GPS軌跡與GIS整合應用

文化導向地 理資訊系統 -GPS 人文數位應用實務

<第三單元> GPS 軌跡與 GIS 整合應用

郭俊麟 編著

第三單元: GPS 軌跡與 GIS 應用軟體之整合 單元概述: GPS 可以說是地理資訊系統(GIS)蒐集第一手資料的基本方 法，藉由精準的衛星定位，取得大量的空間地位資料，作為下一 階段的資料彙整、套疊、分析以及輸出的使用。本教材所使用的 GPS 軌跡記錄器(Wintec WPL-2000)，其內建的應用程式(wintool) 就提供了 GIS 通用檔案.shp 的轉換功能，可將田野實察所錄製的 GPS 定位點或軌跡直接轉換為 GIS 檔案供其他 GIS 套裝軟體使用。 GIS 軟體的教學使用並非本單元的教學重點，但為了配合 GPS 軌 跡的進階應用及 GIS 檔案輸出之學習，本單元特別介紹一套免費 且已中文化的 GIS 軟體-Quantum GIS，供使用者參考使用。 本單元首先介紹如何透過 GPS 軌跡記錄器的 wintool 工具， 將預先錄製好的 GPS 軌跡轉換為 GIS 圖層檔案，並利用 QGIS 開啟。 接下來利用 QGIS 所提供 OEPN LAYER 功能將 GPS 軌跡資料與其他 基本底圖套疊應用。最後針對一般田野工作常以表單記錄大量 xy 座標定位點的實際狀況，介紹如何將這些 XY 座標的屬性清單匯入 QGIS 圖層的方法。由於本單元重點在於 GPS 的加值應用，QGIS 的部分僅限於基本入門的概念，其於的操作與軟體介紹將於其他 教材中撰述。

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第七章

檔案輸出與 QGIS 安裝設定

本教材所使用的 GPS 軌跡記錄器(Wintec WPL-2000)，其內建 的應用程式(wintool)就提供了 GIS 通用檔案.shp 的轉換功能， 可將田野實察所錄製的 GPS 定位點或軌跡直接轉換為 GIS 檔案供 其他 GIS 套裝軟體使用。首先讓我們來介紹如何將 GPS 軌跡檔案 轉換為 GIS 的.shp 圖層資料。

7-1 .GIS 檔案輸出 開啟 Win_Tool 工具後，在上方的 Addition_Tool 工具的下拉 選單中，選擇 GIS Shapefile tool(圖 7.1)。在接下來出現的工 具視窗中，選擇欲轉換的軌跡檔案(.tap 檔案)，在下方的 Shape file 類型，選擇 1.PolyLine 或 2.Point 格式。

圖 7.1

圖 7.2

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PolyLine 就是 GIS 向量圖層中的線資料，Point 則是向量圖 層中的點資料。選擇 1.PolyLine 則會將 GPS 的行進軌跡轉換 為.shp 的線資料；選擇 2.Point 則是將 push log 的所有定位資 料(也就是實察過程使用軌跡記錄器記錄下的所有定位點資料或 手動紀錄下的 push 地標點資料)，轉換為.shp 的點資料。 執行轉換後，會在下方視窗中出現 SH_POLYLINE_日期.zip 檔。由於 GIS 圖層並非單一檔案，包含.shp(圖層主程式).dbf(屬 性資料)以及.shx(向量資料)等檔案。因此輸出檔案以.zip 將即 全部壓縮為一個檔案。

圖 7.3

用滑鼠點擊該檔案後，在下拉選單中選擇 copy to，將檔案 複製到指定的資料夾中解壓縮後即可使用(圖 7.4)。

圖 7.4

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解壓縮後的檔案清單如圖 7.5 所示，一般 GIS 軟體都可輕易 開啟。

圖 7.5

在 Win_tool 有 另 一 個 輸 出 .shp 的 功 能 ， 就 是 在 完 成 Geotagging(照片與軌跡定位)後，用滑鼠點擊已定位照片資訊的 視窗，將彈跳出一個對話視窗，可將有定位到照片的座標位置輸 出為一個 GIS 點圖層(圖 7.6)。可選擇以下兩種輸出格式:  

Make Shapefile(All Geotagging photos) Make Shapefile(All Geotagging photos)Absolute path 上列兩選項的差異，前者的屬性清單的第一欄僅描述照片檔

名；後者則會包含完整的照片儲存路徑。

圖 7.6

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7-2.QGIS 安裝與基本設定 為配合 GPS 檔案轉換後的 GIS 基本應用，本教材介紹一套免 費的 GIS 自由軟體 Quantum GIS 供使用者參考，並介紹其下載方 法與基本安裝設定。Quantum GIS(簡稱 QGIS)持續的不斷在更新 與增加新功能中，使用者可直接到其官方網站下載最新版的安裝 程式。網址:http://www.qgis.org/

圖 7.7

點擊畫面中的 Download now!會進入下載選單，由於 QGIS 是 跨平台的軟體，提供不同作業系統的安裝程式，如果你是使用 Windows 作業系統，請至 Windows 選單下，選擇 standalone installer 中的 Download QGI(圖 7.8)。

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圖 7.8

下載後直接執行安裝程式，照畫面指示安裝(圖 7.9)。一般 情況下，大概五到十分鐘內即可完成安裝。

圖 7.9

安裝過程中唯一需要提醒的大概是有關 Components 的選擇， QGIS 安裝程式提供北美地區的基本圖資，由於我們大概不太會用 到，建議不須勾選這些圖資，直接選擇 install 程式即可(圖 7.10)。 大約不到五分鐘即可完成安裝(圖 7.11)。

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圖 7.10

圖 7.11

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啟動 QGIS 後，必須先指定整個 GIS 專案的座標屬性，即定義 接下來匯入的圖層的投影及座標系統。由於本教材所使用的 GPS 軌跡紀錄器採用 WGS84 的經緯度座標系統，可從 QGIS 工具列“設 定”選單中，選擇“專案屬性”來設定(圖 7.12)。

圖 7.12

在專案屬性中先勾選“開啟即時 CRS 轉換”，並在座標系統 中選擇 WGS84 即可設定本專案的座標參考系統(圖 7.13)。

圖 7.13

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在工具列中的“圖層”選取“加入向量圖層”，或直接在快 捷工具列中點選

，即可將剛才之前從 Win_tool 的.shp 圖層

匯入(圖 7.14)。

圖 7.14

在加入向量圖層時，不須更改來源檔案的編碼，維持 system 編碼即可，指定資料的路徑後，開啟檔案(圖 7.15)。

圖 7.15

將 GIS 向量圖層匯入後，QGIS 視窗左側將出現圖層名稱(如 JPGPOINT)，右側則是定位點的點狀分布資料。地圖視窗的左上方 將顯示相對應的比例尺(以經度座標為單位)(圖 7.16)。

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可反覆操作上述的流程將其他的圖層依序加入 QGIS 中，如將 軌跡路徑的線資料，同時匯入並套疊在點資料圖層上(圖 7.17)。

圖 7.16

圖 7.17

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實作 7 QGIS 軟體的下載與基本操作 (1) 學習目的 練習從 QGIS 官方網站下載最新版的軟體，並能自行在電腦中 安裝、設定，並能將 GPS 軌跡記錄器的檔案匯入 QGIS 中。

(2) 使用設備、軟體 Wintec GPS 軌跡記錄器、Wintool (軌跡記錄器內建程式)、 QGIS 最新版軟體。

(3) 實習步驟 步驟 1：GPS 檔案的轉換 選擇一 GPS 軌跡，利用 wintool 軟體的 GIS Shapfile tool，將 GPS 軌跡檔案(定位點及路徑軌跡)轉換為 GIS 的 Shape file 格式。 步驟 2: QGIS 軟體的安裝 到 QGIS 的官方網址下載最新版軟體(http://www.qgis.org/)。依 照本單原所學習的流程，進行軟體的安裝。 步驟 3: GIS 向量圖層的匯入 運用本單元所學到的方法，將轉出的 GIS 向量圖層以 QGIS 開啟， 在地圖視窗中檢視這些點及軌跡的相對位置。

(4) 問題討論: A. Wintool 工具將 GPS 軌跡轉出為 GIS shape 圖層的方法有哪些? 你是否能比較這些方法的異同?

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B. QGIS 軟體有哪些特色? 它與一般付費版 GIS 軟體有哪些功能 上的差別?

C. 最新版的 QGIS 軟體可以在不需轉換工具，直接匯入 GPS 格式 的檔案，你知道要如何用 QGIS 開啟一般的 GPS 檔案嗎?

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第八章

GPS 軌跡與 GIS 圖層套疊應用

上一章詳細介紹了將 GPS 檔案匯入 QGIS 的流程，但在 QGIS 中，若沒有其他可參考的底圖或相關圖層資訊，也難以清楚辨識 這些 GPS 定位點的位置與相對應的地理特徵。本章接著以下載交 通部運研所的台灣地區 GIS 基本圖資，以及利用 QGIS 附加元件的 地圖套件模組為例，說明如何進一步將 GPS 軌跡資訊與其他 GIS 圖層套疊應用。

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.交通部運研所的台灣 GIS 圖層 首先請連結到交通部運研所>研究專題>交通路網數值地圖>

下載專區>多邊形資料下載。可參考以下網址，或直接用關鍵字以 Google 檢索。

圖 8.1

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選擇下載專區中 3.Twd97 經緯度的 SHP 格式。可免費下載並 使用全台灣含外島的河流、縣市界、市鄉鎮區以及村里參考圖層。 ◦SHP 格式 ◦全臺(包含外島)河流圖層（Twn_river-97 經緯度-shp） ◦全臺(包括外島)縣市界圖層（Twn_county-97 經緯度-shp） ◦全臺(包括外島)市鄉鎮區界圖層（Twn_town-97 經緯度-shp） ◦全臺(包括外島)村里參考界圖層（Twn_village-97 經緯度 -shp） 以下載全台市鄉鎮區界圖層為例，下載後解壓縮可獲得圖 8.2 清單內的檔案。

圖 8.2

參照上一章在 QGIS 匯入向量圖層的方法，將全台鄉鎮區界圖 層(TWN_TOWN) 匯入，可看到 TWN_TOWN 的多邊形圖層以套疊在 JPGPOINT 點圖層上(圖 8.3)。

圖 8.3

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由於匯入後的鄉鎮圖層會直接疊在 GPS 點圖層的上方，並將 其掩蓋住。此時在圖層選單中將 TWN_TOWN 台灣鄉鎮圖層拖曳到 JPGPOINT 下方，即可在地圖視窗中看到 GPS 定位點與鄉鎮邊界的 位相關係(圖 8.4)。

圖 8.4

利用工具列中的“識別圖徵”

工具，點擊地圖視窗中多

數定位點所在的多邊形行政邊界。即可查詢到該多邊形所代表的 鄉鎮以及區域代碼(圖 8.5)。

圖 8.5

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8-2

.QGIS 地圖附加元件

由於 QGIS 是開放程式碼的自由軟體，世界各地的研究機關或 個人都可在其平台環境上開發相關的附加套件或模組。地圖附加 元件可以說是 QGIS 最常被下載使用的附加套件之一。使用者須先 至 QGIS 工具列的“附加元件”選單中，開啟 Python 附加元件(圖 8.6)。

圖 8.6

啟動 python 附加元件後，系統會自動連線至開放下載元件的 各主機，取得可供下載的附加元件清單(圖 8.7)。

圖 8.7

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在過濾條件欄位中，填入 “google”即可在選單中看到 Openlayers Plugin，點擊該元件，直接安裝即可(圖 8.8)。(注 意，不是安裝 Openlayers overview 是 Openlayers Plugin)

圖 8.8

安裝後，在附加元件的下拉選單中，可看到 Openlayers plugin 的圖層資訊，這時候就可以直接使用 Google 或 yahoo 提 供的各類底圖了(圖 8.9)。

圖 8.9

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圖 8.10 是利用 Openlayers plugin 將 Google 地形圖加入 QGIS 圖層中後的結果。通常加入時 Google 底圖會疊在圖層的最 上層，並將原本的 GIS 圖層蓋住，利用之前講述的方法，將 Google 圖層拖曳至最下方，即可清楚比對套疊之後的結果。

圖 8.10

8-3.中研院台灣百年歷史地圖附加元件 使用者在已安裝 openlayers plugin 附加元件的前提下，可接 著安裝中研院 GIS 中心數化並分享給 QGIS 使用的台灣百年歷史地 圖圖資。該套件可直接由中研院 GIS 中心下載，或以“Openlayers plugin for QGIS 臺灣圖資擴充”關鍵字搜尋取得相關圖資安裝 套件。下載網址: http://gis.ascc.net/ISTIS/program/qgis/Additional_Openlayers_plugins_v0.51_ for_QGIS_1.6.zip

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Openlayers plugin for QGIS 臺灣圖資擴提供的歷史圖層包 括：         

日治台灣堡圖，出版年代：1898~1904 日治五萬分之一蕃地地形圖， 出版年代：1907~1916 日治二萬五千分一地形圖 ，出版年代：1921~1928 日治五萬分一地形圖，出版年代：1924~1944 日治三十萬分一台灣全圖， 出版年代：1924 二萬五千分一經建版地形圖(第一版)， 出版年代： 1985~1989 二萬五千分一經建版地形圖(第二版) ，出版年代： 1992~1994 二萬五千分一經建版地形圖(第三版)， 出版年代： 1999~2001 二萬五千分一經建版地形圖(第四版) ，出版年代：2003

安裝完 Openlayers plugin for QGIS 臺灣圖資擴充後，可在 原本的 Openlayers plugin 選單中，看到一系列的台灣歷史地圖 (圖 8.11)。

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圖 8.11

圖 8.12 與圖 8.13 顯示套疊歷史地圖後的結果，配合現況衛 星影像(圖 8.14)可進一步作為田野實察地標點的時空考察之應 用。

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圖 8.12

圖 8.13

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圖 8.14

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實作 8 QGIS 圖層套疊整合應用 (1) 學習目的 複習本單元的學習重點，下載線上免費 GIS 圖層及 QGIS 的 Openlayers plugin 地圖套件，找出最適合 GPS 軌跡比對的底圖圖 層，包含行政邊界、現況地圖、及各類型老舊地圖等。

(2) 使用設備、軟體 QGIS 軟體及可上網之作業環境。

(3) 實習步驟 步驟 1：下載臺灣行政邊界圖層 連結到交通部運研所的 GIS 多邊形資料下載網頁，下載臺灣的行 政邊界圖層資料。在 QGIS 中開啟臺灣行政邊界圖層資料與上一單 元或匯入的 GPS 軌跡資料套疊比對。 步驟 2: 在 QGIS 中安裝 Openlayers plugin 依照本單元所介紹的新增 Openlayers plugin 的流程，在附加元 件中加入 Google/ yahoo/ MSN 所提供的免費圖層。開啟不同的圖 層與 GPS 資料套疊比較，找出最適合作為底圖的地圖圖層。 步驟 3: 利用 Openlayers plugin 加入臺灣百年歷史地圖 利用中研院 GIS 中心所提供的 Openlayers plugin for QGIS 臺灣 圖資擴充模組，加入臺灣不同時期的歷史地圖。運用這些圖資比 較 GPS 軌跡路線在不同歷史時期的空間變遷。

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(3) 問題討論: A. 除了交通部運研所之外，還有哪些機構或網站可以找到免費的 臺灣 GIS 圖資?

B. 請比較:運用 Openlayers plugin for QGIS 臺灣圖資擴充模組 在 QGIS 中與 GPS 軌跡作套疊比較，以及將 GPS 軌跡以 KML 檔 案格式上傳到臺灣百年歷史地圖網站，兩者之間在操作上以及 後續的圖資加值上有哪些差異?

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第九章

XY 座標清單的輸入與簡易製圖

一般來說，GPS 資料的蒐集與記錄，常會以大量定位點的屬 性清單來呈現，使用者若能將 XY 經緯座標分別以不同的欄位紀錄， 並將資料轉為.CSV 文字檔，可輕易地轉換至 QGIS 中，繪製簡單 的分布主題圖。 首先必須先在試算表軟體中(如 EXCEL)將具 GPS 座標屬性清 單，簡化並修改為包含主題名稱、X 座標、Y 座標、其他補充資訊.. 之欄位。第一列為項目資訊列，第二列起為屬性資訊(圖 9.1)。

圖 9.1

完成 XY 清單的修改後，將檔案儲存為.CSV 文字檔(即以逗號 相隔的文字檔)。供接下來利用 QGIS 判讀 XY 座標檔案使用。

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9-1

.QGIS 匯入 XY 純文字檔圖層

在使用匯入 XY 純文字檔圖層的功能之前，再次提醒使用者記 得先設定好專案屬性為 WGS84，並同時開啟即時 CRS 轉換功能(圖 9.2)。

圖 9.2

在工具列的“圖層”中，點選 “新增 CSV 純文字檔圖層(圖 9.3)。

圖 9.3

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使用者在匯入前，若先照圖 9.1 的格式編輯 CSV 檔，在選擇檔案名 稱後，QGIS 系統將自動判讀 XY 座標欄位的位置，並可在範例純文字內 容中，看到完整的資料排列順序(圖 9.3)。

圖 9.4

倘若沒有在 CSV 的第一列項目欄中指定使用 X、Y 關鍵字，或將 XY 座標分開標示，此畫面可能會有錯誤訊息，或在下方的範例中看到所有 文字都擠在同一列中。雖然可以透過重新指定 XY 座標欄來調整，但多 數問題可能還是得回到試算表中重新調整 CSV 檔來解決。

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匯入 XY 的 CSV 純文字檔後的 QGIS 地圖視窗，如圖 9.5 所示。每個 XY 地標點及相關屬性資料皆已匯入 QGIS 中。<動腦時間>經度一度在北 迴歸線附近，大概是多少公里呢?

圖 9.5

用滑鼠右鍵點選圖層後在彈跳選單中選取“開啟屬性工作表”(圖 9.6)，即可看到每個地標點的屬性資料(圖 9.7)。

圖 9.6

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圖 9.7

可利用上一章所教授的方法，匯入台灣行政邊界圖層，或 Google 地圖，更清楚掌握這些地標點的空間分布關係(圖 9.8, 圖 9.9)。

圖 9.8

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圖 9.9

目前為止匯入的 XY 純文字清單，雖然可清楚呈現在地圖視窗中， 卻還不是完整的 GIS 圖層。在結束專案之前，請記得用滑鼠右鍵點擊該 圖層，在選單中將其另存為 GIS 的 SHP 檔案(圖 9.10)。

圖 9.10

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另存圖層資料時，保留 system 的編碼，指定儲存路徑即可順 利儲存為.shp 檔案(圖 9.11)。

圖 9.11

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9-2.GPS 圖資檢核與簡易製圖 延續上一小節的範例，假設我們要檢核這批由人工紀錄的 GPS 定位資料是否有明顯抄錄錯誤，或定位的誤差，我們可藉由匯入 QGIS 圖層與其他 GIS 底圖比對，並將有問題的地標點製圖輸出。 利用放大工具

將畫面放大到欲仔細觀察的縮放大小，例

如範例檔案中，有許多 GPS 定位點跑到彰化的外海去了(圖 9.12)。

圖 9.12

利用識別圖徵工具

，可點選這些落在外海中的 GPS 地標

點，查詢各點的基本屬性資料。圖 9.13 的查詢結果顯示“鹿港女 子公學校”的 GPS 定位點在大海中，很明顯的應該是 XY 資料錯 誤。

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圖 9.13

若要列出這些跑到海中問題地標點，可使用選取圖徵

工

具，利用滑鼠選區特定範圍內的地標點(圖 9.14)。被選取的地標 點會以“黃色”標示，如圖 9.15。

圖 9.14

圖 9.15

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此時再打開屬性表清單，利用

工具，將被選取的地標點

上移到最上方，就可以看到所有有問題的地標點，以藍底白字的 色塊羅列在清單中(圖 9.16)。

圖 9.16

若要將有錯誤 GPS 定標資訊的地圖輸出，可直接在工具列的” 檔案”，選擇”另存影像”，這樣就可以將剛才瀏覽的地圖視窗 畫面儲存為一個影像檔，如圖 9.17、圖 9.18。

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圖 9.17

圖 9.18

以上僅就 GPS 資料與 GIS 圖層應用的一些基本概念作介紹， 其他有關 QGIS 操作上的介紹可參考國立東華大學人文數位與 GIS 學程的 QGIS 系列教材。

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國立東華大學「人文數位與 GIS 學程」實作教材