全球衛星定位系統（Global Positioning System, GPS）與地理資訊系統（Geographic Information System, GIS）的結合與應用研習班講義蔡博文國立台灣大學地理學系地理資訊研究中心八十八年七月前 言全球衛星定位系統（Global Positioning System，GPS）是美國國防部於1973年開始發展的一套衛星定位計劃，其發射的衛星數目及軌道配置歷經多次修正，最後訂為發射24顆衛星於距地表約2萬公里高的6個軌道面上運行（Hofmann-Wellenhof,etc,1992）。

至1993年此計畫已全部成功的執行完畢，目前每天天空出現4顆以上衛星的時間已達24小時，故我們可以全天候隨時使用這些衛星資料。

衛星定位原理乃是以地面衛星接收儀（recriver）同時接收三顆以上的GPS衛星所發射的電磁波，利用幾何原理計算出接收儀所在的位置，其與傳統定位技術最大的不同點在於傳統定位方法都從一個已知點輾轉推導出欲知地點的相對位置，誤差的累積與傳播嚴重，而衛星定位方法所獲得的是絕對位置的數值座標，可以直接與地理資訊系統技術相結合。

地理資訊系統（Geographic Information System，GIS）是以電腦工具來儲存、處理、分析及展現地理資料的科技，其發展已有二十餘年，相關技術已臻成熟，達到應用階段，惟在資料搜集及輸入部分仍因地理資料的空間（圖形）特性，仍然處於瓶頸階段，這使得地理資訊系統在資料庫的建立及維護上仍需投注相當大的時間、金錢與人力。

以全球衛星定位技術來輔助地理資料收集與輸入的優點在於:一、資料調查收集與輸入建檔一次完成，由於衛星資料經由接收儀接收為數值化資料，因此透過優良的GIS-GPS界面可以在野外將調查的資料直接輸入資料庫中;二、資料誤差小，傳統的資料收集都將資料或記錄或繪製於地圖上，然後再人工輸入電腦，每一過程中將隱藏著簡括化（generalization）誤差及人為失誤，而以衛星定位方法從事資料收集自始至終都是數值化過程，除了衛星定位系統的系統誤差外，幾乎無誤差的累積與傳播;三、節省時間及人力，接收儀接收衛星資料後直接進入電腦，以地理資訊系統功能來加以處理及儲存，可以節省大量人力及時間金錢的花費。

全球衛星定位系統與地理資訊系統的結合以衛星定位技術來從事地理資料的收集雖然有許多優點，但其過程與傳統方法不盡相同，其過程並非那麼直接，仍有許多技術細節必須加以考量，圖一為應用衛星定位系統於地理資訊系統的程序，以下分別討論各步驟的內容。

圖一.應用GPS於GIS的程序1.衛星定位系統精度衛星定位的誤差來自整個系統的各部份，即衛星軌道不準確度，接收儀本身及附近環境的影響，天線相位中心不準確性和雜訊，訊號從發射到接收中間路徑的變化如電離層、對流層等影響（曾清涼等，1991）及觀測的方法等，使得其精度範圍可準確自公分級至數十公尺以上，若加上選擇性可靠（Selective Availabity，SA）的干擾，其誤差甚至可達100公尺以上，在如此大的誤差範圍內，我們首先必須根據應用的目的，決定誤差的容許範圍，然後施以不同操作步驟，排除誤差，達到應用的精度需求。

衛星軌道根據曾清涼等（1991）認為軌道誤差一般而言對高程影響會較顯著，對基線之尺度較顯著;電離層對單頻觀測而言，其對基線尺度影響約0.35ppm至3.5ppmm;而對流層在小範圍內不當的氣象修正可能反而造成修正過當。

故衛星軌道及電離層、對流層誤差在小範圍（相對於整個地球）的地理應用上應該是可以忽略而不予考慮。

接收儀附近的環境影響主要是多路徑效應（muitipath effect）的作用，多路徑效應是指接收儀附近的障礙物多次折射造成訊號經由兩條以上的路徑到達接收儀的天線，這種作用在高樓林立的都市中尤其明顯，因此在都市中GPS應用如建物調查、汽車導航等應用必需特別考慮此效應所造成的誤差。

觀測的方法也直接影響衛星定位的精度，一般而言，定位方法可 分為單點定位（Point Positioning）及相對定位（Relative Positioning），單點定位的精度根據曾清涼（1990）的研究，以C/A 電碼的觀測,精度平均大約在10-15公尺之間，並且衛星群的幾何分佈是影響精度的主要因素。

相對定位又稱為差分定位（Differential Positioning），其原理是利用設在已知位置之固定接收儀所接收到的資料來求得改正值，再將此改正值與未知位置接收儀所接收到的資料會併計算，以求得較高精度之座標,其精度可達公分級以上精度（曾清涼,1986）。

由以上的討論，吾人知道衛星定位的誤差來自系統各部份，而各誤差部份也各有消除的方法，因此其精度範圍可自公分級以下至數百公尺，端視應用的需求來決定精度的取捨，當然，精度要求愈高所必需投注的心力也相對增加。

因此在應用衛星定位方法於地理資料的收集時首先必須考量資料及未來資料使用的精度要求，以決定衛星定位的精度。

2.大地基準（datum）轉換全球衛星定位系統所使用的座標系統是以WGS84大地基準為標準的座標系統，台灣地區現在使用的大地基準為以埔里鎮虎子山為原點之TWD67基準,只適合台灣地區使用，所以自接收儀所接收到的WGS84座標必須先將其轉換至TWD67座標（周龍章等,1993;楊枝安,1992）；台灣地區目前使用的地圖大都以橫麥卡托投影為主，所以還必須將TWD67座標由橢球面投影至二維的平面上（王敏雄，1993），如此才能進入地理資訊系統中與其它資料整合。

3.GIS/GPS界面衛星定位資料經轉換處理後已能提供良好的空間資訊（位置資訊），然地理資訊系統的特點在於同時整合空間及其相對應屬性資料的能力，空間資訊經由衛星定位方法可以實地即時獲得，而其相對應的屬性也必須能實地即時輸入，使得資料庫的建立能一氣呵成，為達成此一自動化的目標，必需發展一套GIS/GPS界面,這套界面必須能同時接受衛星定位系統所提供的空間資訊及經由各種方式如鍵盤、感應器等所輸入的屬性，如此地理資料庫才能一次完成，所以一套良好的GIS/GPS界面必須包括多項功能:1.即時接收GPS資料。

2.即時大地基準及座標系統轉換。

3.即時圖形顯示。

4.即時屬性資料輸入，包括各種感應器、攝影機及鍵盤等。

5.即時顯示GIS資料庫中的背景圖形或影像資料。

6.即時顯示背景資料屬性於圖形上。

7.自動轉換成通用GIS資料格式（包括圖形及屬性）。

另外，系統若是使用於外業工作，界面設計必須有別於一般在室內電腦上操作的程式，不能有繁複的鍵盤輸入動作。

全球衛星定位系統於地理資訊系統的應用由前述的討論我們可以確定全球衛星定位系統能提供我們不同精度的空間資訊，若再結合適合的GIS/GPS界面,同時又可收集屬性資料，則地理資訊系統資料庫的建立及更新就有一套效率較高的方法了。

美國亞利桑那州（Arizona）的Tonto國家公園於發生森林火災時，以直升機裝設GPS快速的調查火災範圍,繪製成圖，並即時將災區分為完全燒盡,未燒及部份燒毀等不同等級，同時輸入GIS資料庫，以做為日後林木復種的依據（Rodcay,1990）,在大火燃燒期間又每隔一段時間重複行上述調查工作，依照界線的變化情形研判大火燃燒的方向及速度，另以GIS提供土地權屬,道路，河流等資訊，做為救災規劃的依據。

美國奧勒岡州（Oregon）的Rogue River國家公園也以相似方法進行死亡樹木的調查，並將GPS記錄下來的死亡樹木位置以GIS套繪於航照地圖（orthomap）上，供地面工作人員很容易的抵達該地點進行復種工作（Stutheit，1989），Stutheit也引述Lange 及Krucznski（1989）的結論認為GPS與GIS由於使用共通的座標參考系統（Common Coordinate System）,所以二種資料可以立刻對位（register）套合。

Rodcay（1991）運用GPS與遙測技術進行古老樹木的調查，他在美國Sierra Nevoda Mountains地區以GPS來調查部份古老樹木的位置，並同時記錄其附近的環境屬性，如坡度、坡向、林木的混雜狀況（Species Composition），然後以這些資料來輔助全區大範圍的遙測影像判釋工作，以增加遙測資料分類的準確性。

大區域的自然資料調查時,若全面以GPS進行,雖然較傳統方法具效率性，但仍然需花費大量人力與時間，而運用遙測資料雖可省時省力,但準確度較差，結合GPS與遙測技術恰可互補缺點,實為自然資源調查的一項有利技術。

Zavala等（1992）也以GPS輔助杜松（Juniperus）受寄生蟲感染的調查，Freilich and Moon（1991）以GPS調查美國加州國家公園內瀕臨絕種的烏龜，以多媒體GIS來儲存及展示所調查收集的資料,並與GIS資料庫中的土壤、植被等資料結合，分析烏龜棲息地與環境的關係。

以下就土地利用資料調查為例，敘述其程序與方法。

地理資料的調查地理資料的調查包括兩項主要內容，第一部份為該資料所代表的地物或地理現象所發生的地點與範圍，以及該地物或地理現象的主題特性，以土地利用調查為例，我們欲收集每一不同土地利用型態的土地坵塊的界線以及該坵塊內的土地利用型態，傳統的作業方法包括現場調查與航照/遙測判釋，後者是一項效率化的方法，但是進行時仍有諸多限制，並非隨時可以使用，這些限制包括：一，資料的時效性，遙測資料屬於週期性的規律性資料，不同的衛星提供不同特性的資料，因此資料與任務的時間需求不一定能吻合；航照屬於非定期性資料，尤其台灣地區並無定期的全島航照作業，任務性飛航又程序繁複，往往無法提供即時性的資料；二，主題內容的豐富性，遙測或航照資訊的萃取仰賴判釋，判釋可以電腦自動或人為方式為之，無論何種方式，原始資料的解析度或比例尺決定了所可以萃取到的資訊的精確度與豐富性，所以並非每一任務都可適用。

因此地面現場調查有其存在的必要性與重要性，與航照/遙測方法相輔相成，擔任地理資料供給的重要來源。

地面調查發展的另一重要意義是它可以輔助航照/遙測方法的資料查驗，以增進航照/遙測方法的可信度。

以地面調查進行資料的收集，對於地物或地理現象的主題特性，由於是直接觀察或量測，所以精確性或豐富性都無庸置疑，但是對於地物或地理現象發生的地點或範圍，雖然親臨現場仍然不易獲得足夠的資訊，是地面調查的一大障礙。

以往都是藉由地圖上的資訊，配合現場附近的明顯地物來研判位置與範圍，這種方法無法獲得準確的資料，也因此阻礙了資料收集工作的進行。

以土地利用地面調查而言，在既有地圖上描繪記錄是常用的方法，而其結果的準確性與後續的資料處理能量都造成研究工作的一大障礙。

運用全球衛星定位系統於地理資料調查必須達到下列數項目標：（一）減低實地調查的時間與人力成本。