空間資訊管理系統之3S科技

    空間資訊管理系統的基礎其實就是大家所熟悉的地理資訊系統(Geographic Information System -- GIS) ，GIS與一般使用者最親和的介面就是我們常見的電子地圖，電子地圖就是GIS資料呈現的展示成果。GIS近幾年更結合了先進的遙感探測(Remote Sensing -- RS)和全球衛星定位(Global Position Systems -- GPS)形成了所謂的3S (RS/GPS/GIS)技術，逐漸的被科技業廣泛應用。

    首先我們先將3S科技逐項介紹:

1.  全球衛星定位(Global Position Systems -- GPS) : GPS是一個以軍事導航衛星為基礎的系統﹐為美軍所設計﹐供美軍所使用。目前免費提供給民間使用其定位訊號,這套系統是由美國國防部(Depart of Defense﹐DOD)所發展及控制﹐但所有權屬於美國交通部。在概念上﹐GPS代表著整個系統﹐包括衛星、地面控制站及GPS接收機。不過一般而言﹐GPS即意指一個GPS接收機﹐這是因為我們在使用上多半只會接觸GPS接收機的緣故。GPS系統共有24顆定位衛星﹐分6個軌道面﹐每個軌道面分佈4顆衛星﹐其中3顆衛星待命備用在距離地球表面約20,000 公里的太空軌道中運行﹐軌道面傾斜角為55度﹐提供全球全天候﹐每秒一次 ﹐持續不斷的定位訊號﹐目前一共有25顆定位衛星可供使用。這些衛星就像是月球一樣不停地繞著地球旋轉﹐每12小時繞行地球一週﹐等於一天約繞過我們的頭頂2次。

簡而言之GPS是利用基本的三角測量原理﹐而達到定位目的。每個SV 在運行時﹐每個時間點都有一個座標值﹐這個座標值是已知的﹐GPS接收機所在位置的座標是未知值。而由SV所發送的衛星訊號要獲得二度空間定位(經緯座標)﹐至少要同時接收到3顆衛星的訊號﹐但若要獲得三度空間定位(經緯座標及高度)﹐則最少要同時接收到4顆衛星的訊號。GPS接收機與它所接收到訊號的衛星所構成的角度,會影響到定位的精準度﹐角度過小﹐或者接收到的衛星太過聚集﹐都會降低定位的精準度。

2.  遙感探測(Remote Sensing -- RS) : 遙感探測是60年代發展起來的新興綜合科學技術，為環境調查與資源探勘方面有利的工具；它是一種遠距離不直接接觸物體而取得其訊息的探測技術。其意義可由狹義、廣義兩方面來探討。

l  狹義遙感探測─主要是空對地的遙感。即離開地面的平台(包括衛星、飛機、氣球、高塔等)上裝上遙感儀器，以電磁波為媒介，對地面進行探測。

l  廣義遙感探測─包括空對地、地對空、空對空遙感；不僅把整個地球作為研究對象，還把範圍擴大到地球以外的日地空間。

遙感探測攝取影像的原理是基於發覺與紀錄地面物體反射及放射的電磁輻射能量；地面景物或地物均有自己獨特的波譜反射和輻射特性，而相同的物質具有相同的電磁波譜特徵，因而可以根據遙感儀器所接收到的電磁波譜特徵的差異來識別不同的物體─這就是遙感的基本出發點。

遙測影像依載具可分為空載、衛載和無人飛行載具三類：

(1) 空載－利用飛機從空中進行探測，攝影機只能拍攝可見光的波段，具有比衛星更好的靈活機動性，雖然拍攝的範圍比衛星影像小，但卻擁有衛星影像所無法比擬的高解析度（遙感探測理論與分析實務，2000），但其屬於任務性拍攝工作，雖機動性高可以補充衛星的不足，但卻無法應付突發情況。

(2) 衛載－利用人造衛星載具進行拍攝，可以感測不同波段的電磁波。因位置高，涵蓋面也就很廣，可以快速收集大範圍地區的地理資料，也因其週期性環繞地球，可以拍攝同一地區不同時期的影像，更便於科學家們針對同一地區進行長期的觀測和分析，進行環境變遷的分析。福爾摩沙衛星影像即是此種影像類別。

(3) 無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）－利用無人小飛機進行遙控拍攝，所拍攝之相片由於航高低（多為數百公尺以下），因此能提供相當高解析度之遙測資料，但相對的拍攝涵蓋面也就相對小，而且有時因為飛機姿態控制不易，導致幾何校正困難；但其最大的優點是機動力強、可提供最即時的影像、較寬鬆天氣條件即可操作的優點，而且不需有跑道就能起降，下圖2為無人載具所拍攝的高空間解像力林區照片。

3.   地理資訊系統(Geographic Information System -- GIS) : GIS是一個將空間物件的座標與相關特徵屬性用特殊的格式進行儲存和加密，並儲存成電子資料，我們可以針對這些地理資料進行資料收集、資料處理、搜尋檢索、統計分析和資料呈現等一系列作業，地理資訊管理系統涉及了軟、硬體和人員、組織等組成要素。一般通過衛星影像、航空測量與地面測量所產生出來的資料會先經過資料處理，通過資料的有效收集與萃取分類再進行數位化工作，產生點、線、面等一系列的空間資料(Spatial Data)，並記錄其相關的屬性資料(Attributes Data)，再進一步處理空間物件彼此間的關聯性(空間拓樸關係)，稱之為位相關係(Topology)，我們常更進一步保留記錄空間物件的事件異動時間，使我們可以運用GIS軟體系統操作空間資料庫，進行空間資料和關聯屬性的編修處理、萃取分類、整合應用和統計分析等作業。
     一般空間資料初步會分為兩大格式，一種是向量式資料，另一種就是網格式資料。其中向量式資料又以三種格式進行儲存，就是點、線、面這三種格式，向量式資料記錄這些空間物件的座標系統、投影方式、座標位置、物件形狀與彼此間的位相關係，網格式資料記錄的是影像資料的像素資料和控制點座標，這些不同格式的空間資料往往使用圖層(Layer)方式進行分類儲存，當然也有些特殊的系統不是用圖層方式儲存，比如加拿大海事局所採用的CARIS系統是用特徵碼(Feature Code)的方式進行分類。而近年來另一種三維資料模式也開始推廣應用，不過由於需要大量拍攝建物各角度的外觀以進行3D建模，龐大的資料建置經費與資料維護費用讓許多單位望之卻步，只能局部區域性的進行示範應用。
     整個GIS包含了電腦繪圖、資料庫管理、電腦輔助設計、遙感探測、全球衛星定位、網路服務與軟體系統整合等相關技術領域，而其中快速資料收集的部份就牽涉到兩個部份，一個是全球衛星定位針對空間物件座標的動態即時更新，是目前向量式座標資料最快速有效的收集技術之一，另一個就是遙感探測針對大範圍區域的空間資料進行快速有效的收集更新，這是目前網格式影像資料最有效的大面積收集技術，這兩項資料收集技術讓地理資訊系統的加值應用能有效的解決資料的更新時效問題，這些優勢推動了近幾年來3S技術整合的快速發展。

所謂3S技術是將地理資訊、感測器、衛星定位、遙感探測、導航派遣、計算機和行動通訊技術相互结合，把多項先進科技高度整合的現代化資訊技術，此項科技並將成為物聯網產業的空間資訊整合應用提供更多的發展空間，是一項不可或缺的資訊技術，如果再進一步發展成空間知識管理系統(Spatial Knowledge Management System) 可以讓物聯網的空間資訊決策功能更加的完善，在智慧地球的決策支援上扮演重要的角色。