GeoCyber

根據GPS World於8月24日的報導，Landsat 一度翻滾失控，8月13日才被控制下來。哇!! 差一點少一個土地資源觀察衛星。
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這是一個很酷的Google Map應用, 只要填入郵遞區號就可以查詢美國各地的人口普查資料，這對於研究人口地理和時間趨勢的人應該是興奮的!!
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地理空間技術的演變
根據湖南長沙馬王堆三號漢墓出土的「地形圖」、「駐軍圖」和「莊園圖」，證明中國人早在西漢時代就已經應用地圖於戰爭之中，而差不多的時代的世界另一頭，古希臘地理學家及天文學家埃拉托斯特尼(Eratosthenes)則設計出地球經緯度系統，開啟西方世界以數理為基礎的製圖科學，提高地圖表達地理空間的準確性，到了16世紀，歐洲人靠著航海技術和準確的地圖，不但造就歐洲的黃金時代，同時開啟了地理大發現。地圖是地理空間資訊載體，隨著人類文明進步，人們對地理空間資訊之所需是有增無減，即便今日進入太空時代，人們仍不斷地更新製圖技術和製造地圖以探索地球。你能想像現今圍繞在地球軌道上的人造衛星有10120顆(截至2006/11/30)，滿佈在地球外圍，其中與地理空間探索有直接的關係，就屬通訊任務和資源調查任務的人造衛星。通訊衛星之中有27顆衛星是專為全球定位所用，只要手中持有可接收全球定位系統 (Global Position System, GPS) 衛星訊號之儀器，配合地圖，隨時都可知道你在何處；而資源衛星是透過地表上不同物體會發射出不同光譜的特性，以偵測地表上物體的種類和變化，簡單地說，資源衛星的原理很像我們一般使用的數位相機，只是裝在資源衛星上的“相機”可拍到超過人眼可以看到反射光，而使科學家可以辨識出更多地表的變化。同時資源衛星也是現代地圖主要的來源之一，如同眾所皆知的入口網站Google中所提供的Google Earth軟體，讓你處於如幻似境的地球，有如你身在太空中俯看地球，又有如超人般翱翔於天際中，事實上，那清晰地建築物、道路、山脈、河流、…等，都是來自於高解析度的衛星照片。
隨著科技的革新，源源不斷的地理空間資訊被各式各樣儀器和工具所挖掘，如此巨量的地理空間資訊需要工具來管理、儲存、分析和展示，1960年代因應大量資源管理的需求，加拿大地理學家羅傑．湯姆林森(Roger F. Tomlinson)著力於將原本紙本地圖轉化為數值形態的地圖，以便電腦可以分析處理，因而發展出第一套的地理資訊系統(Geographic Information System, GIS)，這項以數值地圖為基礎的資訊系統發展迄今四十多年來，隨著個人電腦的普及和地理資訊系統應用程式的開發，地理資訊系統已經擴散個各個領域中使用，儼然成為許多領域中用來分析與地理空間相關事務的工具，但地理資訊系統以地圖為本質的精神並沒改變，反倒是收集了更多與地理空間相關的資訊結合，而產生更多更有效的應用方式，如地質學家拿它來記錄地層、斷層和分析地震，以了解地震影響居民範圍；犯罪學家拿它來分析容易犯罪的區域，以警告居民小心自身財產生命安全；政治學家拿它分析選民的空間結構，以調整選戰策略；通路商用它來管理宅配服務的車隊，以降低成本。地理空間資訊數值化擴大了相關資訊整合可能性，同時創造出更多地理空間資訊新的應用。
網路科技帶來地理資訊新生命
過去地理空間資訊的檔案過大一直是個問題，隨著網路科技的發展，網路頻寬加大使地理空間資訊在網路傳輸變得可能，許多網路地理資訊系統如雨後春筍般被開發出來，同時也提高一般人在網路獲得和使用地理空間資訊的機會，比如說你和同學用電話約好在某一家電影院碰面，但你的同學雖然告訴你地址，但還是不知道在那個地方，這時候你可以上網查電子地圖，只要有地址就可以查到位置，甚至告訴你公車和捷運要怎麼搭。因此我們生活周遭似乎有許多的地理空間資訊，如地址、郵遞區號、大哥大基地台、新聞、照片…等，難怪常有人提到今日的數位資訊內容中約有80%是與地理空間資訊有關，因此地理空間資訊是一個大眾化的資訊，但地理知識和製圖技術被認為是專門的學科，操作複雜的地理資源系統不但需要昂貴的專業軟體，而且需要技術的訓練和地理知識才有辦法使用地理資訊系統，處理地理空間資訊，無形地增加了使用地理空間資訊的門檻。然而，一般日常生活中的地理空間資訊的使用，並不需要如此深奧的理論，也不需要複雜的操作系統，而是一個方便使用者得到所需的地理空間資訊的網頁。
Google提供了Google Map和Google Earth二項服務，為地理空間資訊使用帶來新生命，過去地理空間資訊所依賴的地圖不易取得，所依賴軟體複雜且昂貴，然而，Google Map提供免費的基本地圖和應用程式介面(Application Program Interface, API)，透過應用程式介面的呼叫與查詢即可使用基本地圖，使用者再依個人喜好以結合不同的地理空間相關資訊，如一度登上點閱率排行榜的房仲地圖網(www.housingmaps.com)，是結合免費的分類廣告網頁(www.craiglist.org)中房屋買賣的資訊和Google Map，讓使用者在地圖上即可點閱房屋買賣的資訊，方便且直覺的服務。Google Earth是一個衛星影像瀏覽器，提供高解析度影清晰地顯示地形地貌，並可以不同俯角和視角來瀏覽，甚至飛行模擬，同時，也提供使用者套疊自己生產的地理空間資料於影像，因此使用自己生產的地理空間資料，可以相互分享，也可以共同建置，Google Earth成為瀏覽地理空間資訊的共同平台，如圖2中所示，不同使用者可以自行建立房屋在Google Earth上，最後將整個台北市的房屋都建立起來。除此之外，在Google Earth使用社群(Google Earth Community, http://bbs.keyhole.com)中，許多人也都將自己跑步的紀錄、好吃餐廰的位置、去玩過的地方…等林林總總的地理空間資訊分享給其他使用者下載瀏覽。
「取之於『網路』社會，用之於『網路』社會」似乎已成為現今地理空間資訊使用的最佳寫照。英國倫敦有一群人發起一項自願性製圖運動(Open Street Map Project, http://www.openstreetmap.org/)，該網站收取來自於自願者拿著全球衛星定位系統(Global Position System, GPS)所紀錄的軌跡(traces)資料，藉由這些軌跡資料的重覆性，可以將道路系統和重要地標逐步地建立出來，而這些經由眾人力量所建立的地圖，也提供給眾人所使用，無論是上傳或下載都不收取任費用。GasBuddy (http://gasbuddy.com/)因應生的是眾人提供美國各地的汽油價格而讓用路人可以知道何地之汽油價格高低，而決定在何地區加油。
延伸閱讀: 《科學發展》2007年8月，416期，28 ~ 34頁
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相互操作性(interoperability)是一個系統的能力或系統的組成，可以輕便地提供資訊和應用程式間相互配合中過程的控制(Bordie，1992；Zhang等人，2003)，可區分出二種型態的相互操作性，對於程式而言，資料的相互操作性代表使用資料格式範圍的能力，對資料集(dataset)而言，程式的相互操作性是資料可被不同型態程式所使用。要達成資料的相互操作性可透過二個方法，即為資料庫整合和標準化。現今資料庫整合已有成熟的方法，一個最基本的方式是提供使用者一個全部的可獲取資訊來源的目錄，其目錄中的每一個來源是被相關的詮釋資料所描述，包含表現方式、比例尺、最後修改日期和資料品質等級等，但資料庫整合的缺點是缺乏彈性、一致性和可複製性；第二種達成相互操作性的方法是透過標準化，標準資料模式的定義成為系統之間相互關連的點，且可被運用的特徵，使資料在異質系統間交換(Devogele等人，1998；Zhang等人，2003)。
相互操作性是系統或系統中元件的能力，可以便利地提供資訊和內部應用程式協同過程的控制，例如，有二個地理資料庫X和Y。X資料庫以「服務R」傳送需求(request)到Y資料庫，若要能使此二資料庫達到相互操作性，R必需是X和Y資料庫相互彼此了解的規範，才能使Y資料庫因而可以回覆給X資料庫一個S，而S是相互彼此間了解的資料格式(Brodie，1992；Bishr，1998)。在這個過程中，有二種相互操作性可以被分出來，對程式而言，相互操作性是指程式有能力處理廣泛地資料格式：對於資料集而言，相互操作性則是指資料可被使用在不同型態的程式中(Laurini，1998)。在加強元件式(component)資訊系統之間合作的系統智能(intelligence)中，相互操作性更可被勾勒出特性，此智能是在元件式資訊系統之間且不需要詳盡且精確的知道什麼資料是可用的或如何需要的資源的情況下，即能提供服務、尋找資源、協同及實行複雜的功能(OGC，2002)。

同時，Bishr (1998)進一步地認為地理資訊系統的相互操作性可分為6個等級，如圖所示。最低等級的相互操作性依賴簡單的網路協定即可完成，在這個等級的使用者通常只可以下載未經處理的檔案(flat files)，遠端的GIS根本幫不上忙，這個等級的很好的交流案例是TELNET，在這其中使用者登入到遠端系統，也就是主機，不用多餘的網路協定的知識即可達成，但這個等級的主要問題是使用者為了連上主機，必需有運作遠端機器的操作知識。第二等級則是進步到更高等級網路協定，其中使用者可以連結到主機且緊密地互動而不用它的操作系統。FTP協定是這個相互操作性等級最佳案例，在FTP中，使用者可使用FTP所屬的指令來連結主機和與主機互動。在這個等級使用者只可以在系統間轉換資料檔案。在這個等級中，主要的缺點是使用者必須對所轉換的資料格式有良好的知識背景，了解什麼樣的檔案格式需要什麼樣的轉換工具。
更進一步地，第三等級的相互操作性為空間資料檔案，使用者可以下載標準的資料檔案且系統可自動辨識，因而可以轉換成使用者所使用的格式，加拿大的DeltaX計劃，即是一個很好案例，它是一個使用者端的空間資料瀏覽器，使用者可透過它來下載資料，並轉換成使用者端所使用的空間資料格式。但這個等級的缺點是，使用者必須事先知道什麼資料放在有什麼來源位置，且只能使用它的使用者介面(user interface)和查詢語言(query language)來尋找空間資料的內容。第四等級之相互操作性是可以使二個系統更進一步的溝通，現在已經有一些GIS軟體可提供，例如Intergraph的Jupiter和Microsoft的ODBC。客戶端/伺服器端技術可讓使用者建立他們的GIS和遠端GIS之間的溝通，一旦建立，他們可查詢遠端系統而使用他們自己的查詢語言，當然也可能分析和展示遠端資料集，然而，主要的缺點是使用者必須了解在遠端資料庫中的資料模式之知識和語義(semantics)。
第五等級的相互操作性是提供一個單一的“虛擬”整體(global)資料模式，而這個資料模式是所有遠端資料庫中資料的抽象概念(abstraction)，因此使用者所送出的查詢，會被送到這個整體資料模式來一一的相對映，讓使用者在這個等級可以更直接且準確地查詢遠端資料庫，如此更突顯事先了解資料的語義是一定須要的，如同二個GIS各自顯示不同主題圖有可能用一個資料模式，差別在於它們用各自的語義來達。上述任何一個等級都可稱為相互操作性，而每一個等級都對應到許多技術，相互操作可被改善或它的範圍可藉由技術層面提升而擴大，現在似乎還沒有GIS的相互操作性達到資料模式或應用程式語義層級，如上述的第五級或第六級，但隨著GIS和IT的發展，相互操作性高的GIS是可以被期待的。
以網際網路作為跨平台運作環境和工作流程，Open GIS是一種技術，可使得應用系統開發者能夠從網路上透明地獲取任何地理資料和任何地理資料處理功能或方法，而不管它的資料格式和資料模型，因此在各個應用領域中，應著重於的改變是各自地理資料模型或資料格式與中介的標準資料的模型與格式之間的差別。Open GIS不僅有助於GIS系統個體間之資訊交換，而且未來能夠與其他系統如統計分析、影像處理、文件檔案管理、視覺化交換資訊。
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1.網路地圖服務(Web Map Service, WMS)
網路地圖服務(Web Map Service, 以下簡稱WMS)是OGC對於地圖查詢的服務，其原始的設計理念是希望從擷取網路中所散佈的資料庫地理資訊及屬性資料，以產生客製化的地圖，且地圖一般是以JPEG、GIF或PNG等格式儲存，此外並支援SVG (Scalable Vector Graph)及WebCGM，是表現地理資料的圖形視覺化最直接的工具。WMS的規範即是客戶端向伺服器端要求圖資與伺服器端如何對客戶端表現圖資的標準化方法。WMS伺服端是透過http和使用者互動，因此使用者是透過URL傳送CGI(Common Gateway Interface)參數和WMS伺服端互動。符合OGC WMS規範的CGI應可接受三種請求和回應，分別為Metadata(詮釋資料)、Map(地圖)和FeatureInfo(圖徵資訊)。也因此WMS定義了三項基本標準操作為GetCapabilities(能力取得)、GetMap(地圖取得)和GetFeatureInfo(圖徵資訊取得)。
(1)GetCapabilities(能力取得) (必要的)：此操作之功能為讓客戶端取得伺服器端的詮釋資料，而回覆客戶端的是該服務內容的詮釋資料，為一以XML編碼的文件；所提供給客戶端的資訊包括WMS server所支援的WMS操作，提供資料的詳細內容（如圖層名稱、標題、樣式、空間參考系統等）等。
(2) GetMap(地圖取得) (必要的)：此操作之目的在於請求伺服器生成一幅具有確定地理位置座標範圍的地圖，但按照WMS的規範，這個操作需要明確地指定出操作本身遵循的WMS規範的版本號，如WMS 1.1.0或WMS 1.1.0，以及需要顯示的圖層、對應的座標範圍、請求地圖的大小和格式等。
(3) GetFeatureInfo(圖徵資訊取得) (選擇性的)：所支援的情況為，當某一圖層定義或繼承「可查詢」(queryable)的屬性，其值等於1(true)時，客戶端便可依使用需求所取得的地圖資料，獲得相關的圖徵資訊、屬性資料等。典型的做法範例為，當使用者取得查詢的地圖後，點選圖上某點（I,J）以取得更多的資訊，而基本的操作提供了客戶端指定像素、所調查的圖層以及最後輸出的資料格式（可支援格式包括txt文件形式、html網頁格式及GML圖徵表示）。
2.網路圖徵服務(Web Feature Service, WFS)
OGC的WFS是描述、展現圖徵資料的運作方式，讓伺服器端和使用者能在圖層上溝通，獲得圖層底下各圖徵的資訊，其核心協定為GML，是資料交換流傳的重要方式。如同WMS，使用者可透由URL傳CGI參數和WFS伺服端互動；亦可透過XML文件遞交操作請求。這個OGC的介面提供了標準的圖徵資料庫擷取方式，以及如何讓使用者在網際網路或內部網路中製造、更新或修改GML圖徵資料，當客戶端傳送一個查詢的訊息給OGC的WFS時，伺服器可以GML提供地理圖徵資料以回應客戶端，因此WFS被視為GML資料的伺服器。WFS以http作為分散式的計算平台處理圖徵資料，所支援的操作包括了插入、更新、刪除和查詢。最基本的WFS應支援GetCapabilities (能力取得)、DescribeFeatureType (描述圖徵型態)和GetFeature (圖徵取得)三項操作，即僅提供「唯讀」的操作。而Transaction (執行)和LockFeature (鎖住圖徵)不是必要的，其中Transaction (執行)提供使用者互動性操作，如新增(insert)、更新(update)、刪除(delete)圖徵，其各項操作說明如下：
(1)GetCapabilities(能力取得) (必要的)：藉由此項操作，伺服端會產生並回傳一個XML文件說明WFS伺服端所能提供的服務。該文件說明WFS提供服務何種型態的圖徵，使用者可以對提供服務的圖徵進行何種的操作，其文件規格與前面提過的WMS文件規格的定義大致相同，所差異者在於，WMS文件結構是由DTD（Document Type Definition）所定義，而WFS的文件結構則由Schema定義。
(2)DescribeFeatureType(描述圖徵型態) (必要的)：此操作包含了零至數個型態名稱（type name）以描述圖徵型態的編碼。當使用者端提出此項請求時，WFS伺服器會產生一個文件，以描述WFS提供服務的圖徵型態結構。預設輸出為XML綱目( Schema)文件，藉由這項資料可以用來驗證由WFS伺服端所回覆的GML圖徵資料，或使用者在執行圖徵交換操作時所輸入的GML圖徵資料。除XML綱目( Schema)格式外，亦可支援其他格式，但必須於能力(capabilities)文件中言明。一般而言，XML Schema文件僅能描述單一名稱空間下的圖徵元素，此時WFS伺服端可產生一個包裝綱目(wrapper schema)以引入多個綱目(schema)以描述來自不同名稱空間的圖徵。
(3)GetFeature(圖徵取得) (必要的)：使用者端提出GetFeature (圖徵取得)要求時，可指定圖徵中欲擷取的屬性資料。該操作包含了一個或多個元素的描述，用以定義欲查詢何種圖徵型態、欲輸出的屬性，及在何種空間或分空間的限制下應用此一屬性。
(4)Transaction(執行) (選擇性的)：此功能係用以描述資料圖徵的修改操作，使用者透過WFS提供的transaction(執行)服務，可新增(insert)、更新(update)、刪除(delete)圖徵，當Transaction的操作完成，WFS將產生一XML文件以指出transaction(執行)的完成狀態。其中，假如服務支援LockFeature的鎖定操作時，可透過的應用指定鎖定的圖徵以進行transaction(執行)的操作。
(5)LockFeature(鎖住圖徵) (選擇性的)：在Transaction(執行)的期間對一個或多個圖徵執行鎖定的要求，以確保當某個圖徵在執行transaction(執行)時，不會被其他使用者存取並修改。

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