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無處不在的空間資訊:三S空間資訊系統

婦人連人帶車遭歹徒綁架,車行途中大批警騎掩至,歹徒束手就擒。警察能有這麼高的效率,所借助的就是GPS系統,本文讓您一窺以上場景的個中奧妙。
 
 
 
何謂空間資訊

我身在何處?往圖書館怎麼走?附近有什麼店可以提供午餐?在一個陌生的環境中,我們往往會遇到類似的問題,也會用各種不同的方法獲得答案。通常是問路,再來就是找相關的地圖,如果能從圖上找到自己所在位置,便可知道目的地離自己多遠、在哪一個方向,或目的地附近有何種設施等資訊。

美中不足的是,這樣的地圖要靠一些用圖人的法則加以配合,例如由鄰近建物或道路名稱知道自己所在位置、自己面對的方位與圖上方位是否相同等,方能發揮效果。此外,圖上不一定會提供更詳細的資料如餐廳位置、營業時間、菜色、價格等,用圖人要進一步了解後,才能作為決策的基礎,這樣的資訊對於用圖人在下達決策時幫助不大。

空間資訊系統的建構,就是要塑造一個最符合人類思考模式的資訊整合應用方法與環境,包括資料產生、擷取、處理、傳播、呈像與使用方式的改變等,同時提供針對空間資訊處理的專屬資料架構、軟體模組(用來分析與處理空間資訊)、使用界面和表示界面。前述資料架構包含由投影座標形式表現的點、線、面等空間(位址)資料,以及描述空間資訊特徵或量化的屬性(統計)資料二大部分,如消防栓資料庫、分布點及相關描述等。

所有針對空間資料進行處理、應用、分析的系統,均可稱為地理資訊系統(geographic information system, GIS)。它可以將空間與屬性兩種資料,利用圖形界面進行鏈結,也可以將不同屬性圖層套疊,更可以將數位化資訊轉成圖形化,進行統計分析,甚至可以模擬預估作為使用者決策時的參考。因此,地理資訊系統是展示空間資料的一種工具,但是系統功能的完整性仍取決於資料本身的精確度。

完整的空間資訊是採用全球定位系統(global positioning system, GPS)定位,結合遙測(remote sensing, RS)取得現況,再加上地理資訊系統(GIS)展示資訊,三者的結合已成為現今應用最廣,也最為人熟知的三S空間資訊處理技術。

GPS與空間資訊

GPS是在一九七○年代中期,美國為了國防用途而發展出來的定位導航衛星系統,它是一個以24~28顆衛星為基礎的無線電導航系統。第一顆GPS衛星於一九七八年發射,直到第24顆衛星在一九九三年進入太空軌道運行後,全球定位系統才發揮其初步功能。到了一九九五年所有第一代初期測試用衛星,均已更換為第二代量產型衛星後,此一系統的功能才完全發揮出來,距離構想的推出已經過了二十幾年的時間了。

GPS衛星部署在離地面約二萬公里上空近似圓形的軌道上,大約12小時繞行地球一圈。採用高空近圓形軌道的目的,在於增加衛星的地面可視範圍,以及達到全球均勻覆蓋率,使得在地球表面上的任何角落,均能隨時收到至少四顆GPS衛星的訊號。

目前有27顆GPS衛星在地球上空持續發出頻率為1575.42及1227.6百萬赫玆(MHz)的無線電訊號,任何人只要有一部萬元左右的訊號接收儀,在全世界任何一個訊號不被樹、建物遮蔽的地方,都可以馬上知道自己所在的位置,精度約在10~20公尺之間。定位的原理在於GPS衛星所發的訊號可以告訴接收儀,發射這個訊號的衛星當時的位置與時間,當接收儀同時接收到四個(含)以上GPS衛星訊號時,就可以定出接收儀所在的位置了。

GPS訊號的特定排列方式大略可分為編碼與相位兩種,它們都可以傳遞不同的資訊給使用者。當由衛星傳下來的訊號與接收儀自行產生的訊號相比時,可以得到由特定衛星到接收儀的時差,時差乘上光速即得到衛星到接收儀的距離,利用多個已知距離就可以交會出一個地球表面點的位置座標值,此法稱為後方交會法。

在GPS快速、精確的定位功能,以及價格又相當平民化的利基下,它已被大量應用在個人、車輛、飛機、船舶等動態物體上,用來解決「我在哪裡?」的問題。由於位置參數可以快速取得、電腦普及化、程式功能快速發展,加以圖形使用界面的配合運用,造成近五年來空間資訊應用的突飛猛進。

目前應市的GPS接收儀有入門型與測量用專業型兩大類,入門型機種可以在全世界大部分地區,於戶外訊號不被遮蔽的狀況下,在幾秒鐘內就能定出所在位置的座標值,誤差值約為20公尺。專業型機種可同時接收編碼與相位資料,若連續觀測二小時以上,再配合其他已知參考站的GPS訊號,經過系統誤差修正後,定位精度可以達到公分級,若延長觀測時間再搭配其他運算作業,則水平定位精度可以達到公釐級。

遙測與空間資訊

空間資訊系統應用時的完整性與適合性,全然取決於資料的建置是否翔實、精確且按時更新。取得資料的傳統作法是,用人工在地面逐一調查、建檔,既費工又費時,因而漸漸改用飛機航拍的方式取得。

隨著商用高解析度人造衛星的發射與運轉,讓全世界公尺級解析度的彩色影像可以很容易購得,透過立體組合又能產生每五公尺一個格點高解析度的地面數位高度模型(digital elevation model, DEM)。這些新的科技讓空間資訊基本數據的取得更為快速、價廉與完整,再配合數位地球(digital earth)構想的推動,終於在二十一世紀,完成了以人為本的資訊系統架構。

空間資訊儲存的方式

由衛星或其他測量工具蒐集到的大量空間資訊,經數位化處理後,必須依各種不同的功能需求加以儲存,才能發揮空間資訊系統的功效。空間資訊儲存的方式有下列四種,分別是數位網格圖、數位向量檔、數位高度模型及數位正交影像。

數位網格圖是一種經空間定位處理後,符合一定精確度與資料品質規範的地形圖掃描數位影像,其掃描的解析度至少需達300 dpi,以技術壓縮儲存。

數位向量檔是利用數位化拓樸結構(點、線、面)表示的地形圖檔,此部分資料是利用軟體工具轉換數位網格圖而得,以國際間通用的空間資料交換格式儲存。

數位高度模型是一組等間距的地形高度量測數位資料,可獨立使用或與數位網格圖、數位向量檔、數位正交影像等資料組合應用。

數位正交影像是經正交校正後的數位航測影像,擁有與地圖相當的幾何性質,其方向、位置與距離的精確度亦相似。

三S空間資訊系統範例

以中國石油公司在臺灣地區近二千公里長油氣管線的定位與管理系統為例,它是採用航照正交影像為底圖,透過GPS衛星定位取得使用者位置座標,再以行動式地理資訊系統配合地下管線位置測量與相關屬性所建立的系統。

這個系統應用空間資訊的特點,採取最新科技方法以符合工程與維護需求的精度(誤差<25公分),同時能夠及時取得點位或行動中維修車輛座標,配合航照影像豐富的空間資料,加上定期的更新與維護,不論在管線使用、維護和道路挖掘管理方面,均可在本系統中取得正確的相關空間資料與屬性資料。

空間資訊的發展

GPS衛星定位的精度會因為其他衛星系統的加入而提高,搭配虛擬衛星或差分修正訊號,可將其定位精度提升到公尺級甚至公分級,如此一來,便能符合大部分工程或測繪工作的需求。高解析度商業衛星影像也會因為提供者增加而越來越普及,其價格也更加合理。中華衛星二號在二○○三年底發射後,我國將自行擁有二公尺解析度的衛星影像,由於它每天經過臺灣地區二次,重複觀測所得資料對於空間資訊的提供與狀況識別、變遷分析等相關應用亦將有重大影響。

地理資訊系統將會隨著軟硬體的開發與技術發展愈加普及,其功能亦將日益擴大,行動式個人化的地理資訊系統結合個人定位、個人電子地圖與行動式數據交換,都會在未來第三代行動數據機的推波助瀾下相繼完成。結合衛星定位、地理資訊系統與遙測影像的三S空間資訊系統,不久的將來必會是一種與日常生活息息相關的平民化資訊工具。
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