 ()、三個旋轉參數()和一個尺度參數()。這是最常用的三維空間坐標轉換模型,能夠更全面地描述兩個大地基準之間的關係。
- 公式(簡化形式,實際計算複雜):
其中 是目標坐標系(TWD97), 是源坐標系(TWD67)。
-
九參數轉換 (9-Parameter Transformation):
- 在七參數基礎上,還考慮了橢球體參數的差異。對於 TWD67 和 TWD97,由於橢球體參數本身就不同,九參數轉換是更為精確的方法。
-
局部轉換方法 (Local Transformation Methods):
- 例如,多項式轉換 (Polynomial Transformation),如仿射轉換 (Affine Transformation,通常是 6 參數) 或更高級的多項式。
第 三 題
三、試說明空間內插(Spatial Interpolation)的基本原理為何?請分別簡要說明內插方法的分類方式以及
常見的內插方法。(20%)
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本題考查空間內插 (Spatial Interpolation) 的基本概念、原理、分類及常見方法。
1. 空間內插的基本原理
空間內插是一種利用已知離散點的數據值,來估計未知點數據值的地理空間分析技術。其基本假設是:地理空間上相鄰的點,其屬性值也傾向於相似。這個原理也被稱為「地理學第一法則」(Tobler's First Law of Geography)。
簡單來說,空間內插就是基於已知點的空間位置和屬性值,建立一個數學模型,然後利用這個模型來預測或估計在任意未知位置的屬性值。
2. 空間內插方法的分類方式
空間內插方法可以從不同的角度進行分類,最常見的分類方式包括:
-
基於數學模型的複雜度:
- 確定性內插 (Deterministic Interpolation): 這些方法基於明確定義的數學公式,利用已知點的距離、坡度、海岸線等空間關係來計算未知點的值。其結果完全取決於輸入的已知點數據和內插參數。
- 地統計學內插 (Geostatistical Interpolation): 這些方法基於統計學原理,不僅考慮已知點的空間位置,還考慮數據值之間的空間自相關性(Spatial Autocorrelation)。它將數據視為空間上連續的隨機變數,並利用變異函數 (Variogram) 來描述這種自相關性,以提供最佳線性無偏估計 (Best Linear Unbiased Estimation, BLUE)。
-
基於內插點數量的考量:
- 局部內插 (Local Interpolation): 每個未知點的估計值僅由其周圍有限數量的已知點決定。
- 全局內插 (Global Interpolation): 每個未知點的估計值都由所有已知點決定,通常是建立一個涵蓋所有數據點的單一數學函數。
-
基於內插結果的平滑度:
- 平滑內插 (Smoothing Interpolation): 內插曲面通常比原始數據點更平滑。
- 非平滑內插 (Non-smoothing Interpolation): 內插曲面會通過所有原始數據點。
3. 常見的空間內插方法
以下是一些常見的空間內插方法,按上述分類進行說明:
A. 確定性內插方法 (Deterministic Interpolation)
-
反距離加權法 (Inverse Distance Weighting, IDW):
- 原理: 假設一個未知點的值是其周圍已知點值的加權平均。權重的大小與該點到未知點的距離成反比,距離越近的點權重越大。
- 公式: ,其中 , 是已知點 到未知點 的距離, 是距離衰減指數(通常為 2)。
- 特點: 計算簡單,易於理解。但它不考慮數據的空間自相關性,且估計值總是在已知點的最大值和最小值之間,不會超出這個範圍。
-
單一/多項式內插 (Spline / Polynomial Interpolation):
- 單一內插 (Spline): 尋找一個在數據點處具有最小彎曲度的光滑曲面。
第 四 題
四、請解釋網際網路地理資訊系統(Web-GIS)的概念?其系統架構結合哪些相關的技術?並試舉例說明
網際網路地理資訊系統的實務應用。(20%)
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本題考查網際網路地理資訊系統 (Web-GIS) 的概念、技術架構與應用。
1. 網際網路地理資訊系統 (Web-GIS) 的概念
Web-GIS (Web-based Geographic Information System) 是一種將地理資訊系統 (GIS) 的功能透過網際網路 (Internet) 或內部網路 (Intranet) 提供給使用者的技術。它允許使用者無需安裝複雜的 GIS 軟體,僅透過網頁瀏覽器 (Web Browser) 即可存取、查詢、分析和顯示地理空間資訊。
Web-GIS 的核心在於實現「地理資訊的網路化存取與共享」,打破了傳統 GIS 軟體需安裝在特定電腦、資料分散儲存的限制,讓地理資訊的應用更加普及、便捷和協同。
2. Web-GIS 的系統架構與相關技術
Web-GIS 的系統架構通常包含三個主要層面:用戶端 (Client-side)、伺服端 (Server-side) 和資料層 (Data Layer)。
-
用戶端 (Client-side):
- 功能: 負責接收伺服器傳來的地理資訊,並將其呈現給使用者,同時處理使用者的互動操作(如縮放、平移、查詢、點選)。
- 關鍵技術:
- 網頁瀏覽器 (Web Browser): 如 Chrome, Firefox, Safari 等,是使用者與 Web-GIS 系統互動的介面。
- 前端開發技術:
- HTML/CSS: 用於網頁結構和樣式設計。
- JavaScript: 用於實現動態互動功能、地圖渲染、圖形繪製和與伺服端的通信。
- 前端框架/函式庫: 如 React, Vue, Angular (用於構建複雜的用戶介面),以及專門用於地圖展示的函式庫,如 Leaflet, OpenLayers, Mapbox GL JS, CesiumJS (用於 3D 地圖)。
- 地圖渲染引擎: 將地理數據轉換為地圖圖像,顯示在地圖元件上。
-
伺服端 (Server-side):
- 功能: 負責處理來自用戶端的請求,進行地理空間數據的處理、空間分析、數據管理,並將結果以地圖服務 (Map Service) 或數據格式傳回給用戶端。
- 關鍵技術:
- Web 伺服器 (Web Server): 如 Apache, Nginx, IIS,負責接收 HTTP 請求並回應。
- 應用伺服器/後端程式語言: 如 Python (Django, Flask), Java (Spring), Node.js, PHP 等,用於編寫業務邏輯和處理 GIS 操作。
- GIS 伺服器軟體: 專門用於發布地理空間數據和提供地圖服務的軟體,如 Esri ArcGIS Enterprise (ArcGIS Server), GeoServer, MapServer, QGIS Server。這些伺服器能夠將儲存的地理數據轉換為地圖影像 (如 WMS, WMTS) 或地理特徵數據 (如 WFS, GeoJSON)。
- API (Application Programming Interface): 提供給用戶端調用的接口,用於請求地圖、數據或執行分析。
-
資料層 (Data Layer):
- 功能: 儲存和管理地理空間數據。
- 關鍵技術:
- 地理空間資料庫 (Spatial Database): 專門用於儲存和查詢地理空間數據的資料庫,如 PostgreSQL (with PostGIS extension), Oracle Spatial, SQL Server Spatial, MySQL Spatial。
- 檔案格式: 地理空間數據的檔案格式,如 Shapefile, GeoJSON, KML, GeoTIFF, NetCDF 等。
- 地圖快取 (Map Cache): 為了提高地圖加載速度,伺服器會預先生成地圖影像並儲存,以供快速調用。
架構示意圖:
第 五 題
五、欲利用地理資訊系統(GIS)進行購屋選址的空間分析,已收集到的圖資包括不動產實價登錄資料、
道路資料、捷運站、學校、便利商店等,請說明如何應用地理資訊系統之分析功能進行理想住宅的
挑選(條件請自行規劃設計)? (20%)
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本題考查如何運用地理資訊系統 (GIS) 的空間分析功能,結合多種圖資,來進行購屋選址的決策。這是一個典型的應用題,需要將 GIS 的分析工具與實際的決策問題結合。
1. 問題定義與決策條件規劃
首先,需要明確「理想住宅」的定義,並將其轉化為可量化的 GIS 分析條件。這些條件通常是買房者在意的因素,例如:
- 交通便利性: 鄰近捷運站、主要道路的距離。
- 生活機能: 鄰近學校、便利商店、公園、市場、醫療機構等的距離。
- 房價考量: 參考不動產實價登錄資料,設定預算範圍。
- 環境品質: 遠離主要幹道噪音、工業區污染,靠近綠地(公園、河岸)。
- 學區考量: 位於特定學校學區內。
我們可以根據這些條件,設定一些具體的空間篩選標準(例如,距離捷運站 500 公尺內,距離便利商店 300 公尺內,位於特定學區,房價每坪不高於 X 元等)。
2. GIS 分析流程與應用功能
以下是利用 GIS 進行購屋選址空間分析的步驟和應用到的 GIS 功能:
(a) 資料準備與整合
- 匯入圖資: 將所有收集到的圖資(不動產實價登錄資料、道路、捷運站、學校、便利商店、公園、市場、醫療機構等)匯入 GIS 軟體中,確保它們具有正確的坐標系統。
- 屬性資料處理:
- 不動產實價登錄資料: 整理並篩選出符合預算範圍的房屋坐標和價格資訊。可以計算每坪單價,並依此篩選。
- 學校資料: 標示出各級學校(國小、國中、高中)的範圍或位置。
- 其他設施: 確保便利商店、公園、捷運站等設施的準確位置。
(b) 空間篩選與緩衝分析 (Buffering)
- 條件 1:交通便利性 (捷運站)
- 功能: 緩衝分析 (Buffering)。
- 操作: 以捷運站為中心,建立一個或多個緩衝區(例如,500 公尺)。篩選出位於這些緩衝區內的房屋。
- 條件 2:生活機能 (便利商店)
- 功能: 緩衝分析 (Buffering)。
- 操作: 以便利商店為中心,建立一個緩衝區(例如,300 公尺)。篩選出位於這些緩衝區內的房屋。
- 條件 3:學區考量
- 功能: 空間疊加分析 (Overlay Analysis) / 點與多邊形空間關係查詢。
- 操作: 將房屋點圖層與學校學區多邊形圖層進行疊加。篩選出位於目標學區內的房屋。
- 條件 4:環境品質 (靠近公園)
- 功能: 緩衝分析 (Buffering)。
- 操作: 以公園為中心,建立緩衝區(例如,200 公尺)。篩選出靠近公園的房屋。同時,也可以執行「距離分析」(Proximity Analysis) 來計算房屋到公園的距離,並設定一個最大距離。
(c) 空間疊加與加權評分 (Overlay and Weighted Scoring)
- 篩選出符合基本條件的房屋: 透過上述的緩衝分析和空間疊加,先篩選出滿足基本條件(如交通、生活機能、學區、房價範圍)的房屋點。
- 多準則評估: 對於篩選出的房屋,進行更細緻的評估。
- 功能: 加權疊加 (Weighted Overlay) 或多準則評估 (Multi-Criteria Evaluation, MCE)。
- 操作:
- 計算距離: 對每個房屋點,計算其到捷運站、便利商店、公園、主要道路等設施的距離。
- 標準化: 將計算出的距離或房價等指標進行標準化處理,轉換到一個統一的評分尺度(例如 0-10 分)。例如,離捷運站越近分數越高,房價越低分數越高。
- 賦予權重: 根據決策者的偏好,為每個評估準則(交通、生活機能、房價、環境等)賦予權重。例如,如果交通便利性最重要,則給予較高的權重。
- 計算總分: 將標準化後的各項評分乘以對應的權重,然後加總,得到每個房屋的總體評分。