A RC GIS 與空間分析

ArcGIS 為美國 ESRI 公司開發的 GIS 軟體，是目前地理資訊系統中，市佔 率與相關學術領域普及率最高的軟體之一。相較於其他地理資訊軟體，該空間 處理分析的模組功能也最具齊全。使用者可透過它來收集處理、組織管理、決 策分析、交流和發佈地理空間資訊。ArcGIS 大致有六大功能，包括：一、使用 者能夠創建、使用或共用地理空間圖資或智慧地圖。二、能夠自己編輯地理資 訊；三、能夠自行建立和管理地理資料庫；四、能透過該系統使用空間分析來 解決問題；五、能夠編寫建置相關分析模組；透過地理和視覺化功能分享交流 空間資訊。本研究欲透過Python 程式語言與物件導向模組化架構，於 ArcGIS 環境下來開發向量面型態分析模組。故本節分成兩部分，首先先回顧ArcGIS 的空間分析功能；其次回顧ArcGIS 的功能拓展。

一、ArcGIS 空間分析功能

ArcGIS 目前的空間分析相關功能，除了空間分析工具之外，還包括分析工 具、3D 分析工具、路網分析工具、地理統計分析工具、空間統計分析工具、追 蹤分析工具、時空特徵挖掘工具等(如圖 7)，並提供不同的空間分析功能。

空間分析工具提供了網格與向量資料空間分析與建模的工具，如密度、距 離、水文、內插值、鄰域等計算分析等。分析工具提供基礎的GIS 分析，如計 算重疊區域、環域分析、計算統計數據等。3D 分析工具提供表面模型、3D 向 量資料的各種分析、數據管理與資料轉換等預處理功能。路網分析工具提供可 以執行路網分析與路網數據集的維護，如交通路網最佳路徑分析、最近設施站 點、服務區、起訖點成本矩陣等。地理統計分析工具提供向量點資料或網格資 料等創建連續性表面與地圖，以用來顯示分析和了解空間現象的表面。空間統 計工具提供分析空間現象分布、模組、過程與關係工具，以了解空間顯著特徵 或統計上顯著空間特徵(冷熱點、離群值等)以及建立空間關係模型。追蹤分析 工具與時空特徵挖掘工具，其分析功能除了提供空間分析以外，加上時間的因

素為時空分析。前者提供時間序列回放與分析功能，顯示空間現象的時序變化 與模式；後者提供空間、時間環境中分析資料分布和模式統計工具。

圖 7：目前 ArcGIS 空間分析功能

資料來源：http://www.esri.com (瀏覽日期 2017/05/20) 二、ArcGIS 功能拓展

目前ArcGIS 程式功能開發，有四個面向(如圖 8)。分別為網路應用程式、

行動與原生應用程式、擴展ArcGIS 平台、腳本與自動化。而本研究的分析模 組開發之開發定位屬腳本與自動化，即透過Python 開發自動化的面型態分析程 式。

圖 8：目前 ArcGIS 開發四大面向

資料來源：http://www.esri.com (瀏覽日期 2017/05/20)

在介紹ArcGIS 模組開發之程式語言前，需回顧 ArcGIS 軟體開發與開發環 境。ArcGIS 中的 ArcMap、ArcCatalog、ArcScene 為 ArcObiect(AO)所開發實現 (如圖 9)。ArcObiect 該組件程式庫(component library)包含了所有的 ArcGIS 功 能。

圖 9：ArcObiect 的結構

資料來源：Tang, X., Shen, Y., & Shen, J. (2012)

ArcObiect 的開發模式原有三種方法(白亞茹，2009、Tang et al.，2012)：第 一種開發模式，為透過ArcMap 環境內的 VBA(Visual Basic for Applications)來進 行程式的開發。第二種開發模式，即直接透過VB、C++、.NET 等程式語言，

直接開發EXE 獨立應用程式，透過 ArcObiect 通用視覺化控制項來實現。第三 種則是透過COM(Microsoft Component Object Model)開發客製化模組。

從ArcGIS 8.0 首次發行以來，VBA 一直是 ArcGIS 支持的主要腳本語言。

但從ArcGIS10.0 版開始，VBA 的角色被 Python 取代。此外，基於 Microsoft 組 件對像模型（COM）的 VBA 也已被刪除，開始轉向符合 Java-和.NET 程式語 言開發(Wunderlich，2012)。

Python 為常用之科學計算程式語言之一，為荷蘭計算機程式設計師 Rossum 於1991 年所發布。而 Python 程式語言之所以受到許多人的使用，在於 Python 有幾點特徵，包含程式邏輯簡單易學且直觀、為免費且開源的軟體、能支援各 平台的運作、本身為解釋性語言不需再進行編譯、為物件導向的程式語言 (object oriented programming, OOP)。至今(2017 年 4 月)為止 Python 版本已經來 到第3.6 版，而目前 ArcGIS 所採用的 Python 版本，仍以 2.7 版本為主。

此外，Python 擁有有豐富的矩陣、統計、機器學習、資料探勘、視覺化等 模組，如SciPy、NumPy、matplotlib、scikit-learn(Grus 2015) 。Python 可以將 各種不同的物件組合在一起，進而實現新的功能。ESRI 公司將部分 ArcGIS 的 功能，製作成Python 套件 ArcPy，讓研究者可以用 Python 語言，利用其豐富的 套件，自行開發新的ArcGIS 功能(Tateosian，2016、Zandbergen，2013、

Pimpler，2015)。

此外，ArcGIS 創建分析模組另一方式為 ModelBuilder(如圖 10)，具有視覺 化的操作介面與直觀易懂編寫方式，開發者可以不具有編寫程式的經驗，也不 用學習程式語法就可以開發簡單的程式工具。但相較於ModelBuilder 來開發模 組，ArcPy 優勢如下(Zandbergen 2013)：

(一) 可以進行背景底層的地理處理任務。

(二) 可以實現更高級的編輯邏輯，並可以添加許多的擴充套件以提供 高級的功能。

(三) 可以把不同軟體的功能整合在一起。

(四) 可以脫離 ArcGIS，作為儲存於電腦中的一個獨立腳本來運行。

(五) 可以在預定的時間運行，而不受人工的干預。

圖 10：ArcGIS ModelBuilder 示意圖

資料來源：http://www.esri.com (瀏覽日期 2017/04/18)