GISGIS、、GPSGPS、、RSRS原理與應用

指導老師: 賴明洲、薛怡珍

學生: 張慧如

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主要內容

壹、遙感探測（RS）–原理、發展、應用

貳、全球定位系統（GPS）–原理、發展、優勢

参、地理資訊系統（GIS）–原理、發展、優勢

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壹、遙感探測（RS）

遙測的定義

廣義乃指不需要與目標物直接接觸，只需利用儀

器便可獲得與分析該類資料的科學技術。

狹義利用空中或太空載台的感測器，以電磁能的

操作方式，以進行地球資源的監控、製圖和探測。

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遙測的基本理論在於，任何物體在絕對零度（-273℃）以上，皆能不斷的輻射電磁波（歐陽鍾裕，1985）。

電磁波所涵蓋的波長範圍相當廣，從X光，可見光，紅外光至微波，構成一相當完整的波譜。

每一個物體在整個電磁波波譜裡都有自己獨特的輻射特性，亦即在不同的波長會有不同的能量反

應 。相同物體會有相同的電磁波譜特徵相同物體會有相同的電磁波譜特徵

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通常，學者專家們一致公認：把光學三元色之中的紅色給紅外波段、綠色給紅波段、藍色給綠波段，這樣的影像配置效果看起來最清晰分

明。

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遙測緣起與發展初期遙測以航空測量照相系統為主，以軟片為感測器，感測範圍為近紫外線、可見光、及近紅外線等波段，約在電磁波0.3 ~ 0.9μm的狹窄範圍。

蘇聯於1957年發射人類史上第一顆人造衛星：史波尼克號（SPUTNIK）。

1972年美國發射第一個80公尺低解析度地球資源衛星LANDSTAR-1，開啟了人類對地球資源之調查、探勘、環境監測、影像製圖等之新紀元。

1978至1998年期間，俄羅斯、法國、日本、印度、加拿大等各國加入急起直追，形成第二階段包含發射光學與雷達感測器衛星之太空科技競賽。

隨著美國開放天空政策（Open Sky Policy）鬆綁，相關組織同意開放光學感測器低於（含）1公尺解析度之衛星可作為商業衛星使用 。

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美國Space Ima-ging公司於1999年率先成功發射0.82公尺商用高解析度之IKONOS衛星，同時開啟與邁入第三階段高解析度衛星競賽的時代。

2001年美國DigitalGlobe公司也成功發射61公分解析度之QuickBird捷鳥衛星，提供全世界最高解析度之商用光學攝像衛星影像。

台灣則於2004年成功發射自主商用光學衛星福衛二號（FORMOSAT-2），加入遙測與太空結合的時代。

福衛三號 (FORMOSAT-3)於2006年4月15日成功發射，由六顆微衛星所組成均勻的分佈在700至800公里高的軌道面，每一顆衛星上安裝四個GPS天線，接收美國24顆全球定位系統衛星所發出的電波，科學家便能更精確的判斷高空大氣氣象，提高全球氣象的準確預報能力。

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資料衛星每天約可繞行地球14圈。

進入接收範圍後，巨型碟型天線會隨著衛星移動。

接收站的磁帶機會將資料錄製下來。

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穿透能力很強，不受天候及晝夜影響。主要使用主動成像的雷達系統，即人造的電磁波（雷達波）從飛機上或衛星上主動向地面照射，回收回射的波段。

主動式遙測

0.1-30μm微波

輻射能量大小與物體溫度四次方有關，故稱熱紅外線。須以掃描方式經過光電信號轉換成像。

3-5 μm, 8-14μm

遠紅外線（熱紅外線

）

不能用於遙測1.3-3.0 μm中紅外線

可使用照相膠片感光，只能在白天使用0.7-1.3 μm近紅外線

紅外線

遙測使用最頻繁，只有白天能使用0.4-0.7 μm可見光線

可用於攝影系統感知，但散射嚴重0.03-0.4 μm紫外線

被大氣層全部吸收，不能用於遙測

被動式遙測

0.03-3.0 μmＸ射線

遙測應用波 長波 譜

（整理自潘國樑，1999）

12主要是監測有關熱的特徵及相關應用。10.4 – 12.5

μm熱紅外波段

辨別岩石，地質類別，同時對於植物的含水量敏感。

2.08 – 2.35 μm

中紅外波段

反映土壤濕度，植物含水量，可用於區分雲和雪。

1.55 – 1.75 μm

中紅外波段

用於區別植物類別，水體。0.76 – 0.90

μm近紅外波段

紅外線

為葉綠素的主要吸收波段，用於區分植物種類及覆蓋度。

0.63 – 0.69 μm

紅波段

對於健康茂盛植物的綠色反射值敏感。0.52 – 0.60

μm綠波段

水體穿透力強，有助於近海水域製圖，也可用於土壤及植物的辨別。

0.45 – 0.52 μm

藍波段

可見光線

可辨識地物波長波譜

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通常，學者專家們一致公認：把光學三元色之中的紅色給紅外波段、綠色給紅波段、藍色給綠波段，這樣的影像配置效果看起來最清晰分明。

一般人也許會認為綠意盎然的森林應該是對綠波段段有反應，其實森林在紅外波段的反應更強。

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大地的血脈

大地的血脈

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遙測影像類型與性能之介紹

通常遙感探測依據載具飛行高度不同，可進而區分為

––衛星遙測衛星遙測

––航空遙測航空遙測

––遙控無人載具遙控無人載具

JERS-1

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適合較適合適合較適合適合特定或小區域應用

較難處理較難處理較易處理較易處理較易處理影像處理

較不受天氣

影響

易受天氣影響

易受天氣影響

易受天氣影響

易受天氣影響

穩定度

最高高低低低機動性

任務週期任務週期固定固定固定時間解像力

較高較高較高高高空間解像力

最小小大次大次大涵蓋範圍

高低最高低低單位面積成本

遙控無人載具影像

航空照片高解析度衛星影像

福爾摩沙衛星二號

影像

SPOT 5衛星影像

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2001年 2004年

納莉颱風 七二水災

利用無人載具即時深入災區拍攝

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遙測衛星的應用

衛星遙測技術發展之回顧源於60年代，歷經三代資源衛星

受限於10-30公尺解析度，應用上未能有突破

衛星遙測技術發展之飛躍冷戰結束，軍用科技開放民用

高解析度衛星影像（1-3公尺解析度）

高光譜衛星影像

第四代地球資源衛星（雷達影像）

全球定位系統（GPS）20

常用的衛星軍事衛星

IKONOSQuickBirdOrbView-3

氣象衛星NOAA（美國）GOES（美國）

環境與災害監測衛星RADARSAT（加拿大雷達衛星）FORMOSAT-2 (台灣)

資源衛星LANDSAT（美國光學遙測衛星）SPOT（法國光學遙測衛星）JERS-1（日本雷達衛星）

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各衛星製圖比例

1：3,0000.61MQuickBird（US）

1：5,0000.82MIKONOS（US）

1：5,0001MOrbView-3（US）

1：10,0001.8MEROS（Israel）

1：25,000～1：50,0002MFORMOSAT-II（台灣）

1：25,000～1：50,0005.8MIRS-1D（印度）

1：25,000～1：50,0006.8MKOMPSAT-1（Korea）

1：50,00010MCEBERS（中國）

1：50,00010MRADARSAT-1（加拿大）

製圖比例尺最佳解析力衛星名稱

(引自周天穎，2005)

22台中市黑白全色像片 台中市自然彩色像片

（引自歐陽鐘裕，1985 ） （引自歐陽鐘裕，1985 ）

因軟片不同，分為黑白軟片與彩色軟片彩色相片辨識度明顯高於黑白相片

23台中市彩色紅外線

（引自歐陽鐘裕，1985 ）

使用軟片為假色軟片，軟片的感光乳劑，能分辨對紅外線、綠光及紅光感光。

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衛星影像之應用

遙測研究

土地利用分類

製圖

坡地監測

海岸變遷偵測

水資源監測

災害調查

氣象預報

農作物生長監控

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貳、全球定位系統

GPS是一套全球、全天候、24 小時的三度空間高精度定位系統，可以作連續位置、速度和時間的訊號輸出。

GPS 接收器利用衛星電訊的衛星軌道資料可解出衛星的所在位置，再由訊號的時差偏移量計算出衛星到接收器的精確距離，進而解算接收器的位置（郭孝立，1990）。

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GPS一開始是由70年代初期軍事目的發展而來，該系統由美國政府建設和維護，目前有民用和軍規兩類。民用訊號精確度大概在 100 公尺左右；軍規的精度在10公尺以下。1997年4月美國政府被迫宣佈向國內開放GPS系統後，至此GPS這門新興技術很快進入社會的各部門（趙羿等，2003），廣泛運用在各種民生及科學研究上。

全球定位系統緣起與發展

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以GPS 接收儀接收衛星載波相位訊號而獲得其與衛星之距離，再應用空間後方交會法計算而得，若能得到4 顆以上衛星至接收器之距離，即可算出接收器在地球上之三維方向之相對位移（安守中，2003） 。

(修改自Hurn,1989) 28

由於GPS藉由衛星進行定位，因此具有以下六大特點：

– 1.全天候，不受任何天氣的影響；– 2.全球覆蓋（高達98%）；– 3.三維定速定時高精度；– 4.快速、省時、高效率；– 5.應用廣泛、多功能；– 6.可移動定位。因此，非常適合應用於大範圍、長距離的生態系統管理監測。

全球定位系統特色

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參、地理資訊系統

地理資訊系統 (Geographic Information System,簡稱 GIS)是由由地理學（Geographic）、資訊（Information）、系統（System）三者組合。隨著電腦技術的發展，GIS 成為一門功能強大的資料分析、視覺化及虛擬世界類比的技術系統，也隨著電腦技術的普及滲透到環境保護、商業、金融業、保險業、衛生保健、運輸與導航、移動通訊、公共事業等領域，並可以通過Internet 網路進入千家萬戶，成為人們日常生活中不可缺少的一部分。

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GIS 的產生、發展和應用是在20 世紀 40 年代末、50 年代初，主要經歷了三個發展階段：– 20 世紀 50 年代末和 60年代，電腦獲得廣泛應用後，很快被應用於空間資料的存儲和處理，主要作用是存儲和處理地圖資訊；誕生了世界上第一個地理資訊系統—加拿大地理資訊系統

– 20 世紀 70 年代，電腦發展到第三代，記憶體容量大增，出現大容量存儲設備—磁片。地理資訊系統的應用從自然資源管理和土地規劃開始，己進入政府、商業、高等院校。本階段的主要特徵為具有完善的輸入、輸出設備，人機對話和隨機操作的實現，結束了手扶跟蹤數位化現象。

– 20 世紀 80 年代以後是地理資訊系統普遍發展和推廣應用的階段，地理資訊系統的應用也從簡單的規劃轉向綜合區域的開發，地理資訊系統已開始應用於解決全球性問題，如全球沙漠化、ALNINO 現象及酸雨等問題。。

地理資訊系統緣起與發展

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目前國外流行的 GIS 軟體中有 ARC／INFO，MapInfo，MGE,Genamap 等，其中 ARC/INFO 系列產品占世界 GIS 市場的 85 ％以上，其次是 MapInfo。

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GIS 軟體的核心功能有以下幾個方面：– 1.系統可以接受的輸入資料格式和系統可以提供的輸出資料格

式：各種商業化 GIS 軟體能夠提供的資料格式不盡相同，目前基本的圖形資料格式有：ARC（ARC/TNFO）、AVHRR（氣象衛星資料）、DEM(數位高程模型)、DIME(雙鍵碼)、DLG(數位化線圖)、DXF（CAD 資料）、ELAS 與 ERDAS（ERDAS 軟體）等 14 種。

– 2.地圖代數功能：地圖代數功能是指對於專題地圖的圖形圖像資料的數學交換，包括：地圖的加、減、乘、除常數運算，地圖的指數、三角、微分運算等。

– 3.多邊形操作功能：是指對於同一層或不同層的多邊形實體間或多邊形實體與其他類型的實體間的幾何操作。包括：多邊形複合分析，進行面積計算和面積統計；產生泰森多邊形，常用于水文測量。

– 4.DEM（數位高程模型）的地形分析功能：主要是用一系列的有關地形參數的計算，包括：計算坡度、坡向，內插高程，景物視線分析（可見性計算）；產生高程等值線；排水網路模型；地形斷面圖的產生；地形的挖方／填方計算。

– 5.其他空間分析功能：走廊分析；多幅圖的布林操作；多個專題的布林操作；最鄰近地物搜索；移動視窗篩檢程式；計算最優路徑和加權的最優路徑；座標幾何計算；網路分析；向量與網格格式的相互轉換。

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GIS 技術自誕生後，就在全球內迅速推廣，目前已廣泛應用在自然資源調查、區域開發與國土整治、環境監測與保護、自然災害監測、城市規劃與管理、市政管理與維護等領域。

在國外還用於商業、企業、保險業、郵政事業、電力、電信等領域，隨著電腦技術的發展，GIS 一定會向更多的領域滲透，成為一門貼近生活中而無處不在的技術。

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簡報結束

謝謝