2017年3月29日

無遠弗屆、動靜皆宜地圖服務時代的來臨

作者/洪榮宏,成大測量及空間資訊學系副教授,一個天生喜歡由空間觀點思考的人。近年悠遊於地理資訊系統領域之各類技術發展,對探索空間資訊技術之可能性充滿熱情﹑楊錦松/成大測量及空間資訊學系,近年空間資訊領域發展非常令人興奮驚奇,歡迎一起研究結合空間資訊及人類生活環境之相關問題與發展技術。


1851 年所出版的歐洲傳統地圖。(shutterstock)

地圖是一種視覺化的工具,將廣大的現實世界化為縮影,讓我們得以解讀空間資訊。近年來,資訊科學、網際網路、行動裝置、定位技術、地理資訊系統、社群媒體等領域快速發展後,我們正進入一個全新的地圖服務與應用環境,有別於傳統的地圖展示角色,未來的地圖服務將帶來「無遠弗屆」及「動靜皆宜」的嶄新與創意應用,徹底顛覆空間資訊未來的發展。

傳統地圖被印製於紙質的媒介上,必須以有限範圍描繪廣大區域,因此具有比例尺,雖然精心設計的地圖看起來非常美觀,但地圖內容僅包括所選擇的主題,且表示位置及細緻度也受到比例尺的控制。基於印製考量,地圖所記錄的位置必須參考一個選定的坐標系統;另一方面,如果要將地圖用於描述特定時間狀態以掌握時序性變化,就必須在選擇的時間上分別製作不同版本的地圖,才能構成歷史狀態的描述。傳統地圖製作因此需要權衡展示範圍、固定展示內容、單一時間及抽象化表示等因素,在應用上造成各種限制。

地理資訊系統革命
地理資訊系統技術的發展,對地圖生產與後續應用帶來了革命性的變化,以數值坐標記錄的地圖內容及以圖層方式建立的管理機制,允許我們自由套疊不同主題的資料。其中最大的改變,是地圖運作中增加了透過電腦螢幕視覺檢視與互動操作的模式,使用者可以任意開啟資料庫中所儲存的多個地圖檔案資料、檢視大範圍地區的現象,透過坐標計算兩個位置的距離及單一現象的範圍,甚至進行複雜的空間分析,這些在傳統紙質地圖所不易達成的要求,在數值坐標的世界內,都可以輕易達成。

地理資訊系統之運作模式並不侷限於展示地圖,透過連結後端屬性資料庫,使用者可以進一步獲得地圖符號沒有直接展現的資訊,例如地圖上可呈現城市的空間分布,但點選後,可以獲得特定城市人口、氣候等資料,甚至以此產製各種不同
主題地圖。地理資訊系統無論在資料的紀錄方式與軟體工具的運作模式上,都為地圖運作帶來了重大改變。即使在傳統地圖中,許多基本概念並沒有改變,但卻因為地理資訊系統的蓬勃發展,而邁入了一個嶄新的時代。

圖一:從1/25000 地形圖(上)及臺灣通用電子地圖之內容(下),可看出由於設定之比例尺不同,後者提供了更為詳細的呈現內容。(上圖取自中研院地理資訊系統專題研究中心所發布之地圖服務,下圖取自臺灣通用電子地圖圖磚服務)





地圖服務逐漸興盛

了解自己所處的環境狀態,是人類的基本需求。

於是我們開始期待,人們可以隨心所欲地取得感興趣區域的地圖資訊。網際網路的出現,為這樣的期待提供了運作的平台。藉由建立「地圖服務」,使用者得以在遠端提出需求,並由服務平台提供滿足需求的地圖資料。由專業單位負責之地圖服務平台可確保供應資料的品質;使用者無需投資昂貴的軟硬體資本,並可藉由分享而減少重複投資,因此無論政府或民間,地圖服務平台如雨後春筍般出現。

尤其現在可透過手機GPS取得坐標,套疊線上或離線地圖,並發展各類APP 服務後,可預期地圖應用模式將逐漸由數值地圖取代紙本地圖。為服務各類領域的不同需求,地圖服務平台往往被期待可以提供大範圍區域(例如全球或全國)及不同細緻程度的展示內容。

在地圖服務上存在一個重要的課題──地圖服務平台傳送至使用者的資料格式。常見的資料模式可分為網格式及向量式兩大類型,由於向量式資料涉及較為複雜的描述架構,早期的地圖服務多是將地圖資料轉換為影像格式,再從使用者端的軟體環境展現。若使用者的需求僅是檢視地圖內容,不涉及計算或量測,將地圖轉置為數值影像就可以滿足需求,但這樣的結果並不帶有坐標資訊,削弱了後續應用的可能性。

因此,人們發展了具有坐標資訊的資料格式(例如GeoTiff),使地圖資訊在納入地理資訊系統後,除相鄰地圖可構成連續現象之展示外,還可與其他具有位置參考資料建立良製的地圖具有美觀的展示內容,在印製時已考量了出圖的狀態,但轉置為數值影像後,即便可在地理資訊系統的軟體環境中被任意放大與縮小,雖然幾何比例仍屬正確,但既定之地圖內容並無法因應比例尺而隨之變化,往往造成不佳的視覺成果。
圖二:階層式地圖圖磚架構。

聚沙成塔的影像地圖圖磚
在空間資訊已蓬勃發展的今日,資料蒐集已漸漸不是問題,但地圖服務要如何達成「無遠弗屆」的目標,且在網際網路環境兼顧運作順暢度,是相當值得深思的。

現今,地圖服務多半採取「地圖圖磚(Map Tile)」及「階層式架構(Hierarchical Architecture)」運作模式,地圖圖磚的概念就像貼磁磚一樣,將現地範圍切割為大量數目且大小相同的網格單元,每個網格單元的展示內容以一張影像記錄,具有固定數目之像素。對每個網格單元而言,像素愈多能表示之細節程度就愈高,但相對而言,單一網格單元所對應的影像資料量就更為龐大,在網路傳遞時可能造成作業瓶頸。完成切割後,當使用者需要特定區域的地圖影像時,只要判斷哪些網格單元與其具有空間交集,其結果可為一張或多張影像,再將相關影像傳遞至使用者端,依其位置顯示即可。只要可取得構成地圖內容的資料,無遠弗屆的地圖服務將再也不是夢想。

因使用者端的展示螢幕具有固定像素,一股腦將遠超過使用者端螢幕像素之影像資料傳遞給使用者,不但容易造成龐大的傳輸負擔,還必須另作處理,並不符合運作效益。階層式架構將影像式地圖圖磚建立為一個類似金字塔的多層次架構,每個層次由不同數目的網格單元構成,層次愈高,網格單元愈多,所能表示之細節程度愈高。配合使用者端設定空間展示範圍及各層次網格單元大小,可評估合適的回應層次,在回傳資料量、展示細緻度及作業效能上達到平衡。不同層次的地圖圖磚必須以地圖縮編考量進行內容編輯,以使每個層次內容均可達到美觀展示的目標。

因此當使用者在遠端下達縮放指令時,地圖服務平台快速切換到合適之層次,判斷及取得與螢幕展示範圍相關的影像資料,再傳送到使用者端,當使用者想檢視周遭區域時,只要取得新納入區域的地圖圖磚即可。在這樣的架構下,無論身在何處,使用者只要可提出空間約制條件,即可「無遠弗屆」地取得任何區域不同細緻程度之地圖資料,突破傳統地圖之運作限制。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第568期】


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