台灣沿岸溼地生物多樣性分布、評估與保育---台灣沿岸溼地生物多樣性地理資訊系統建立之研究

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台灣沿岸溼地生物多樣性地理資訊系統建立之研究

執行單位:中山大學海洋環境工程系 計劃編號:NSC

92-3114-B-110-003

計劃主持人:薛憲文 研究人員:黃明哲、李孟霖 聯絡方式:高雄市鼓山區蓮海路 70 號 中山大學海洋環境工程系 摘要 美國國科會於 1986 年首創生物多樣性(Biodiversity)一詞,其意義指的是 地球上千萬種動物、植物、微生物和它們所擁有的基因,以及由這些生物和環境 所構成的生態系。生物多樣性包括基因、物種與生態系三個層次的多樣性。它不 但提供人類生活的必需物質,也是各種生物對環境變動的適應能力,及其所依賴 為生的生態系統,以延續其生存與演化。 我國為因應生物多樣性公約,行政院各部會自 90 年起進行生物多樣性推動 方案分工。國家資訊網已收錄本地生物多樣性專家名錄 490 位以上及完成了 32589 個台灣物種名錄兩個資料庫。生物多樣性工作之推動,包括:普查動物、 植 物 及 微 生 物 之 特 有 物 種 與 其 分 佈 , 確 認 海 、 陸 域 物 生 物 多 樣 性 之 熱 點 (hotspot),評定復育劣化環境優先順序及復育方式,健全保護區生態系統,加強 生物多樣性及入侵種之管理等。這些工作需藉由建構及整合國家生物多樣性資料 庫及資訊網,而過去這些資料庫大多為傳統之資料庫管理系統(DBMS)。但由於 生物多樣性之變化與環境之變遷息息相關,因此宜採用地理資訊系統(GIS)及網 路地理資訊系統(Web GIS)來建制。

截至 2003 年為止,GBIF 所制訂之生物多樣性資料架構草案(Biodiversity Data Architecture),仍採用傳統之資料庫管理系統(DBMS)架構,將 Web GIS 仍視為外 部網頁服務(external web service),未來才會考慮將 web GIS 納入架構之中。因此 本計畫之重點是以建構台灣沿岸溼地之物種資料庫及其空間分佈之 GIS 與 web GIS 查詢,瞭解台灣沿岸各溼地物種(species)與周圍環境之互動關係,並採購最 新之航測影像來劃定各溼地之範圍圖及已公告之生態保護區範圍,web GIS 則採 用可同時瀏覽數百 MB 以上之影像及向量圖資之 INetViewer 平台,並設計物種 相關之查詢網頁。

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In 1986, U.S. National Science Council created a word “Biodiversity”, which means millions species of animal, plant, and microbe and their genetics, and ecosystem on earth. Biodiversity includes genetics, species and ecosystem. It provides necessary food for human, and various species has ability to adjust themselves to the environment and ecosystem in order to sustain their life and evolution.

In order to commit to the Convention on Biodiversity, ministries of ROC Executive Yuan share works for biodiversity since 2001. National Biodiversity Information Network has collected list of species experts over 490 and list of species over 32589 in Taiwan. Biodiversity works including: surveying of endemic species of animal, plant, and microbe and their spatial distribution, identifying biodiversity hotspot for land and ocean, evaluating the priority of conservation of environmental degradation and conservation methods, strengthening protected ecological regions, managing biodiversity and invading species etc. All of the above works need biodiversity database and biodiversity networks. Most of the established biodiversity databases are traditional DataBase Management System (DBMS). Change of the biodiversity is highly related to the environment, therefore, Geographic Information Systems (GIS) and web GIS are recommended to establish to support biodiversity needs.

In August 2003, Global Biodiversity Information Facility (GBIF) makes a Biodiversity Data Architecture (draft). DBMS data structure is adopted in this standard. Web GIS is regarded as an external web service, and will be considered in the future. The main emphasis of this research is to set up a biodiversity GIS and web GIS database for coastal wetland of Taiwan and its spatial distribution, to understand the relationship between species and environment, drawing maps for the boundary of coastal wetlands and protected ecological regions. INetViewer, a kind of web GIS, is used to browser orthophotos and vector data more than several Mega Bytes at the same time. Web pages will also be designed in this study.

一、前言

海岸溼地位於海陸交界,具有多樣化的棲息地與豐富的營養來源,使得生物 族群間的交互作用現象非常頻繁與複雜。本計畫主要目標在發展以生物多樣性為 主的海岸溼地地理資訊系統(CWGIS-Coastal Wetland Geographical Information System),以提供海岸溼地環境變遷分析研究、海岸溼地生物多樣性分布與時空 變化分析研究所需的地理資訊系統,作為整合、呈現空間、時間分佈資訊的方式 (Ji and Johnston. 1995, Salem 2003),並作為溼地保育決策與經營管理的參考,溼 地重要性與熱點(biodiversity hotspot)也被運用在本計畫的評估之中。

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二、研究方法 首先討論如何應用遙感探測技術於溼地範圍時空變化分析方法研究;接著探 討如何將地理資訊系統之時空資料模型,在溼地範圍與物種分布之時空變化分 析;最後研究 WebGIS 在溼地基本圖展示、溼地物種調查資料建檔、物種分布時 空變遷分析關鍵技術與目前所面臨的問題。 (一) 應用遙感探測技術於溼地範圍時空變化分析方法研究 由於海岸溼地位於陸地與濱海交接之處,其範圍會隨著潮汐漲落、海岸 地形季節性變遷、人類居住環境發展變遷等因素影響而變化,如何有效掌握 溼地涵蓋範圍的時空變化,是研究海岸溼地生物多樣性以及海岸溼地保育決 策與經營管理的重要參考依據。 本計畫原構想係採購彩色航空相片,由研究人員依據政府公告、其他溼 地研究文獻或現場環境,使用 GIS 系統在以彩色航空相片為底圖的海岸溼 地基本圖上,劃定海岸溼地範圍。但是,經與台灣沿岸溼地生物多樣性其他 研究計畫主持人討論,海岸溼地的範圍究竟如何訂定?如何監控、記錄或分 析海岸溼地範圍隨季節、氣候、潮汐、物種生態變化、土地利用、海岸開發 或受天然災害等影響因素?如何以空間資訊科學的方法,協助定義海岸溼地 的範圍,為本計畫執行期間衍生的課題。針對此一問題首先分析目前遙感探 測技術與可供使用的影像來源,接著討論遙感探測影像處理方法,最後討論 使用 GIS 與遙感探測技術,進行溼地範圍辨識與溼地資源分類的方法。 以多光譜遙測資料使用遙測影像分類方法,可提供溼地範圍內所需的重 要資訊與更多的資源細節、協助溼地資源辨識為不同的資料型態並完成溼地 內陸地涵蓋區域分類(John G. Lyon and Jack McCartby, 1995)。如可從近紅外 光(NIR) 航測影像中分辨溼地部分淹沒或完全淹沒於水中的區域,並將分界 線標示於 GIS 系統內,以提供溼地涵蓋範圍時空變化定量分析所需基本資 訊。並使用遙測影像分類方法,將溼地範圍內陸地涵蓋區域,參照「美國地 理測量土地利用與土地涵蓋分類系統(U.S. Geological Survey Land Use/Land Cover Classification System)」、「美國漁業與野生動物總署溼地分類系統(U.S. Fish and Wildlife Service Wetland Classification System)」與「美國國家海洋大 氣 總 署 海 岸 觀 測 土 地 涵 蓋 分 類 系 統 (NOAA Coast Watch Land Cover Classification System)NOAA Coast Watch Land Cover Classification System)」 等標準,進行不同的資料型態資訊提取與分類。

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(二) 規劃分析溼地範圍與物種分布時空變化所需之 GIS 時空資料模型 全世界在生物多樣性的研究中,目前仍致力於物種基礎資料庫的蒐集、 辨識與建檔,本計畫重點在如何運用空間資訊技術,提供有利於在物種基礎 資料庫建立的同時,能夠對加強對物種分布之時空變化分析。例如,在中國 大陸區域性的鳥類物種研究中,被辨識出來的十種以上的鳥類物種中,就有 七種為單一型態。為研究鳥類物種豐富度棲息地與空間分佈的關係,首先設 立鳥種地理分布及棲息地條件資料庫,並使用 Arcview 3.1GIS 軟體的套疊分 析功能,以棲息地為基礎預測鳥類分布,並藉由比較物種在棲息地的豐富 度,了解不同鳥種的空間分佈,且鑑定出鳥種多樣性的起源需保護的熱點, 辨識出具豐富鳥類多樣性地點及幫助研究鳥類物種多樣性變化歷史(Liu et. al., 2003)。 另外,在使用 GIS 於野生菜豆類生物多樣性的研究及物種保存上,該 研究在一萬個位於拉丁美洲的測站收集得野生菜豆種原的地點,以緯度經度 及海拔與長期觀察的每月平均雨量溫度及每日溫度變化幅度,來產生豆子最 喜歡的氣候分布地圖。再運用 GIS 將鑑別出來最適合菜豆生長的地區標示 在 GIS 地圖上,以區分出有相同最適宜豆子生長氣候的兩個相異地區,並 據此可以預測會發現會具有相似的野生豆類的生態。(Jones et. al., 1997)

為瞭解台灣沿岸各溼地物種(Species)與周圍環境之互動關係,參考其他 國家使用 GIS 在不同物種之生物多樣性研究上之經驗,採購最新之航測影 像,配合各溼地所在地區之內政部國土資訊系統基本圖,擷取各溼地附近之 土地利用狀況,提供各子計畫在劃定各溼地之範圍圖與界定現場調查之範圍 使用。於現場調查結束後,將物種之點、線、面分佈圖配合航測影像,同時 套繪在 ESRI ArcView 8.2 GIS 系統中,來探討各物種分佈與環境成因之互動 關係(圖一)。

本計畫並規劃分析可應用於溼地範圍與物種分布時空變化所需之地理 資訊系統時空資料模型(Spatial-Temporal Data Model),以建構台灣沿岸溼地 之植物、海洋節肢及非節肢底棲動物、魚類、鳥類、陸域脊椎及無脊椎動物 等物種基本資料庫及其空間分佈之 GIS 查詢。 本計畫規劃之 CWGIS 共分為 12 個沿岸溼地,每種生物普查至少包括: 物種、數量、密度、GPS 坐標、分布地點、調查時間等屬性,除鳥類、植物 外,其他生物一年兩次以上。 最後,依據規劃之資料模型,分別建立空間環境、物種基本資料與野外 現場調查資料等空間資料庫。

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圖一、將現場調查之物種分佈圖配合航測影像,套繪在 CWGIS 中。 (三) WebGIS 應用於海岸溼地地理資訊系統發展之關鍵技術 隨著物種數量及棲息地的威脅增加而保護管理自然的可用資源相對減 少之下,建立生物多樣性保育優先順序方法變得非常迫切,為決定何處為重 點保育地區,必須整合生態系中的生物物理學數據及人類活動及計畫的社會 學資料。然而可用來區別出何處最急切需求立即的行動,何處可使其保育策 略發揮最大效益的可靠且全面性資料很少,所以保育策略不能等到完整的數 據資料庫完成後才開始進行,必須整合使用在地及專業知識以填補資料的空 缺(Balram et. al., 2004)。本計畫所提出的 CWGIS 是一種共同合作的 GIS 方法,用以整合各溼地空間環境資訊及各溼地物種專業知識,來研究建立生 物多樣性保留區的優先順序。

截至 2003 年為止,GBIF 所制訂之生物多樣性資料架構草案(Biodiversity Data Architecture)[15],仍採用傳統之資料庫管理系統(DBMS)架構,將 Web GIS 仍視為外部網頁服務(External Web Service),未來才會考慮將 Web GIS 納入架構之中。雖然 GBIF 未來才會考慮將 Web GIS 納入架構之中,然而 Web GIS 是建立共同合作的 GIS 方法很好的解決方案,Web GIS 仍然也是 未來發展的趨勢,因此,本計畫在探討 CWGIS 架構時,仍必須考慮 Web-based CWGIS。本計畫探討如何運用以 WebGIS 為基礎(Web-based)之 CWGIS,建 立討論的架構及程序、評估準則、將知識與資料整合並建立一致性等要素。

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Web-based CWGIS 可提供一個全新的合作機制來支援空間資訊管理與全盤 的生物多樣性規劃。

WebGIS 是結合 INTERTNET 來擴展 GIS 功能的新技術,人們透過 WebGIS 所提供的基本概念、設計原理、功能特點…等,滿足使用者本身不 同的需求,進行與地理資訊系統相關的處理及分析工作。如今 GIS 已可輕 易地在個人電腦上執行,因此,GIS 是因應電腦系統的進步與發展而生。但 由於網際網路的蓬勃發展,各 GIS 產品製造商也致力於開發 Web-based 的 相關性產品,電子地圖才能走向大眾化普及化。目前已有許多 GIS 廠商推 出 Internet 上 GIS 的方案,使用者只要透過網際網路瀏覽器,就能獲得豐富 的空間資訊。 本計畫所規劃發展的 CWGIS 背景圖資主要以影像資料為主,相對而 言,影像資料量的規模遠大於物種資料庫,故對目前國內外發展 WebGIS 技 術所面臨的困難與挑戰,將著重於大型網際網路影像空間資料管理系統的設 計與所需關鍵技術作深入探討。最後,本計畫依據分析結果提出一個可應用 於網際網路環境且具溼地基本圖展示、溼地物種調查資料建檔、物種分布時 空變遷分析等功能的 CWGIS。

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三、 研究架構 本計畫之研究架構(架構圖如圖二)主要以建置「GIS 時空資料模型」與 「CWGIS 空間資料庫」為核心,下能容納影像、向量等基本空間資料,上能支 持 CWGIS 之發展,提供建立生物物種基本資料庫與野外現場調查資料,以作為 台灣地區海岸溼地生物多樣性之基礎。 CWGIS 空間資料庫依據本計畫規劃之「GIS 時空資料模型」為基礎,其內 容以內政部國土基本資訊系統基本圖資及台灣沿岸溼地航測相片影像資料庫為 主要內容,未來並可整合溼地空間環境資訊,如海岸線(高潮線)、等高(深)線、 地形坡度、河川水質、河口附近防災構造物(防波堤、海堤、離岸堤、消波塊等), (地下水高度)、(植被)等向量圖檔資料;內政部營建署環境敏感地網格資料;以 及沿岸溼地鄰近氣象站氣溫、風速、日照、濕度等環境觀測資料。並可將以航測 或遙測之多光譜(Multi-Spectral)影像所辨識之「溼地範圍邊界線」與「溼地範圍 內地物分類」結果,作為溼地範圍變遷分析之參考指標。 為使 CWGIS 系統充分提供溼地重要性與熱點參考評估功能,本計畫採用網 路資料庫技術,建構基本圖資、植物、昆蟲與動物四大基本資料庫。在規劃植物、 昆蟲與動物資料庫的欄位時,除包括各物種的基本屬性資料外,還必須包括現場 調查採樣的環境資訊,包括採樣 GPS 坐標、物種(species)、數量、物種豐富度 (specie abundance)、採樣時之環境資訊(可能包含:鹽度或導電度、氣溫、土壤溫 度、風速、日照、濕度、土壤鹽度、有機碳、粒度等)、特有種或瀕臨絕種等分 類、生物特性敘述、物種照片等資訊,以便於將資料與地理資訊系基本圖資整合, 並提供相關空間分析參考運用。 CWGIS 系統分為以 ArcGIS 為核心之「桌上型海岸溼地地理資訊系統 (Desktop CWGIS)」與以 INET Map Server 為核心之「網際網路海岸溼地地理資 訊系統(Web-based CWGIS)」。CWGIS 共計建立淡水河挖子尾、高屏溪口、頭 前溪口(新竹香山)、後龍溪口(苗栗後龍)、大甲溪口(高美)、大肚溪口(伸港)、朴 子溪口(鰲鼓)、八掌溪口(北門)、曾文溪口(七股)、永安溼地、蘭陽溪口、無尾港 等十二處海岸溼地基本圖與航空相片影像之空間資料庫。CWGIS 系統可供海岸 溼地生物多樣性研究輸入現場調查,並可匯入國內生物多樣性研究中心之物種基 本資料。目前已輸入海岸溼地植植物、海洋節肢及非節肢底棲動物、陸域脊椎及 無脊椎動物,提供海岸溼地生物多樣性研究所需共同平台。

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四、 研究步驟 本計畫研究步驟包含「溼地範圍之辨識與地物分類方法之研究」、「CWGIS 空 間及物種資料庫建置」與「CWGIS 系統設計與應用」三大部份: (一) 溼地範圍之辨識與地物分類方法之研究 首先分析目前遙感探測技術與可供使用的影像來源,接著討論遙感探測 影像處理方法,最後討論使用 GIS 與遙感探測技術,進行溼地範圍辨識與 溼地資源分類的方法。 1. 遙感探測影像評估 所謂遙感探測是指利用衛星或飛機從空中探測地球表面上的地形 地物,為科技先進國家所開發的一項新技術,此技術利用不同電磁頻譜 特性來提供覆蓋地球表面上各個區域的資訊,目前所能提供的影像分為 兩大類: (1) 光學影像(Optical Image): 光學影像成像原理是遙感探測技術所探測之目標物,經由太陽 照射所反射的電磁頻譜,經由光學感測系統成像,是一種屬於被動 式的遙感探測,其頻譜特性範圍包含可見光、紅外線等。光學影像 之優點為與人眼所視類似或利用紅外線蒐集人眼不可見之有用資 訊,而缺點為成像易受雲層天候所影響。

(2) 合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar;SAR):

光學影像成像原理是利用雷達對探測目標地區發出電磁波能 量,再接收目標物反射回來的回波而成像,是屬於主動式的探測方 式。其優點是成像不受雲層及日夜之影響,惟目前其影像解析度較 差。 遙感探測技術之對地觀測攝像,最主要應用於地表資料之蒐集、資 源探勘、環境監測及製圖應用等。其中對水體之探測與應用,目前已在 水文物理的定量分析、水域(河流、湖泊)歷史變遷、河口三角洲的變化、 海岸帶和海洋等許多方面,應用衛星遙測方法來進行相關的研究、應用 與監測,其中主要包括水資源探測與洪水災害監測。另外,對海圖之測 繪而言亦提供一項重要的新技術,例如多光譜影像可提供極為經濟且快 速之近岸水深測量(林奕翔,2000),高解析之全色影像及紅外影像之

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融合應用可提供極為明確之岸線資訊,當然更包括其他相關之加值應 用,諸如岸線變遷、潮間帶地形及海岸帶資源調查等重要資訊。

遙感探測在空間解像力的發展,已從數年前的 30 公尺解析度等級 的大地資源衛星(LANDSAT)、6.25 公尺解析度的法國 SPOT-2 衛星,立 即提升到原來間諜衛星等級才具備的小於 1 公尺解析度的高解析度衛 星,如 IKONOS、Quick Bird 與 Earth Watch 等商用衛星。這些高解析 衛星影像幾乎與航空攝影測量相片相差不遠,提供了非常有效掌握自然 資源的工具,惟因其使用情形非常熱門,故影像常需半年至九個月以前 時間訂購才能獲得,在研究價值上大受影響。 所幸,福爾摩沙二號衛星(原中華衛星二號 ROCSAT-2),已於 2004 年 5 月 21 日成功發射,於 2004 年 6 月 4 日首度開機取像。福爾摩沙二 號衛星是一顆遙測衛星,目前在每日繞地 14 圈的圓形太陽同步軌道上 執行任務,高度 891 公里、傾角 99.1 度。衛星配備遙測影像儀(Remote Sensing Instrument, RSI),主要任務為每天對台灣及附近海域取像。RSI 將提供解析度 2 公尺的黑白影像及解析度 8 公尺的彩色影像。福爾摩沙 二號衛星預計任務期五年,每日上午十點鐘左右通過台灣,對於觀測日 變化的現象非常有用,例如災害調查、環境監測、及作物普查等。

圖三 艾利颱風後台灣北部地區的華衛二號衛星影像 (資料來源︰中央大學太遙中心網站)

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運用福爾摩沙二號衛星多光譜(紅、藍、綠與近紅外)衛星影像可用 於分析與監測溼地淹沒範圍變化,亦可對溼地陸地涵蓋區域進行分類, 如計算溼地植被指標(Vegetation Index)、地物分類等資訊。經過加註地 理坐標的影像分類結果,可整合於 CWGIS 系統內,並生產沿海溼地基 本圖(圖四),作為溼地各項生物多樣性研究的起點。 圖四、編製完成之台灣沿岸溼地範圍基本圖。圖中顯示八掌溪口溼地範圍。 2. 遙測影像處理 衛星遙測所攝取影像之處理,基本上可分成兩個層面,其一為輻射 性處理(Radiometric Processing),係針對影像灰度值(Gray Value)進行相 關之運算,如影像加強(Image Enhancement)、色彩融合(color Fusion)… 等。另一則為幾何處理(Geometric Processing),係以不同的演算法則完 成因攝像時諸多因素對影像造成之幾何變形(Geometric Distortion)改正 或 進 行 特 徵 萃 取 (Feature Extraction) , 如 影 像 之 正 射 化 糾 正 (Ortho-Rectified)、地形高程資料(DTM)之產生…等。一般而言,就資料 之使用目的而言,利用影像融合(Image Fusion)技術來提升影像色彩之

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品質;利用正射糾正方法來提升影像之幾何正確性,此二項工作為遙測 影像製圖應用中之核心工作。 光學式衛星對地觀測之攝影,其特色為可分別拍攝多光譜態影像及 全色態影像,其中全色態影像具有較高的地面解析度,但僅有一個波 段,換言之,僅能呈現黑白色調。多光譜態影像雖具有紅、綠、藍可見 光及紅外線波段,但其地面解析度較差(約為全色態影像之 4 倍),例如 目前新一代高解像度衛星 IKONOS 與 QuickBird 或福衛二號均屬於此攝 像型態。 由於人眼視覺對於色彩之分辨能力遠超過黑白之灰階(Gray scale) 層次,亦即彩色影像較之黑白影像更能提供人眼視覺與判釋之效果,這 對許多遙測影像的應用具有極為重要之意義及目的。因此,利用影像融 合技術來製作高解析度之彩色影像成為遙測影像處理中之必要工作,可 藉 此 獲 取 更 佳 品 質 之 遙 測 影 像 , 例 如 IKONOS 之 全 色 態 銳 化 (Pan-Sharpen)等級之影像產品,即是將多光譜影像之色彩套合於同一地 區之全色態(Pan)影像而成。 要精確使用高解析度衛星影像,首要的工作當先解決影像之幾何校 正問題,否則因受到傾斜攝影與地形起伏影響將造成原始攝影影像之幾 何變形,因而無法作為類似地圖之量測目的使用,這將造成資料使用上 之不便與不準確。處理影像幾何變形的程序在製圖之術語上稱之為正射 影像糾正(Ortho Image Rectification),而進行影像正射化糾正程序則有 賴數值地形模型(Digital Terrain Model,DTM)資料之配合,以逐點修正 因地形起伏所產生之像點移位。 (1) 影像之融合處理 若要執行不同類型遙測影像融合,其先決條件為兩種影像必須 具有完全相同之幾何性質及影像尺寸(大小),必要時需進行前級處 理,包括必要之幾何糾正或影像放大處理等。影像融合處理之程序 如下: 1. 將低解析度多光譜影像之大小調整至與高解析度全色態影 像 Pan 相同,調整後之多光譜影像分別為 R、G、B 波段。 2. 將 R、G、B 波段影像選擇某一種色彩模型進行轉換計算。 3. 利用轉換後之亮度影像,將欲融合之全色態影像(Pan)予以 灰度值正規化。

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4. 以正規化後的全色態影像(Pan)取代色彩模型轉換後之亮度 影像(如 HIS 色彩模型之 I、YIQ 色彩模型之 Y 及 PKL 色彩 模型之 PKL1 等),並執行逆轉換成 RGB 顏色系統,各波段 分別為 R'、G'、B',此即為融合後之影像。 以 RGB-HIS 色彩模型轉換為例,其流程如圖五所示:

 I’

I’

 

R

G

B

I

H

S

I’

H

S

R’

G’

B

圖五 RGB-HIS 色彩模型流程圖 (2) 影像之簡易幾何校正 影像之幾何校正又稱為影像之正射化糾正處理,其目的在消除 原始攝影之影像受到傾斜攝影與地形起伏影響所造成之幾何變 形,糾正後影像才可作為量測應用之處理,如面積之計算等。校正 之方法得視精度之需求可採取簡易糾正及嚴密之糾正方式。 簡易之數學模式來進行影像之幾何校正,其中包括多項式模式 (Polynomial Model)轉換,有理函數模式(Rational Function Model, RFM)等,這些方法均是選擇均勻分佈及適當數目之控制點,藉以 推求轉換模式之係數後,以重新取樣方式完成影像之幾何校正。 使用多項式模式,進行影像糾正之基本原理為選擇適當階數之 多項式來調和(Fitting)所攝取之影像,基本上並不考慮高程之問 題,為屬於平面對平面之轉換,因此採用平面控制點,來推求所選 用多項式之係數,並藉以完成全區影像之轉換,該糾正方法之特點 為計算簡易而快速。

有理函數模式(Rational Function Model, RFM),則是為改善多 項式中未考慮高程的因素所提出。在多項式中加入控制點高程因

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子,且增加多項式之係數,並以有理多項式型式(即分子、分母均 為多項式),使模式能更適合於曲面(Surface)之糾正處理。 3. 多光譜海岸溼地範圍辨識與地物分類研究 GIS 與遙感探測技術的整合可提供溼地涵蓋範圍時空變化定量分 析的方法與許多寶貴的資訊,本計畫使用 GIS 與遙感探測技術從近紅 外光(NIR) 航測影像中分辨溼地部分淹沒或完全淹沒於水中的區域,並 將分界線標示於 GIS 系統內,以提供溼地涵蓋範圍時空變化定量分析 所需基本資訊。由於植被對 NIR 反射較強,使用包含 NIR 之多光譜影 像,可提供海岸溼地更清晰的植被圖像,如圖六中右圖紅色為 NIR 對 植被之反映較左圖中之綠色更為清晰。此外,使用多光譜遙測技術偵測 植物時,經常採用的植被指標為正規化差分植被指標(NDVI: Normalized Difference Vegetation Index ),其定義為近紅外光波段與紅光波段之差與 兩者之和的比值,NDVI 乃是利用植被對不同波段的表現特徵不同所定 義,使用圖六所計算的 NDVI 如圖七所示。

圖六 宜蘭附近溼地多光譜航測影像。

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圖七 使用圖六所計算的正規化差分植被指標(NDVI)。 GIS 與遙感探測技術的整合可提供溼地涵蓋範圍時空變化定量分 析的方法與許多寶貴的資訊,包括(John G. Lyon and Jack McCartby, 1995): (1)提供溼地範圍內所需的重要資訊, (2)協助溼地資源辨識為不同的資料型態, (3)溼地內陸地涵蓋區域分類, (4)分辨溼地部分淹沒或完全淹沒於水中的區域, (5)以多光譜遙測資料提供更多的資源細節。 首先,參照「美國地理測量土地利用與土地涵蓋分類系統(U.S. Geological Survey Land Use/Land Cover Classification System)」(圖八)、 「美國漁業與野生動物總署溼地分類系統(U.S. Fish and Wildlife Service Wetland Classification System)」(圖九)與「美國國家海洋大氣總署海岸 觀測土地涵蓋分類系統(NOAA Coast Watch Land Cover Classification System)NOAA Coast Watch Land Cover Classification System)」(圖十) 等標準(Jensen John R., 1996),可作為進行不同的資料型態資訊提取與 分類之依據。

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圖八 美國地理測量土地利用與土地涵蓋分類系統(U.S. Geological Survey Land Use/Land Cover Classification System) (Jensen John R., 1996)

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圖九、(一)「美國漁業與野生動物總署溼地分類系統(U.S. Fish and Wildlife Service Wetland Classification System)(Jensen John R., 1996)

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圖九、(二)「美國漁業與野生動物總署溼地分類系統中,各專有名詞所代表之意 義。

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圖十 美國國家海洋大氣總署海岸觀測土地涵蓋分類系統(NOAA Coast Watch Land Cover Classification System)NOAA Coast Watch Land Cover Classification

System) (Jensen John R., 1996)

使用多光譜之監督及非監督影像分類方法,取得分類影像,再進一 步使用分類影像歸納(Cluster Aggregation)法則,將判斷為同一類的地物 歸納在一起。使用非監督影像分類 ISODATA 方法對圖六所得初步分類 結果如圖十一。如需獲得更詳細的分類結果,必須有現場調查的地真 (ground truth)資料,配合監督式影像分類方法完成。

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圖十一、使用非監督影像分類 ISODATA 方法對圖六所得初步分類結果。 (二) 建立 CWGIS 空間及物種資料庫建置 1. 建立台灣沿岸溼地向量基本圖資 本計畫野外現場調查地點包括淡水河挖子尾、高屏溪口、頭前溪口 (新竹香山)、後龍溪口(苗栗後龍)、大甲溪口(高美)、大肚溪口(伸港)、 朴子溪口(鰲鼓)、八掌溪口(北門)、曾文溪口(七股)、永安溼地、蘭陽溪 口、無尾港等十二處。

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由於本計畫溼地涵蓋範圍分散於全省各縣市,若採用市面上之電子 地圖作為本計畫基本圖,需花費百萬元以上,為節樽經費且考慮航測影 像能提供較豐富之資訊,故由內政部國土基本資訊系統下載基本圖資, 作為台灣沿岸溼地向量基本圖資。圖資內容包括行政界線、建物、交通 系統、水系、公共事業網路、植被覆蓋、地貌等七種。惟其格式為 CAD 圖檔且其為台灣虎仔山座標系統,為與最新航測影像套疊且能提供野外 調查使用,必須轉換為內政部最新公布之國家基準 TWD97 與橫麥卡脫 二度分帶投影之 GIS 系統格式圖資後,才能提供 CWGIS 使用。 由於 CAD 圖檔轉換成 GIS 系統格式後會自動分為點、線、面、文 字四個圖層,因此每一幅圖就會產生 28 個圖層,十二處海岸溼地共計 涵蓋 18 幅二萬五千分一圖檔,將產生 504 個圖檔。因此,以 VB 設計 程式產生 ArcGIS 批次轉換命令檔,以 ArcGIS 系統進行 GIS 系統格式 轉換,將各溼地所有圖檔存入 ArcGIS 個人空間資料庫(MS Access)內; 再以 Arc Toolbox 進行座標系統基準面與橫麥卡脫二度分帶投影轉換; 再將各溼地超過一幅以上之二萬五千分一圖檔基本圖檔合併為一張 圖,並以溼地為單位,設定 28 個圖層的樣式,以作為 ArcGIS 版本之 CWGIS 基本圖資。

最後,再將 ArcGIS 圖檔轉換為 INET Map Server 之向量圖格式, 以作為 WebGIS 版本之 CWGIS 使用。整個轉換作業步驟與程序如圖十 二,轉換後的圖資如圖十三。

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圖十三 向量基本圖轉換結果 2. 建立台灣沿岸溼地航測影像資料庫 本計畫採購台灣沿岸溼地航測相片共計 70 幅,由於每幅航測影像 容量約為 380MB,為能提供 ArcGIS 系統使用,必須先將檔案壓縮成 Mr.SID 格式,每張影像經壓縮後檔案大小約為 20MB。 由於十二處遍佈全省,若直接將 70 幅影像加入 ArcGIS 專案中, ArcGIS 專案之目錄區將充滿影像圖檔名稱,雖可以溼地為單位將圖檔 群組,但在操作上也極不方便。採用 ArcGIS 系統之影像目錄(Raster Catalog) (如圖十四所示),可提供研究人員隨時調閱任何一處海岸溼地 之航測影像,並依據內政部基本圖格式,設計溼地範圍基本圖。 航測影像資料庫內的每張影像,由於攝影成像時曝光條件不儘相 同,且航測學會在處理每張影像時,並未整體考量,故造成每張航測影 像色彩並不完全相同,在整合前仍須先作好色彩平衡(如圖十五),才 能放入 GIS 系統的影像目錄內。目前已完成 12 處海岸溼地區域性色彩 平衡,未來將研究大區域自動完成色彩平衡之演算法。完成各溼地航測

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影像色彩平衡後,由於檔案非常龐大,仍需先將檔案壓縮為 Mr.SID 格 式後,才能提供給 ArcGIS 使用。 圖十四編製完成之台灣沿岸溼地影像目錄。圖中顯示淡水河附近航 測影像目錄放大後的情形,目錄中被選取的影像(22-29)為淡水河流域的 八張航測影像,每一個方格代表 5000 分一基本圖的圖幅範圍。 圖十五 影像鑲嵌(調整影像接合處色差)

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3. 建立 CWGIS 影像空間資料庫 本計畫發展之 CWGIS 中雖然同時包括向量圖與影像圖,然因影像 圖來源比較新,且影像空間資料庫之難度較高,在此僅探討建立影像空 間資料庫所需考量之關鍵技術。近年來,影像空間資訊技術朝向多感測 器、高空間解析度、高光譜解析度與高時間解析度之發展,影像資料已 成為地理資料中之『巨量資料』,因此如何有效地管理這些大型的影像 資料,使之能夠為我國的空間資料基礎設施,是一個值得深入研究的問 題。 有關巨量影像資料庫的研究從 20 世紀 80 年代末開始已初見端倪, 到 21 世紀初,已有若干初步成果,也推出了一些巨量影像資料庫管理 系統,如國外 ERDAS 公司的 Image Catalog、ERSI 公司的 ArcSDE 網 格資料管理模組,而 ERSI 公司的 ArcIMS 為其中主要的代表。然就實 際應用觀點而言,目前市場的地理資訊系統與空間資料庫仍無法有效儲 存、管理、展示大型且巨量的影像資料,不易在網路上展示巨量的影像 資料,也難以在網路上以有限的頻寬展示大型三維立體化影像。 隨著目前影像空間資料獲取快速成長,如何設計滿足「在網路上可 展現或即時瀏覽大型的三維影像資料」之需求,為目前對影像空間資料 管理系統所面臨的一項挑戰。 作為一個以影像資料管理為核心內容的大型巨量無縫影像資料庫 管理系統,應該滿足以下一些需求:必須滿足多解析度的特性,即支援 多解析度影像金字塔的結構;必須具有高效的空間索引和空間查詢特 性,能夠整合化地管理多種資料源,同時高效地管理影像資料的詮釋資 料;必須考慮商用資料庫的支援,所能管理的影像資料量必須是巨量 的,應該達到 TB (1TB =106M) 等級;採用有效的壓縮演算法對資料進 行壓縮,從資料視覺化的角度上講,應該以零延遲作為系統追求的目標。 針對以上的資料管理要求,系統設計應該採用以下的原則。 (1) 資料的獨立性和共用原則:資料的獨立性是指要管理的資料與 應用程式之間是分離的,這樣就使得同樣的資料可以被不同的 應用程式使用。共用原則是指對資料的存儲和管理不依賴於某 個特定的軟體系統,從而提高資料存儲和管理的可操作性和延 續性。 (2) 開放性原則:開放性原則主要包括資料的開放性和系統的開放 性。資料的開放性原則是指系統可以讀取多種影像資料格式;

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系統的開放性是考慮到系統的統一性和實施的可操作性,要使 各級系統既相互聯繫又相對獨立,才能保證系統具有良好的開 放性。 (3) 資料庫的可擴展性原則:由於影像資料生產的週期一般來說比 較長,隨著新資料來源的出現和使用者需求的增加,資料庫中 所包含的資料種類可能還會增加,因此就要求系統具有一定的 可擴充性。當增加新種類的資料時,系統只要在原來的基礎上 增加一個對新資料的管理模組和若干資料庫表格後,就可達到 對新資料的存儲和管理的功能擴充。 (4) 資料檢索和管理的高效性原則:資料管理和檢索是影像資料管 理的核心,因此,如何有效率地實作出符合「知道在什麼地方 有什麼資料,且能迅速抓取資料並加工成使用者所需的結果」 目標的影像空間資料庫檢索功能,是設計系統時考慮的一個主 要因素。 4. 建立生物物種基本資料庫 為使參與其他子計畫教授分享本計畫地理資訊系統內資料庫系 統,本計畫目前已完成分散式資料庫規劃與設計工作,目前正進行初步 測試工作,各資料庫可透過瀏覽器進行資料查詢更新作業,並以 XML 作為資料交換檔案,然各計畫初步仍以 MS Excel 檔提供本計畫建檔使 用。目前,已經完成的生物物種基本資料庫內計有植物名錄、多毛類海 蟲、軟體動物類與節肢動物類等四種資料表。 5. 建立海岸溼地物種野外調查資料庫 本計畫將其他子計畫教授提供之野外現場調查資料,由 MS Excel 檔轉換為 MS Access 資料表,並將結果與 ArcGIS 系統整合。 以植物部份為例共計完成淡水河挖子尾、高屏溪口、大甲溪口(高 美)、大肚溪口(伸港)、朴子溪口(鰲鼓)、八掌溪口(北門)、曾文溪口(七 股)、永安溼地、蘭陽溪口、無尾港等十處海岸溼地物種野外調查資料 庫,共設置 112 個樣區,紀錄植物物種 44 科 158 種,其中蕨類植物 3 科 3 種,雙子葉植物 31 科 92 種,單子葉植物 10 科 63 種。

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以八掌溪口為例,共計設置 9 個樣區,各樣區內之主要植物物種與 分佈面積及樣區位置圖如圖十六。

圖十六 八掌溪口主要植物物種分佈面積及樣區位置圖。

(三) CWGIS 系統設計與應用

1. 規劃設計 Desktop CWGIS 系統

桌上型海岸溼地地理資訊系統(Desktop CWGIS)以 ArcGIS 為核 心,圖資內容包括由內政部國土基本資訊系統下載各溼地基本圖資,基 本圖資為 MS Access 資料格式之 ArcGIS 個人空間資料庫(Personal Geodatabase)。影像資料包括各溼地完成色彩平衡與壓縮為 Mr.SID 格式 之航測影像,兩種空間資料之座標系統為內政部最新公布之 TWD97 國 家基準與橫麥卡脫二度分帶投影。 Desktop CWGIS 系統主要目的在提供計畫內研究人員現場調查、資 料整合所需的圖資與分析工具。本計畫完成之海岸溼地基本圖已提供高 屏溪河口與挖子尾溼地現場調查使用(圖十七與圖十八)。並將海岸溼 地其他計畫之資料加入系統中。

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圖十七 Desktop CWGIS 系統提供高屏溪河口溼地現場調查使用情形。

圖十八 Desktop CWGIS 系統提供挖子尾溼地現場調查使用情形。 2. 規劃設計 Web-Based CWGIS 系統

本計畫已將案內向量圖資與航測影像運用 INet MapServer 軟體建 構基於 Web GIS 技術的 CWGIS。各溼地經色彩平衡後之航測影像,經

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轉換為 INet MapServer 之 IIF 格式後,其檔案大小為 2GB,使用 INet Viewer for Map 流覽器元件,可透過網際網路在流覽器中快速縮放、平 移,經實際同步測試,比 Desktop CWGIS 速度還快(圖十九)。

大型地圖伺服器 INet Map Server 是由國內藏識科技公司自行開發 的產品,為 Web-based 之圖像管理軟體系統,可將大型影像(TIF)藉由所 提供工具轉換成 HIF 或 IIF 檔案格式,並將常見的 GIS 向量圖檔 (SHP、MIF 或 DWG)轉換成 IMF 檔案格式,將向量圖檔和影像圖檔套 疊,搭配向量圖檔參考的符號庫,呈現在客戶端(client)網頁或應用程式 所崁入的元件畫面上,INet Map Server 客戶端是以 ActiveX 技術設計成 元件,因此可讓程式開發人員自由嵌入網頁或開發軟體中,快速強化網 頁或軟體功能,縮短軟體開發時程,節省大量的時間與人力。 此外,透過自行研發的圖形運算引擎,可快速回應使用者在客戶端 開啟大型影像和向量圖檔的一切動作,如放大、縮小、局部放大…等等 圖形重置動作,皆只須短短數秒鐘時間,徹底解決以往限於網路頻寬太 小而無法在網上即時觀看大容量影像圖檔的問題,更包含對於向量圖層 的開啟、關閉、屬性查詢、搜尋…等功能。藉由 INet Map Server 元件 提供的函數,更可讓程式開發人員靈活的運用和操控元件,開發出強大 的應用程式,因此,INet Map Server 可說是為考慮設計人員的方便性而 專門設計的。

INet Viewer for MAP 是一組將地理資料在網際網路上展示運用的 工具,它不只是網際網路地圖伺服器(Internet Map Server, IMS),更是網 路上的地理資訊系統,能即時處理空間資訊與地理資料相關的分析,並 即時提供資訊給企業內部的員工、政府相關部門、甚至全球相關的人使 用。INet Viewer for Map 完整的資料整合能力、高效率的資訊展示、與 強大且多彈性的分析功能,能快速的將使用者所希望的空間資訊及地理 資料提供給需要的人使用。

INetViewer for Map 能將所有資料整合,並於網路上使用(包括 3D 功能),系統設計開發之初即以 ADSL 512K 為使用頻寬考量,並針對 所有影像、地理或空間資料特性,研發出最佳化之壓縮演算法與傳輸協 定,客戶端並具有高效率的快取機制,每次重繪只需從伺服器端取得客 戶端所欠缺的資料,當快取資料增多時,其有一最佳化的演算法自動偵 測並決定那些無用或使用率較低之資料將從快取中移除,以避免占用過 多的記憶體。INet Viewer for Map 採用標準的 TCP/IP 傳輸協定,對於 傳輸的資料皆經過編碼與加密處理,以防止不法者從中盜取傳輸資料, 確保系統與資料之安全。

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採用 Web-based GIS 系統的好處是可以網際網路為發展平台,參與 其他子計畫的教授,將可在本系統內申請帳號,並實際需求依據其 IP 位置管制,可共同使用研究計畫內的基本圖資與資料庫。

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五、結果討論 1. CWGIS 圖資內容需求 CWGIS 內究竟需要哪些圖資,才足夠生物多樣性研究所需的圖資 呢?本計畫除了探討目前較容易獲得的航測影像、內政部國土資訊系統 內之基本圖外,亦分析了福衛二號遙測影像是國人自主的衛星影像來 源,惟其圖資受天候影像較大。 雖然本計畫已經採購最新之航測影像來劃定各溼地之範圍圖,然航 空相片僅提供視覺化分析處理,目前航空攝影測量已經開始研究使用數 位攝影機拍攝且包括 NIR 波段,故研究以數位影像處理已經不侷限於 衛星影像。 2. CWGIS 系統發展功能需求 除了本計畫提出「溼地範圍變遷展示與分析」、「物種分布時空分布 資料建檔、展示與分析」與「以 WebGIS 為基礎之 CWGIS 作為共同合 作的平台」等構想之外,CWGIS 系統發展功能究竟需要哪些功能,才 能滿足生物多樣性研究所需的資訊系統呢? 3. 航測影像色彩平衡 航測影像資料庫內的影像,由於每張影像的色彩不相同,在整合前 仍須先作好色彩平衡,才能放入 GIS 系統的影像目錄內,目前已完成 區域性色彩平衡(如圖四所示),未來將研究大區域自動完成色彩平衡 之演算法。

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六、參考文獻 英文部分:

1. Aspinall, R.J., 1995, Geographic information systems: their use for environmental management and natural conservation, Parks, 5: 20-31.

2. Balram, S, Suzana, DE, Dragicevic, S, A collaborative GIS method for integrating local and technical knowledge in establishing biodiversity conservation priorities, 2004 June

3. Davis, F.W., D.M. Stoms, J.E. Estes, J. Scepan and J.M. Scott, 1990, An information systems approach to the preservation of biological diversity, International Journal of Geographic Informations, 4: 55-78.

4. Global Biodiversity Information Facility(GBIF), http://www.gbif.org/ 5. GBIF, 2003, GBIF Biodiversity Data Architecture (draft), version 0.7.

6. Jensen John R., 1996. Introductory Digital Image Processing: A Remote Sensing Perspective. 2nd Ed. Prentice Hall series in geographic information science. New Jersey.

7. Ji, Wei and James B. Johnston, 1995, Coastal ecosystem decision-support GIS: functions and methodology, Marine Geodesy, 18:229-241.

8. Jones, PG, Beebe, SE, Tohme, J, Galwey, NW The use of geographical information systems in biodiversity exploration and conservation, 1997 July 9. Lei, FM, Qu, YH, Tang, QQ, An, SC, Priorities for the conservation of avian

biodiversity in China based on the distribution patterns of endemic bird genera, 2003 Dec

10. Salem, B.B., 2003, Application of GIS to biodiversity monitoring, Journal of Arid Environment, 54:91-114.

11. Scott, J.M., F. Davis, B. Csuti, R. Noss, G.C. Anderson etc., 1993, Gap Analysis: a geographic approach to conservation of biological diversity, Wildlife Monographs, 123:1-41.

12. Scott, J.M., T.H. Tear, F.W. Davis, 1996, Gap analysis: A landscape approach to biodiversity planning, American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, Maryland, USA.

13. Tsontos, V.M., D.A. Kiefer, 2000, Development of a dynamic biogeographic information system for the Gulf of Maine, Oceanography, 13(3): 25-30.

14. Tsontos, V.M., D.A. Kiefer, 2003, The Gulf of Maine biogeographical information system project: developing a spatial data management framework in support of OBIS, Oceanologica Acta, 25: 199–206

15. Walker, P. and D.P. Faith, 1993, Diversity: a software package for sampling phylogenetic and environmental diversity, Division of Wildlife and Ecology,

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Australia, CSIRO 中文部分: 1. 中央研究院生物多樣性研究中心推動小組,http://biodiv.sinica.edu.tw/. 2. 中華名國行政院,2001,生物多樣性推動方案. 3. 台灣大學生物多樣性研究中心,http://bc.zo.ntu.edu.tw/. 4. 台灣生物多樣性資訊網,http://taibnet.sinica.edu.tw/home.htm. 5. 林奕翔,高解析衛星影像之空間定位精度分析及其在淺水深度量測之應用, 國立中山大學/海洋環境及工程學系研究所碩士論文,中華民國八十九年七 月 6. 馬國鼎,模糊集理論應用於箱網養殖場址評選之研究,國立中山大學海洋環 境及工程研究所碩士論文,中華民國八十九年七月. 7. 張晉瑞,應用模糊理論與地理資訊系統探討海底沉積物粒徑分佈與地形關 係,國立中山大學海洋環境及工程研究所碩士論文,中華民國八十六年七月. 8. 藍文彥,海岸地理資訊系統之先期研究-與海岸地形變化模式整合為例,國 立中山大學海洋環境及工程研究所碩士論文,中華民國八十五年六月. 9. 蔡培元,海洋地理資訊系統維度特性之研究,國立中山大學海洋環境及工程 研究所碩士論文,中華民國八十四年七月. 10. 魏克明,網際地理資料之交換與搜尋機制研究,國立中山大學海洋環境及工 程研究所碩士論文,中華民國九十一年七月. 11. 陳熙傑,環境模式與地理資訊系統之整合---以近岸海域水質指標為例,國立 中山大學海洋環境及工程研究所碩士論文,中華民國八十四年七月. 12. 陳泰弘,以多視景虛擬實境建立網際三維地理資訊系統之研究,國立中山大 學海洋環境及工程研究所碩士論文,中華民國九十年七月.

數據

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參考文獻