地理课本_地理资讯系统

第5 章地理信息系统
学习目标
●能了解地理信息系统的组成与功能
●能了解地理信息的单元格式
●能了解地理信息系统在生活应用的潜力
●能运用地理信息系统查询或展示地理信息
1960 年代，当计算机科技逐渐成熟并普及到不同领域，加拿大土地管理局率先使用计算机来管理及维护大量的地图，并建置全世界第一套地理信息系统
（Geographic Information System, GIS）。

过去50 年间，GIS 的功能与应用发展快速，带动广泛应用，也带来庞大商机。

有鉴于日益成长的需求与发展潜力，美国劳工部在2006 年认定地理信息科技为三大新兴产业之一，和生物科技及奈米科技齐名。

能了解并应用GIS，是现代公民应该具备的素养。

▲照片5-1GIS 生活应用：高雄公交车智能型站牌
第一节地理信息系统内涵与结构
一地理信息系统介绍
地理信息系统，是一套用来搜集、储存、处理、分析、展示各种形式地理信息的系统。

为了提供这些功能，一套完整的GIS 必须要具备计算机硬件、软件系统、数值数据库和操作维护人员。

早年推出的GIS 通常是针对特定单位量身制作，系统价格非常昂贵。

1980 年代，商业化的GIS 软件逐渐推出，一般学校及民间单位开始有能力购买。

近十年来，信息网络的发展带来网络GIS 的服务，使得一般网络大众也可取得相关服务。

目前GIS 已经深入一般人的生活（照片5-1），日常食衣住行活动或多或少都藉助于GIS的服务。

延伸学习
GIS 的一天
小哲是一个高一学生，才刚开始在学习GIS。

虽然对他而言，GIS 还是非常陌生的事物，然而GIS 其实早就存在他的生活中。

虽然小哲并未察觉，然而他一天生活中的许多事物是和GIS 有关。

在讲究效率和服务质量的时代，愈来愈多的政府部门和企业使用GIS 来辅助业务进行。

二数据储存方式
传统地图中的各种资料是以点、线、面符号来表示。

在GIS 中，各种数据是以图层（map layer）的方式来储存。

目前的GIS 中，这些图层的储存方式主要有两种：向量式（vector）和网格式（raster）（图5-1）。

▲图5-1向量式与网格式结构示意图。

向量式：点线面都是由点组成，每个点都有明确坐标。

网格式：每一个网格只记录属性数据，坐标则隐含在网格顺序中，不需另外记录。

名词充电
网格分辨率
分辨率一词原是用于表示影像的详细程度或可辨识的最小长度。

在网格式数据中则是以网格大小为指标。

分辨率愈高，表示网格边长愈小，所显示的现象也愈详细。

同样范围的网格数据，分辨率愈高，网格数量愈大。

□1向量式结构：从高空俯瞰大地，地面许多现象是一个个独立的对象，包括：点（如高压电塔、房屋）、线（如道路、河川）、或面（如公园、住宅区）。

这些点、线、面有明确的位置，并分别有其类别或数量，我们可以直接记录其坐标位置（空间数据），并利用表格记
录其名称、类型或数量（属性数据）。

这种方式直接记录点、线、面对象的空间位置和属性数据，称之为向量式结构。

为了管理和使用的方便，点、线、面数据必须分别储存成图层，所以GIS 数据库的图层常包括点、线或面等不同类别。

□2网格式结构：：有些地理现象是连绵不绝、平滑变化，如：地形高低起伏、气温分布、土地利用等。

针对这类像一张地毯式的地理现象，我们可以想象在地表上铺上一组网格，每一个网格都是均一的单元，分别以一个数值来记录其属性（如：地形高度、土壤肥沃度等）。

这种以网格为储存单元的方式，称为网格式结构，典型的网格数据报括：用来表现地形起伏的数值高程模型（DEM）、用以呈现地表覆盖性质的遥测卫星影像。

网格式数据的质量依据网格大小而有别。

网格愈小，代表数据分辨率愈高，所记录的数据愈详细丰富。

□3向量式与网格式的比较、选择：向量式与网格式的差别不只出现在数据建文件方法和单元格式上，数据处理和分析方法也不同，两者各有所长。

一般而言，向量式的优点是坐标记录精确，缺点是数据处理运算量大且费时。

网格式的优点则是数据结构单纯，数据处理与分析都非常容易。

选择数据单元格式时，主要考虑的是数据本身的特性。

以房屋、道路、公园、行政单位（县市、国家）而言，这类数据都是由独立对象所组成，且具有明确位置，适合使用向量式结构来储存。

至于具有连续、平滑特性的地理现象，如地形、气温、气压等，则不适合用向量结构表现。

简单言之，在传统纸张地图上以等值线（如等高线、等温线、等压线等）来表现的数据，皆属这类连续平滑的现象，适合以网格式结构储存（图5-5 ）。

▲图5-5兰屿地形图。

地图上的聚落、道路都有明确位置，是一个个独立的个体，以向量结构储存；连续的地形起伏则是全面性的分布现象，以网格式储存。

两者的本质不同，适合的表现方式也不一。

学生活动5-1向量式数据与网格式数据
在GIS 中，地理数据主要是以向量式与网格式等两种结构储存，两者各有其特性及适用功能。

请回答下列问题︰
1. 你认为地形数据与行政区域边界应该以何种结构储存？理由为何？
2. 将一纸张地图扫描所得的地图档案，应该是什么格式？扫描时所设定的分辨率对档案大小
和数据详细程度有何影响？
3. 三种不同分辨率的遥测卫星影像，每一网格大小边长分别为：1 公里、20 米、1 米。

请
问：
(1) 对于相同范围的地区，三种数据的网格数量比例将为多少？
(2) 每天天气报告的卫星云图，最有可能使用何种分辨率？
(3) 如果你在一张影像上可以看到高速公路和其上的车辆，则这张影像的分辨率最有可能
是何者？理由为何？
第二节GIS 的功能与应用
GIS 是支持解决地理问题的系统，例如：位置、状况、空间关系、路径、扩散、仿真等
空间问题，都可以藉助于GIS 的数据和分析功能，来提供决策所需的参考。

GIS 应用价值来自于广大的分析功能。

以下针对GIS 的主要功能及应用加以说明。

一资料搜集与管理
地理信息的数据源及格式非常多元，包括：数值地图、遥测卫星影像、扫描的图文件、野外调查的坐标档案等。

GIS提供地图投影、坐标转换和整合的功能，汇整不同形式、比例尺、时间的地图，让不同来源的地图得以整合到同一个数据库，有利后续的使用与分析。

透过地理信息系统的整合功能，行政区域的统计数据表单（table）可以转变成图层，例如：将乡镇人口统计数据与行政区的空间资料整合，可产生乡镇人口分布图层，便于使用GIS 进行人口地图绘制、人口分布空间分析等。

在野外调查后，也可以将所记录的空间坐标及属性数据输入GIS，产生新的图层。

二查询
▲图5-8利用GIS数据库查询2000年台中市距离车笼埔断层带5公里内的高中。

三展示
GIS可以利用点、线、面符号绘制普通地图，也可以绘制许多形式的主题地图。

除了平面纸张地图的绘制之外，GIS 更提供多元的展示功能，包括3D立体图、交互式地图、模拟飞行动画等。

四空间分析
计算机的进步让GIS拥有强大的计算与分析功能，而这也是地理信息系统和传统地图的
最大差异。

GIS主要的分析功能如下：
□1环域分析︰以点、线、面的空间单元为中心，划出一定距离内的区域，用以显示一个现象的影响范围（图5-10）。

例如：道路沿线10米范围内，容易受到噪音和空气污染影响的范围；垃圾焚化炉方圆1公里内的居民人数有多少？
▲图5-10点、线、面环域示意图
□2迭图分析︰将比例尺与坐标系统相同的图层套迭，可以产生一个整合的新图层（图5-11）。

这项功能常用来进行区位的选择、或探讨不同因子间的关系。

此外，藉由某一地理现象不同时间地图数据的迭图分析，亦能了解其在特定时期内的变迁状况。

▲图5-11迭图分析示意图。

迭图分析的方式是将不同数据图层进行套迭。

延伸学习
迭图功能
迭图功能可以用在网格式和向量式图层，其套迭方式有多种选择，最常用的是“且（AND）”及“或（OR）”这两种布尔运算。

“且”是将找出符合所有条件的地区即交集；“或”是将符合其中任何一项条件的地区合并到整合的
结果上（图5-12）。

▲图5-12迭图方式示意图
□3路网分析︰利用道路网络，可以分析两地点之间的最短路径，或是加入如车流量等其他条件后，分析出的最佳路径（图5-13）；路网分析也可以做服务范围之分区规划。

例如：可以应用在校车的行驶路线规划、消防队选址及任务区划分等。

▲图5-13路网分析示意图。

依据设定条件不同，GIS 可以自动找到最佳、最短或最快路径。

□4地势分析︰利用网格格式储存的地形资料，GIS 可以计算坡度、坡向（图5-14），或进行视域分析、集水区边界划分等。

地势分析是GIS 软件处理网格式数据的主要功能之一，针对地形数据有非常良好的仿真及展示功能（图5-15）。

而本书第三章介绍利用地形高度
进行视域分析的功能，也是网格GIS 的基本功能。

▲图5-14美国 圣海伦斯火山 ○1坡度、○2黑白晕渲、○3坡向、○4分层设色图
▲图5-15假设受全球暖化影响，海水面上升6 米，可能淹没的区域。

延伸学习
GIS 应用范例─垃圾掩埋场选址
依据相关法令，垃圾掩埋场不得设于：
1. 水质水量保护区400 米内。

2. 断层100 米内。

3. 住宅区150 米内。

根据上述三项条件，我们使用GIS 的环域功能，利用河川、断层线、聚落分布，分别划出上述的三项范围。

再利用迭图功能以OR的方式套迭，得到这一带所有不得设置垃圾掩埋场的地区。

以OR 迭图结果产生的色块部分，是上述三种条件的联集，为不可设置之范围，其余的白色部分则为可设置掩
埋场的区域。

学生活动5-2认识GIS 分析功能
请依据你对GIS 功能的了解，就下列各种不同地理研究主题，选出最恰当的分析功能。

1. 道路两侧的噪音影响范围。

2. 分析台南地区的海岸变迁。

3. 规划一个最好的校车行驶路线。

4. 预测海水面上升1 米时的淹水范围。

5. 找出一家电影院附近500 米内的餐厅及停车场。

统整大挑战2路线规划、迭图与环域分析
一、概念
1. 路网分析：最基本的数据是交通路网，整个分析的过程属于比较进阶的软件分析。

2. 迭图分析：将不同主题或是不同绘制时间的图，经过比例尺与坐标系统转换后，套迭
在一起。

3. 环域分析：将某一点（或线／面）数据具相同特定距离的范围，产生一个新的图层。

由于分析方法在软件操作上较为复杂，为了让大家简单了解这些分析功能，以下即以网络电子地图所提供、简单易操作的方法让同学们体验一下：。