107 高普考高考三級 測量製圖 地理資訊系統及地圖學 考古題詳解

核心觀念

本題評量考生對「臺灣通用電子地圖（Taiwan e-Map）」之資料結構、網路圖資發布機制（Web GIS Service Architecture）及空間資料應用特性的理解。核心範疇涵蓋：

1. 資料模型（Data Model）本質：

• 向量式資料（Vector Data）：以點（Point）、線（Polyline）、面（Polygon）等幾何圖元記錄客體位置與形狀，並關聯屬性資料表（Attribute Table），具拓撲關係（Topology）。
• 影像地圖（Image/Raster Map）：指將向量圖資在伺服端預先完成製圖符號化（Symbolization）與彩現（Rendering）後產製之網格圖磚（Tile Pyramid），亦包含疊加正射影像之混合圖層（如符合 OGC WMTS/WMS 規範者）。

2. 服務架構與設計策略：伺服端／客戶端運算分工、空間資料索引、多尺度圖磚金字塔（Tile Pyramid Architecture）、頻寬控制與快取機制（Caching）。
3. 終端應用效益與限制：涵蓋空間幾何運算、屬性查詢、符號自訂性、硬體負載與資料安全性（機密圖資洩漏風險控管）。

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解題方法

本題為申論評析題，解題切入點應採「技術內涵架構化、應用比較指標化」方式鋪陳，切忌流於一般性敘述：

1. 設計策略層面：分別從「資料模型組織」、「彩現與運算分工」、「效能與網路傳輸機制」三方面拆解兩者的架構策略。
2. 情境與限制層面：以「使用者端（Client-side）」為核心視角，建立具備比較指標（幾何分析、屬性查詢、彩現彈性、終端效能、頻寬需求）的系統化分析架構。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題型，故無選項可逐一排除。作答關鍵在於不可將影像地圖狹隘地僅定義為「航空照片」，必須正確理解臺灣通用電子地圖的影像發布本質——「伺服端預先彩現的網格化圖磚底圖服務（Raster Tiles）」，方能精準切入設計策略的核心差異。

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解題技巧

1. 破題關鍵（層次分明）：先定義「向量」與「影像地圖」在 Web GIS 中的技術角色——向量是「分析與互動型圖資」，影像圖磚是「展示與背景型底圖」。
2. 高分公式運用：在說明影像圖磚金字塔設計時，列出層級解析度關係式 $R_z = \frac{R_0}{2^z}$（其中 $z$ 為縮放層級 Zoom Level），展現測量與地圖學的數理底蘊。
3. 常見陷阱防範：

• 避免只回答「向量可以放大不失真、影像會模糊」這種中學地理層次的答案，必須從「拓撲分析能力」、「屬性表取用」、「終端硬體負載（GPU/記憶體）」與「網路酬載（Payload）」等專業維度論述。
• 務必提及「資料保密與智財權」差異：影像圖磚無法直接還原高精度數值坐標，是官方發布公開圖資的重要安全策略。

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【答案】

一、向量式資料與影像地圖之設計策略

(一) 向量式資料（Vector Data）之設計策略

1. 離散物件資料模型與屬性連結： 採用點、線、面幾何圖元記錄地表實體之絕對坐標（如 TWD97），並建立關聯式屬性資料庫（如道路名稱、門牌號碼、使用分區等）。設計重點在於拓撲關係（如連通性、鄰接性）的維護，支援精準的幾何量測與拓撲查詢。
2. 圖層化分級與特徵編碼（Classification & Feature Coding）： 將地圖要素依屬性分類分層管理（如水系、道路、建物、地界等），並採用統一之要素代碼與綱要（Schema），確保跨機關圖資整合與資料互通性（如符合 OGC WFS 規範或 Shapefile/GeoJSON/GML 格式交付）。

核心觀念

本題為典型的「空間分析（網絡分析）」與「主題地圖製圖（系列地圖）」整合型申論題，測驗考生將實務防救災需求轉化為地理資訊系統（GIS）標準作業程序與視覺化表達的能力。核心觀念涵蓋：

1. 路網拓撲與阻抗模型（Network Topology & Impedance）：緊急救災車輛之可行達範圍受限於道路幾何、車速限制、單行道及轉向限制，必須使用奠基於圖論（Graph Theory）的向量路網分析（Network Analysis）​之「服務區域（Service Area）」演算法，而非等向性之歐幾里得幾何環域（Euclidean Buffer）。
2. 空間疊合分析（Spatial Overlay Analysis）：透過「點在多邊形內（Point-in-Polygon, PIP）」運算與集合差集（Set Difference）運算，判別空間點位（門牌地址）是否落入特定多邊形（服務圈）內。
3. 地圖學視覺變數與階層設計（Bertin's Visual Variables & Visual Hierarchy）：依據主題重要性，調配形狀、大小、色相（Hue）、彩度（Saturation）與亮度（Value），建立前景主題、中景輔助與背景底圖之視覺對比。
4. 空間驅動地圖集（Map Series / Data Driven Pages）：利用行政區多邊形作為索引圖層（Index Layer），動態切割空間範圍、動態旋轉與連動屬性標籤，產製標準化分區圖集。

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解題方法

一、所需資料整備（Data Requirements）

完成本任務需要空間資料（向量圖層）與非空間屬性資料，必須統一於同一個投影坐標系統（如 TWD97 / 121 分帶，EPSG:3826）：

1. 消防分隊點位資料（點圖層，Points）：

• 屬性包含分隊代碼、名稱、行政區、救災車輛編組等。

2. 向量道路路網資料（線圖層，Lines）：

• 具備完整拓撲關係（節點 Node、弧段 Link）。
• 關鍵阻抗屬性：道路長度（$L$）、道路等級、速限（$V$）、單行管制（One-way）、禁止轉向規則（Turn Restrictions）、立體交叉（如高架橋、地下道等 Elevation/Z-level 欄位）。

3. 門牌地址點位資料（點圖層，Points）：

• 轄區內經地址正規化定位（Geocoded）之門牌地址或建物出入口點，屬性包含地址代碼、門牌全名、所屬行政區（鄉鎮市區）。

4. 行政區界線圖層（面圖層，Polygons）：

• 縣市界、鄉鎮市區界多邊形，用作分區遮罩（Mask）、邊界索引與統計分組單元。

5. 製圖底圖資料（參考圖層）：

• 臺灣通用電子地圖（Taiwan e-Map）、正射影像圖（Orthoimage）或簡易地形陰影圖（Hillshade），作為製圖襯底。

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二、地理資訊系統操作方法（GIS Operational Workflow）

步驟 1：建立路網資料集與阻抗設定（Network Dataset Construction）

1. 將道路線圖層建立為具備拓撲關係的路網資料集（Network Dataset）。
2. 計算各路段行車時間阻抗（Cost / Impedance），路段 $i$ 之通行時間 $T_i$ 數學定義為： $T_i = \frac{L_i}{V_i} + t_{\text{turn}}$ 其中 $L_i$ 為路段長度，$V_i$ 為考量路況或速限後的有效行車時速，$t_{\text{turn}}$ 為交岔路口轉向延遲時間。
3. 納入單行道限制（Restriction）與高架/平面不相交立體拓撲。

步驟 2：計算 20 分鐘服務區域（Service Area Analysis）

1. 載入設施點（Facilities）：匯入全縣市所有消防分隊點位。
2. 分析設定：設定旅行模式為緊急車輛（Driving Time）、時間阻抗門檻值（Cutoff）為 20 分鐘。
3. 求解生成服務圈面圖層（Polygons）：系統以 Dijkstra 演算法向外追蹤路網節點，沿路網搜尋累積通行時間滿足 $\sum T_i \le 20 \text{ 分鐘}$ 之路段，並將路網端點向外包絡平滑化生成多邊形。
4. 融合（Dissolve）處理：將各分隊產生的服務圈進行聯集（Union/Dissolve），輸出全縣市消防分隊之 20 分鐘整體服務覆蓋面圖層 $S_{20}$。

步驟 3：空間疊合與未服務地址統計（Spatial Extraction & Aggregation）

1. 未覆蓋地址空間篩選：

• 採用空間選取（Select By Location）：找出位於 $S_{20}$ 外部的地址；或利用擦除工具（Erase / Difference），以 $S_{20}$ 擦除門牌地址點位，分離出「20 分鐘無法涵蓋之地址點圖層」（$A_{\text{unserved}}$）： $A_{\text{unserved}} = A_{\text{all}} \setminus (A_{\text{all}} \cap S_{20})$

2. 行政區分組統計：

• 將 $A_{\text{unserved}}$ 與行政區多邊形進行空間結合（Spatial Join / Intersect），使每一未涵蓋地址帶有其所屬行政區代碼。
• 執行屬性摘要統計（Summary Statistics / Frequency），以「行政區代碼」為分組欄位（Case Field），統計各行政區之未服務地址數目（Count）。

步驟 4：分區地圖產製（Map Series / Data Driven Pages）

1. 設定行政區面圖層為驅動索引圖層（Index Layer）。
2. 針對各行政區設置動態範圍（Extent）縮放與裁切/淡化（Clip / Masking），逐一輸出全縣市各鄉鎮市區獨立圖幅。

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三、地圖設計之視覺化考量（Cartographic Visualization Design）

1. 視覺階層（Visual Hierarchy）與圖層疊加順序

地圖視覺深度由上至下依重要性分為三層：

• 前景（Primary Information - 核心主題）：

核心觀念

本題評量土地資訊系統（Land Information System, LIS）​與空間資料庫（Spatial Database）​之核心架構設計能力，命題範疇涵蓋以下四大基石：

1. 空間資料塑模（Spatial Data Modeling）：遵循開放地理空間協會（OGC）之簡易特徵規範（Simple Features Specification），釐清點（Point）、線（LineString）、面（Polygon）等幾何實體與非空間屬性資料之結合方式，並定義空間參考系統（如臺灣採用之 TWD97 坐標系統）。
2. 實體關聯模型（E-R Model）與資料庫正規化：界定實體間之基數關係（Cardinality）。本題關鍵在於辨識「宗地」與「所有權人」為多對多（M:N）關係（一筆宗地可由數人共有；一人可擁有數筆宗地），依關聯式資料庫正規化準則，必須增闢中介之「權利關係表」。
3. 參照完整性（Referential Integrity）：藉由主鍵（Primary Key, PK）與外鍵（Foreign Key, FK）維護純屬性條件下之關聯一致性。
4. 空間拓樸完整性（Spatial Topological Integrity）：依據地籍管理與測量法規（以命題當年民國 107 年之《地籍測量實施規則》及《土地登記規則》為準），地籍多邊形必須具備嚴密拓樸規則（如無縫隙、不重疊、邊界頂點必為界址點），藉由空間運算元（如 ST_Intersects、ST_Touches）或拓樸引擎維護圖形一致性。

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解題方法

從空間資料庫（如 PostgreSQL/PostGIS 或 Oracle Spatial）之觀點，將系統資料結構分為「資料類別設計」與「關係維持機制」兩大面向進行規劃：

一、 空間資料庫類別內容設計

除題目指定之三個類別外，為符實務運作並消除 M:N 異常，主動擴充「權利關係表」與「界址線」類別，使模型完整合規。

類別名稱	幾何型態 / 資料結構	關鍵屬性欄位	備註 / 空間約束
界址點 (Boundary Point)	空間點實體 (Point)	點號 (Point_ID, PK)、點位坐標 ($X, Y$)、界標類別（鋼釘、塑膠樁等）、測量日期、精度等級	空間參考系統為 TWD97；為地籍幾何之最小控制元素。
宗地 (Parcel)	空間面實體 (Polygon)	宗地代碼 (Parcel_ID, PK，段號+地號)、登記面積、計算面積、使用分區、公告土地現值	外環坐標閉合且不自相交；多邊形頂點序列與界址點幾何重合。
所有權人 (Owner)	純屬性資料表 (Non-spatial)	統一編號 (Owner_ID, PK，身分證字號或統編)、姓名/名稱、聯絡地址、權利人類別（自然人/法人/公法人）	登記主體基本資料，不具空間幾何屬性。
權利關係表 (Ownership) (擴充類別)	關聯實體表 (Associative Table)	關聯序號 (Reg_ID, PK)、宗地代碼 (Parcel_ID, FK)、所有權人統編 (Owner_ID, FK)、權利範圍/持分比例（如 $1/1$ 或 $1/2$）、權利種類（所有權、他項權利）、登記日期、權狀字號	核心設計：拆解宗地與所有權人間的多對多（M:N）關係為兩個一對多（1:M）關係。
界址線 (Boundary Line) (擴充類別)	空間線實體 (LineString)	線段代碼 (Line_ID, PK)、起點點號 (Start_Point_ID, FK)、終點點號 (End_Point_ID, FK)、左宗地代碼 (Left_Parcel, FK)、右宗地代碼 (Right_Parcel, FK)	記錄相鄰宗地共用邊緣之拓樸結構（Planar Topology）。

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二、 維持三者關係之條件機制

1. 透過「屬性條件」維持關係（關聯完整性限制）

• 宗地與所有權人之關係：
• 透過中介的「權利關係表」落實參照完整性限制。
• Ownership.Parcel_ID 參照 Parcel.Parcel_ID，並設定串連更新（ON UPDATE CASCADE）與限制刪除（ON DELETE RESTRICT），防止幽靈宗地。
• Ownership.Owner_ID 參照 Owner.Owner_ID。
• 設定業務邏輯檢核約束（Check Constraint）：同一筆 Parcel_ID 下，所有所有權人的「持分比例」總和必須恆等於 1： $\sum_{i=1}^{n} \text{Share}_i = 1$
• 宗地與界址點之關係：

核心觀念

本題評量測量製圖類科中「行動地理資訊系統（Mobile GIS）」與「現代前瞻地理資訊技術」的整合應用能力，核心概念涵蓋：

1. 適地性服務（Location-Based Services, LBS）之內涵與五大構成要素：包含行動終端（Client）、定位機制（Positioning System）、通訊網路（Network）、服務與應用提供者（Service/Content Provider）、地理資訊伺服器與空間資料庫（GIS Server & Spatial Database）。
2. LBS 基本空間分析與檢索運算原理：空間幾何運算（如點對多邊形檢索、動態環域分析 $Buffer$、最近鄰近點查詢 $k\text{-NN}$、路網最佳路徑分析）。
3. 無線感測網路（WSN）與物聯網（IoT）的時空擴充：傳統 LBS 多處理「靜態或半動態圖資」（如固定商家 POI、固定路網）；引入 WSN/IoT 後，資料維度由靜態空間 $(X, Y, Z)$ 提升為具備即時時間戳記 $(X, Y, Z, t)$ 的「動態環境觀測串流」（Streaming Data）。
4. 即時性強化機制：以 OGC 之感測網啟用規範（Sensor Web Enablement, SWE）、輕量化物聯網傳輸協定（如 MQTT、CoAP）、地理圍欄（Geofencing）與複雜事件處理（Complex Event Processing, CEP），達到「主動推播（Push）」與「即時事件觸發」之運作邏輯。

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解題方法

本題為標準的雙子題申論題，評分標準側重「系統架構完整性」與「運作機制的邏輯層次」。作答策略切入點如下：

1. 第一子題（LBS 定義與運作原理）：

• 採「定義確立 $\to$ 系統元件 $\to$ 互動流程」之三段式架構。
• 務必點出 LBS 不僅是「定位」，其核心在於「定位資訊與 GIS 空間資料庫的後端運算整合」。

2. 第二子題（結合感測網與物聯網強化即時性之運作原理）：

• 採「物聯網三層架構（感知層 $\to$ 網路層 $\to$ 應用與分析層）」切入，具體論述「資料流」如何被即時採集、傳輸、空間運算並推播至使用者。
• 凸顯由「傳統被動查詢（Pull，使用者發起請求）」轉型為「即時主動感知與事件驅動（Push，如災害預警、動態交通避堵）」之運作原理轉變。

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選項分析

本題為國家考試高考三級之申論題型，無個別選擇題選項。計分重點在於論述之完整度、層次分明度及專業名詞準確性。

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解題技巧

1. 模組化作答版面：申論題切忌整段文字密密麻麻。作答時使用大標「一、二」、中標「（一）、（二）」、小標「1.、2.」，條列式呈現各系統元件與運作步驟，閱卷老師能於數秒內抓到給分關鍵詞。
2. 避免「只答定位，忽略 GIS」的常見陷阱：許多考生誤將 LBS 簡化為「手機用 GPS 定位看地圖」。必須強調「GIS 空間伺服器（進行環域、路網分析）」與「屬性/空間資料庫」的介入，才符合本學科命題宗旨。
3. 強化即時性的關鍵字掌握：回答第二子題時，應適時帶出專業術語，如「時空串流資料（Spatio-temporal Streaming Data）」、「地理圍欄（Geofencing）」、「低延遲傳輸協定（MQTT/CoAP）」與「主動事件觸發（Event-driven）」，可顯著提高給分等第。

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【答案】

一、適地性服務（LBS）之定義與運作原理

（一）定義

適地性服務（Location-Based Services, LBS）係指透過行動通訊網路，利用各式定位技術獲取行動終端使用者所在的地理空間坐標 $(X, Y, Z)$，並結合地理資訊系統（GIS）之空間分析與空間資料庫運算，於「適當的時間、適當的地點」提供使用者與當前位置高度關聯之客製化資訊與加值應用的整合性服務型態。

（二）系統組成架構

LBS 之運作仰賴五大核心元件協同運作：

1. 行動終端設備（Mobile Device）：如智慧型手機、平板電腦或車載系統，負責接收使用者輸入、呈現地圖介面並反饋查詢結果。
2. 定位系統（Positioning System）：提供設備即時空間坐標。室外主要仰賴全球衛星導航系統（GNSS）；室內或遮蔽處則結合 4G/5G 基地台（Cell-ID、AOA/TDOA 三角定位）、Wi-Fi 指紋定位（Wi-Fi Fingerprinting）或藍牙微定位技術（Beacon）。
3. 通訊網路（Communication Network）：提供行動設備與後端伺服器間資料雙向傳輸之無線通訊介質。