113 地方特考四等 測量製圖 空間資訊概要 考古題詳解

核心觀念

空間資訊的「3S」是指 全球導航衛星系統（GNSS）、地理資訊系統（GIS）與遙測（RS）。三者分別負責取得位置、管理與分析空間資料，以及從遠處快速蒐集地表資訊，構成空間資訊蒐集、處理、分析與應用的重要技術組合。

解題方法

作答時可依「定位、管理分析、觀測」來說明三者的分工，再補充它們如何整合應用：

• GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統）：以衛星訊號進行定位、導航與授時，可取得測站或物體的座標與時間資訊。常見系統包括美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐盟 Galileo 與中國 BeiDou。
• GIS（Geographic Information System，地理資訊系統）：用來蒐集、儲存、管理、查詢、分析及展示具有位置或地理參考的資料。它可將不同來源的資料整合到共同的空間架構中，進行疊圖、緩衝區、網路分析及空間統計等作業。

核心觀念

光達（LiDAR，Light Detection and Ranging）是主動式遙測技術：感測器主動發射雷射脈衝，再接收地物反射的回波，利用雷射往返時間求得感測器與地物間的距離，並結合感測器位置、姿態及雷射指向，計算地物的三維座標。

光達常搭載於飛機、無人機、車輛或衛星。它與被動式影像感測器不同，不以接收太陽反射光成像為必要，因此在適當的系統與作業條件下，可於夜間取得資料；但降雨、濃霧等大氣狀況可能影響雷射傳播與回波品質。

解題方法與運作原理

作答時依序說明「發射與接收、測距、定位成點、形成資料」即可完整呈現其原理。

雷射脈衝由感測器發射，經地物反射後返回。若雷射往返時間為 $\Delta t$，光速為 $c$，則感測器至反射面的斜距為：

公式除以 2，是因為量得的時間涵蓋雷射從感測器到地物再返回的往返路程。要將斜距轉為地面點位，還須整合 GNSS（全球導航衛星系統）提供的感測器位置、IMU（慣性測量單元）提供的姿態，以及掃描器的雷射指向與校正參數，將量測結果轉換至地圖座標系統，得到地物點的三維座標 $(X,Y,Z)$。

航空光達通常以掃描方式覆蓋航帶；同一束雷射在樹冠、枝葉或地表等不同位置反射時，可能形成多重回波。透過適當的回波處理與分類，可取得地表及地物的空間資訊。

可獲得的資料

光達的直接成果通常是具有三維座標的點雲。點雲可附帶強度、回波序號、回波總數、時間及分類等屬性；實際可用欄位依感測器與資料處理方式而異。其資料可整理或衍生成：

• 數值地表模型（DSM）：表示地面與地上物表面，例如建物屋頂、樹冠的高程。
• 數值地形模型（DTM）：經地面點分類與內插等處理，表示裸露地表的高程。

核心觀念

本題考查衛星導航系統的定位原理，以及衛星訊號傳播的「通視性」（Line of Sight, LOS）。GNSS 衛星以無線電訊號傳送衛星時間與軌道等資訊，接收機接收訊號後，利用訊號傳播時間換算衛星至接收機的距離，再以多顆衛星的距離觀測進行定位。

衛星訊號是高頻微波，通常沿近似直線傳播；定位所需的訊號必須能由衛星傳到接收機。因此，衛星與接收機之間需有足夠通暢的傳播路徑，才能穩定接收可用訊號。這裡的「通視」指的是訊號傳播條件，不是肉眼必須看見衛星。

解題方法

可從「訊號如何提供位置」及「遮蔽如何影響訊號」兩方面作答：

1. 定位需要衛星測距觀測 接收機根據衛星訊號的傳播時間估算距離，基本關係可表示為 $\rho \approx c\,\Delta t$ 其中 $\rho$ 為衛星至接收機的距離，$c$ 為光速，$\Delta t$ 為訊號傳播時間差。實際觀測還需處理接收機時鐘誤差、衛星鐘差、軌道誤差、大氣延遲等因素。接收機須取得多顆衛星的有效觀測，才能解算三維位置及接收機時鐘誤差。

2. 遮蔽會使訊號衰減或中斷 建築物、隧道、山壁、濃密林木等障礙物會阻擋或大幅衰減衛星訊號，使接收機無法追蹤該衛星，減少可用衛星數。可用觀測不足時，接收機可能無法解算位置，或只能提供較低維度、較不穩定的定位結果。

核心觀念

本題在考空間資料內插的基本概念：已知若干離散測點的數值，依據測點位置與數值，推估未測位置的數值。「最鄰近法」與「距離反比權重法」都屬於以周圍測點推估的局部內插方法，兩者主要差異在於如何使用鄰點資料。

解題方法

一、最鄰近法（Nearest Neighbor）

對待估位置 $x$，找出距離它最近的已知測點 $x_i$，直接將該測點的數值 $z_i$ 指派給待估位置：

其中 $d(x,x_j)$ 為待估位置與第 $j$ 個測點的距離。每個位置的估值都取自單一最近測點，不會將多個測點的數值加權平均。

• **優點：**計算簡單、速度快；不會產生高於最大已知值或低於最小已知值的估值；適合類別型資料，例如土地利用類別或地質分類。
• **缺點：**只採用一個測點，未充分利用其他鄰點資訊；結果呈現分區常數，區域邊界可能突變、不平滑；測點分布不均時，較遠測點可能支配大片區域。

二、距離反比權重法（Inverse Distance Weighting, IDW）

依據距離給周圍測點不同權重：距離越近，權重越大；距離越遠，權重越小。待估值為鄰近測點數值的加權平均：