112 年 國立政治大學地政學系碩士班土地測量與空間資訊組《地理資訊系統（GIS）》

本題主要在於比較不同地理資料格式的特性，並根據實際應用情境選擇最適合的格式。

一、地理資料格式比較

以下是常見地理資料格式的比較：

1. CSV (Comma Separated Values)

   • 特性：純文字檔案，以逗號分隔欄位，每一列代表一筆紀錄。
   • 優點：簡單、通用，易於被各種軟體讀取和處理，適合儲存表格型態的屬性資料。
   • 缺點：本身不包含空間幾何資訊，必須額外欄位（如經緯度）來定義空間位置。不支援複雜的幾何物件（如線、面）或拓撲關係。
   • 用途：儲存點位資料（有經緯度欄位時）、屬性資料。

2. XML (eXtensible Markup Language)

   • 特性：一種標記語言，用於定義資料的結構和內容，具有彈性。
   • 優點：結構清晰，可擴展性強，能夠描述複雜的資料結構，包括空間屬性。
   • 缺點：檔案較大，解析速度相對較慢。
   • 用途：作為通用資料交換格式，也可包含地理資訊（如 GML - Geography Markup Language）。

3. SHP (Shapefile)

   • 特性：Esri 公司開發的向量空間資料格式，是 GIS 領域最廣泛使用的格式之一。由多個檔案組成（.shp, .shx, .dbf 為基本），可儲存點、線、面等幾何圖形及其屬性。
   • 優點：支援向量空間資料，可儲存點、線、面、多點、多線、多面等幾何物件，並能儲存豐富的屬性資訊。廣泛被 GIS 軟體支援。
   • 缺點：檔案管理較為麻煩（需多個檔案配合），不支援拓撲關係，檔案大小可能較大。
   • 用途：儲存向量空間圖層，如行政區界、道路、河流、建物等。

4. KML (Keyhole Markup Language)

   • 特性：基於 XML 的地理標記語言，用於在地球儀軟體（如 Google Earth、Google Maps）中顯示地理資料。
   • 優點：易於在網路和視覺化軟體中使用，支援點、線、面、標記、文字說明、圖片、3D 模型等，並可定義樣式。
   • 缺點：主要用於視覺化和簡單的地理資訊展示，不適合進行複雜的空間分析。
   • 用途：在 Google Earth 等應用程式中標示地點、繪製路徑、展示區域。

5. JSON (JavaScript Object Notation)

   • 特性：輕量級的資料交換格式，易於人閱讀和編寫，也易於機器解析和生成。
   • 優點：語法簡潔，檔案小，解析速度快，非常適合網頁應用和行動裝置。
   • 缺點：原生的 JSON 本身不直接支援地理空間幾何類型（如 Polygon, LineString），需要透過 GeoJSON 等擴展格式來定義。
   • 用途：常與 GeoJSON 結合使用，以 GeoJSON 格式儲存地理空間資料（點、線、面、多邊形等及其屬性），廣泛用於 Web GIS。

二、選擇哪一種格式的考量

若同時有上述幾種格式的資料，我的選擇會基於以下考量：

1. 資料的用途：
   • 空間分析：如果需要進行空間分析（如疊置分析、緩衝分析、路徑分析等），SHP 或 GeoJSON

本題主要考驗對於歷史地圖數位化流程的理解，包含影像掃描、空間定位（配對）、幾何轉換、屬性編輯及資料建檔等關鍵步驟。

核心觀念： 歷史地圖數位化是一個將類比空間資訊轉換為數位空間資料的過程，其中最關鍵的步驟是「空間配對」（Georeferencing），將沒有坐標的影像與已知坐標的地理空間對齊。

處理步驟：

1. 地圖準備與掃描

   • 步驟：仔細檢查古地圖的保存狀況。若有破損，需進行修補。然後，使用高解析度的掃描器（或專業掃描設備）將古地圖掃描成數位影像檔（例如 TIFF, JPEG, PNG 格式）。確保掃描時影像平整，避免變形。
   • 產出：高解析度的地理影像檔。

2. 資訊收集與勘查

   • 步驟：
     • 地圖資訊：盡可能收集關於這幅 1936 年地圖的背景資訊，例如測繪單位、測繪方法、原始比例尺（若可得知）、當時的行政區劃等。
     • 現代地理資訊：尋找與該古地圖區域相對應的現代地理空間資料，例如現代的電子地圖、航空影像、已數位化的歷史地圖（若有）、歷史文獻記載的街道名稱、地標名稱、建築物位置等。這些現代資料將作為配對的參考。
     • 現場勘查（若可能）：若條件允許，對照古地圖上的街道、地標、建物，進行現場勘查，確認其在現代地理空間中的對應位置。這有助於提高配對的準確性。
   • 產出：地圖背景資訊、對應的現代地理空間資料、現場勘查記錄。

3. 空間配對 (Georeferencing)

   • 步驟：這是最關鍵的步驟。使用 GIS 軟體（如 QGIS, ArcGIS）載入掃描的古地圖影像檔。接著，在影像檔上選取至少三個（建議四個或更多）清晰、可辨識且在現代地理空間中也能找到對應點的「控制點」(Control Points)。
     • 選擇控制點：這些點應盡量分布在地圖的四個角落及中心區域，例如：明確的交叉路口、顯著的地標（如教堂、橋樑、塔樓）、建築物的角點等。
     • 坐標輸入：對於每一個選取的控制點，在古地圖影像上點擊該點，然後在 GIS 軟體中輸入該點在現代地理坐標系統下的坐標值（例如 WGS84 的經緯度，或台灣地區使用的坐標系統如 TWD97）。
     • 變換模型選擇：根據控制點的數量和分佈，選擇合適的空間變換模型（Transformation Model）。
       • 相似性變換 (Similarity)：保留比例尺和方向，但會允許平移和旋轉。適用於地圖變形較小的情況。
       • 仿射變換 (Affine)：允許平移、旋轉、縮放和剪切（傾斜），但平行線仍保持平行。
       • 多項式變換 (Polynomial)：最靈活，可以校正複雜的非線性變形，但需要較多的控制點。一階多項式類似仿射，二階多項式可處理彎曲變形。
     • 配對與校正：GIS 軟體會根據選取的控制點和變換模型，計算出影像與真實地理空間之間的轉換關係。軟體會顯示「殘差」(Residuals)，即每個控制點實際位置與預測位置之間的誤差。需要調整控制點或模型，使總體殘差最小化，通常期望殘差在一個可接受的範圍內（例如小於影像解析度的一個像素）。
   • 產出：經過空間配對、已知地理坐標的地理配准影像。

4. 幾何糾正 (Rectification)

   • 步驟：一旦空間配對完成，需要將配准的影像「糾正」到一個標準的地理坐標系統中，並生成一個新的光柵影像檔。這個過程會根據配對時建立的轉換函數，將影像重投影並重採樣（Resampling）到目標坐標系下。
   • 重採樣方法：
     • 最近鄰法 (Nearest Neighbor)：速度快，不改變原始像元值，但可能導致影像邊緣鋸齒。
     • 雙線性內插法 (Bilinear Interpolation)：平滑影像，但會改變像元值。
     • 立方體卷積法 (Cubic Convolution)：最平滑，但速度最慢，也可能改變像元值。
   • 產出：已糾正（配准）並轉換到目標坐標系統的地理配准影像檔（GeoTIFF 等）。

好的，這題主要在探討田野調查中不同設備蒐集資料的特性比較，以及如何將這些資料轉換為 GIS 可用的地理資料。核心觀念在於理解不同空間資料蒐集技術的優缺點，以及資料從原始狀態到 GIS 應用之間的轉換流程。

(a) 不同設備蒐集資料在資料精度、工作效率、成本上的差異比較

田野調查中常用的測量儀器與行動裝置，在蒐集地理資料時各有其優勢與限制。以下針對資料精度、工作效率及成本進行比較：

1. 測量儀器 (例如：全測站儀、GPS 接收器、光達)

• 全測站儀 (Total Station)

  • 資料精度： 精度最高，可達公分級甚至毫米級。透過測量角度與距離，能精確確定點位。
  • 工作效率： 相對較低，需要架設儀器、瞄準目標，且通常需要兩人協作（一人操作儀器，一人持棱鏡或目標）。適合小範圍、高精度要求的測量。
  • 成本： 設備本身價格昂貴，操作人員需具備專業訓練，整體成本較高。

• GPS 接收器 (GPS Receiver)

  • 資料精度： 精度範圍廣，從公尺級（消費級）到公分級（RTK/PPK 專業級）。消費級 GPS 精度較差，易受遮蔽影響；專業級 GPS 透過差分技術可大幅提升精度。
  • 工作效率： 相對較高，不受地形遮蔽影響（除嚴重遮蔽區），可單人操作，移動性強，適合大範圍、快速的點位蒐集。
  • 成本： 設備價格從數千元（消費級）到數十萬元（專業級）不等。操作相對簡易，但專業級設備仍需一定訓練。

• 光達 (LiDAR - Light Detection and Ranging)

  • 資料精度： 可提供高密度的三維點雲資料，精度可達公分級。能精確描繪地表、建築物、植被等細節。
  • 工作效率： 極高，尤其是在航空或車載平台搭載時，可在短時間內掃描大面積區域，獲取海量資料。
  • 成本： 設備價格非常昂貴，資料處理也需要專業軟體與技術，整體成本最高。主要用於大規模、高精度的三維建模與地形分析。

2. 行動裝置 (Mobile Device, 例如：智慧型手機、平板電腦)

• 資料精度： 通常較低，內建的 GPS 模組精度多在數公尺至十數公尺，且易受建築物、樹木等遮蔽影響。部分高階手機或搭配外接模組可略微提升精度。
  • 舉例： 使用手機 App 記錄某個POI（Point of Interest）的位置，其精度可能僅能辨識到該建築物的大致區域，無法精確到門牌號碼。
• 工作效率： 極高，操作簡易，攜帶方便，可即時記錄位置、拍照、填寫屬性資料，適合大量、快速的資訊採集，特別是結合 App 的應用。
  • 舉例： 進行市容調查，調查員可透過手機 App 記錄路燈損壞情況，同時拍攝照片並標記位置，效率遠高於傳統紙本記錄。
• 成本： 設備成本低廉（多數人已擁有），軟體（App）成本也相對較低或免費，整體使用成本最低。

總結比較表：

設備類型	資料精度	工作效率	成本	適用情境
全測站儀	極高 (mm-cm)	低	高	小範圍、高精度測量 (建築放樣、地籍測量)
GPS 接收器	高 (cm-m)	中高	中高	大範圍、中高精度測量 (地形測繪、道路測量)
光達	高 (cm)	極高	極高	大面積、高密度三維掃描 (城市建模、災害評估)
行動裝置 (手機)	低 (m-tens m)	極高	低	大量、快速、低精度資訊採集 (調查、巡檢)

【答案】

(b) 使這些調查資料成為 GIS 的地理資料所需的處理程序

無論是測量儀器或行動裝置蒐集的原始資料，要成為 GIS 可用的地理資料，通常需要經過以下幾個關鍵處理程序：

1. 資料輸入與格式轉換 (Data Input & Format Conversion)

• 目的： 將不同格式的原始資料匯入到 GIS 軟體或資料庫中。
• 程序：
  • 測量儀器資料： 全測站儀、GPS 接收器通常會輸出為特定的檔案格式（如 .txt, .csv, .raw, .gpx 等）。這些檔案可能包含點位座標 (X, Y, Z)、測量時間、儀器編號、測點名稱等。需要將這些檔案匯入 GIS 軟體，或轉換為 GIS 軟體支援的格式（如 Shapefile, GeoJSON, GML 等）。
  • 光達資料： 光達掃描產生的是點雲資料（如 .las, .laz 格式）。