地理資訊系統原理與應用

本研究以地理資訊系統（GIS）為操作之輔助工具，故在本章節主要整理地理 資訊系統的發展與相關研究，以了解 GIS 的原理與應用。發現有賴於科技的發展 與日新月異的資訊通訊技術，在規劃土地區域或相關環境問題時，可藉由地理資 訊系統對空間的資訊做整理及分析進行輔助，提高分析的便利性與準確度。

一、地理資訊系統發展歷程

地理資訊系統（GIS）起源於 1960 年代初期，由加拿大的 Roger F. Tomlinson 和美國的 Duane F. Marble 在不同的時間及地點所提出。其中 Tomlinson 於 1962 年 提出利用電腦技術進行大量的土地資料分析，並首先提出地理資訊系統一詞；而 後 Duane 也提出利用電腦軟體輔助城市交通的研究，便促進後來相關軟體的研發 工作。

發展至今，地理資訊系統已經有 30 多年的歷史，影響其發展因素包括使用者 的需求、科學技術與相關理論的進步，及專業組織的確立。以下便將國內外發展 歷程概述如下（張小飛，2001）：

（一）國際發展概況

1960 年開始利用 GIS 處理空間資料，如人口統計（美國人口調查局建立的 DIME）及資源普查資料（加拿大統計局的 GRDSR）等，許多大學也以網路研發 出有關的應用軟體，綜合研究其研發技術的應用及大量空間資料處理的需求，但 此時的研究工作多僅限於政府及學校的研究工作。

1970 年是地理資訊系統的穩固發展時期，此時工作重點在於空間地理資訊的 管理，其原因是由於當時開始進行大量的資源開發，故管理單位開始注意到環境 保護的問題，積極尋求一個能對空間資訊有效的分析與處理系統，加上這段期間 中，不論在處理速度或是記憶容量上，電腦科技都迅速進步，促使價格的下降，

使得除了政府、學校外，許多研究機構及相關公司行號皆能進行地理資訊系統的 研發工作，此外，1960 年代至今培訓的專業人才紛紛投入相關行業，亦加速目前 地理資訊系統的發展。

1980 年是地理資訊系統的技術發展時期，此時著重於發展空間決策的支援與 分析。由於地理資訊系統涵蓋的領域迅速擴大，不論在環境資源管理、資源規劃 及緊急應變措施方面，皆涉及地理資訊系統的技術，其包含的學術領域有人類學、

景觀生態規劃、森林管理、土木工程與電腦科技等，各國皆有重要的成績，並成 立全國性的機構，包括中國的「資源與環境資訊系統國家重點實驗室」（1985）、

美國的「國家地理資訊與分析中心」（NCGIA，1987），及英國的「地理資訊協會」

（1987），此時在技術上最大的突破是商業使用系統的迅速推展。

1990 至今地理資訊系統已促使大多的研究與分析改變原先的工作方式，使用 率與普及率相對迅速成長，需求也日益增加，目前是為許多地理相關的空間資料 輔助的重要處理工具。

（二）國內發展概況

我國於 1990 年由經建會報請行政院，成立國土資訊系統（NGIS）推動小組，

開始進行國土地理資訊系統的推動。在國土資訊系統推動小組成立之前，各部門 多依各自不同的空間資訊需求進行各自的研發工作，其中較具系統者，為內政部 地政司及其前身內政部地政資訊中心所主導的地政自動作業核心的遙感探測的應 用研究。國土資訊系統推動小組成立初期，僅部會的組織，而後由於工作需求的 增加，陸續增設 12 各分組及推動小組。

目前國土資訊系統的相關工作內容包括 GIS 整體規劃、示範工作、空間資料 處理、應用程式、GIS 工具發展、標準化及訓練專業人才等專案，玆將其摘要說明 如下：

1.整體規劃

目前我國已完成的 GIS 整體規劃包括國土資訊系統整體規劃、環保署 GIS 整體規劃、環境基本資料庫、基本圖資料庫、環境資源及生態資料庫整體 規劃等，其中部分工作由學校單位協調進行，部分由相關單位執行，目的 是希望藉由確立資訊系統，對空間資訊進行維護管理及更新等工作。

2.示範工作

為求完成全國性 GIS 綜合作業，國土資訊系統推動小組亦於 1992 年規劃五 類示範作業，包括都市土地資訊系統、新市鎮規劃作業、公共設施管線資 訊系統、水資源規劃資訊系統及交通網絡資訊系統。

3.空間資料處理

目前有關 GIS 資料頗多，主要工作有地形圖、地籍圖、區域及都市計畫分 區圖、交通路線圖、人口或公務統計之社經資料等。

4.應用軟體及本土化 GIS 發展

由於考慮到 GIS 軟體在架構上成本過高，故國內亦有相關單位自行研發，

加上目前專業人才不斷增加，將有助於本土化 GIS 的發展。

5.教育

目前國內 GIS 的教育方面，多以短期訓練班的型式，並因應各單位需求，

各自形成訓練體系。

6.標準化

為求全國 GIS 的通行，目前內政部資訊中心已針對相關目錄、資料、名詞、

資料格式等訂定標準規範。

發展至今，我國國土資訊系統已顯示出相當大的實質效益，且其服務物件相 當廣泛，加上目前專業人才日益增加，將有助於未來朝向更縝密的訊息管理工作。

二、地理資訊系統內容與比較

過去的生態或規劃領域學者在面對龐大的空間資料時，往往受限於分析工具 的不足。相較之下，由於地理資訊相關技術在近幾年的迅速發展，使得我們更有 能力來處理或轉化龐大的數位化資料，並進行許多較複雜的演算與分析。

（一）GIS 之定義與功能

地理資訊系統是一個空間資料管理及空間資訊分析的電腦系統，依據國外專 家學者對 GIS 之定義整理如表 2-6（張小飛，2001）：

表 2-6 資訊系統定義統整表

作者 年份 定義

Dueker 1979

特別的資訊系統，其資料包括了觀察空間的排列、動作及事件，並解釋 空間中的點、線、面。GIS 可對點、線、面的資料進行查詢與分析。

Ozemoy, Smith

and Sicherman 1981

自動的設定函數，可提供地理上區域資料專業的儲存、回復、控制及展 示的高階能力。

Burrough 1986 有力的蒐集、儲存、回復工具，可將真實世界中的資料進行展示及轉換。

Devine and Field

1986 藉由圖像展示 MIS（Management Information System）方法之一。

DoE 1987 擷取、儲存的決策系統，可操縱分析及展示地球上有關的資料。

Smith et al. 1987 以空間資料基礎解釋空間事件的資料基礎。

Cowen 1988 支援決策系統，可綜合空間相關的資料解決當前的環境問題。

Rarker 1988 儲存、分析與展示空間與非空間資料的資訊技術。

Aronoff 1989 人工與電腦基礎設定的資料。

Carter 1989 研究技術，在時間上結合了資料、專業與經濟支援的組織結構。

Koshkarivo, Tikunov and Trofumov

1989 促進地理分析模式能力的系統。

資料來源：陳述彭（1999）、張小飛（2001）

地理資訊系統（geographic information system，又稱 GIS），泛指可處理空間資 料輸入、儲存、選取、分析與展示等功能之電腦輔助系統。雖文獻上尚有其他用 詞之別，如土地資料系統（geo-data system）、土地資訊系統（land information system）、空間資訊系統（spatial information system）等，主因其應用領域不同及功 能上之些許差異而有不同名稱，但均有以下之基本功能（黃書禮，2000）：

1.資料輸入：即可將不同來源及格式之資料，處理轉換為電腦可接受之數值

（digital）形式資料。

2.資料儲存及管理：符合使用目的之資料儲存結構，不僅節省資料儲存空間，

亦可迅速、正確的尋取及管理資料。

3.資料分析與轉換：地理資訊系統可依不同作業之需要，提供不同之分析功 能，且應具資料格式之轉換功能，以利不同資訊系統間資料之互通利用。

4.資料輸出與顯示：原始基本資料或經分析後之成果，可透過各種輸出工具輸 出圖形或屬性資料，亦可經由電腦螢幕直接顯示資料。

（二）地理資訊系統之資料結構

所謂地圖是以平面描述地球的系統模式，並以符號表達某些目標及現象。在 早期，空間資料多由航行家、地理學等進行相關的調查與收集；至 19 世紀，歐洲 的強權國家乃利用地圖對區域進行戰力評估與資源開發；20 世紀，立體空中照相 及遙感探測的發展，大幅增加空間測量的精確度（朱子豪，1995）。

除空間資料之外，非空間性及屬性資料的處理亦是如此，目前利用電腦進行 繪圖以發展出下列優點：1.已存在的地圖可快速、經濟的印出；2.符合特定使用者 的需求；3.相同資料可允許不同的繪圖表現；4.分析便利，可直接進行交互比較及 統計；5.量化可執行手繪地圖所無法完成之事，如三維地圖。

因每個專案所需的地理資訊不同，並考量電腦交叉運作的效率，加上目前在 資料儲存時需耗費相當多的人力，故目前在進行數值資料庫輸入、輸出、儲存及 擷取資料時，有層級式資料結構（hierarchical data structure）、網路系統（network）、

關係型數據庫結構（relational database structure）、紀錄結構（record structure）等 四種（陳述彭等，1999）。

地理資訊系統之資料結構，依其輸入、儲存與輸出方式大致可分為下列數種：

1.向量式（vector）地理資料：將圖形資料以點、線、面等數值座標結構儲存，

並進一步建立空間上之拓樸（topology）關係，例如 ARC/INFO 地理資訊系 統。

2.網格式（raster）地理資料：將研究區之圖形資料以相同規格之網格（grid cell）

架構來儲存，或展示地理資料，如 ERDAS、IDRISI、MAP 等軟體。

3.文數字屬性資料：不同項目地理資料在空間分佈上有不同之特性，此特性可 由文字或數字屬性資料代表。GIS 主要結合空間地理資訊與屬性資料，據 以從事分析作業。

4.其他較常見之地理資訊之資料結構，如遙測影像、掃描影像等資料，主要是 用較特殊之技術及工具獲得地理資料，主要是用較特殊之技術及工具獲得 地理資料，但其資料之儲存結構仍可歸併成網格式，所差別是其網格較為 細小，例如 ERDAS。

其中網格式與向量式兩者間的差別，儲存空間方面，向量式需較少空間；在 美學上，向量式表現方式之線條與邊緣較網格式平滑，故較美觀；在資料更新上，

當資料有所變動需進行新時，網格式資料只需取消舊數值更新的即可，但向量式 則需重建其座標及連結性（見表 2-7）。