国立台湾大学地理环境资源研究所硕士论文指导教授：赖进贵地形资料可视化之比较研究研究生：陈伯衔 撰中华民国九十年六月第一章 绪论第一节 研究动机看地图是一件非常有趣的事。浏览着一张地图，再加上一点点想象力，就好像自己在当地旅游一样，身历其境。随着科技的进步，计算机也被用于地图的制作上。最新的技术甚至可以让用户能够在计算机上看到立体的地图；再加上多媒体的应用，还可以提供一段当地的影片介绍，辅以网络快速普及，甚至在线地图还可以提供数据库查询等等功能。（Rose, 1996；Chrisman & Harvey, 1998；Wentz et al., 1999）但是，地图最主要的功能，还是利用于传播信息，例如：地形、水系、植物、动物、聚落、道路、地质、土地利用以及其他详细的数据；阅读地图，使得人们可以更便于得知所处的这个空间的信息，而不需要亲自到现场取得种种信息。而从传统中的纸张地图，到最近在计算机中应用的数值地图及地理数据系统，地形数据几乎都是其中的必备项目。而地形数据的收集、处理、分析、展示，原本就是地理数据科学的一项核心。（Hearnshaw et al., 1994；MacEachren et al., 1994；Berry et al., 1998；赖进贵, 1997）令人好奇的是，在传统的地图中是如何表现地形数据呢？这些方法包括了等高线图、晕渲图、晕滃图，除此之外，还有没有其他的方法呢？而应用新科技计算机来表现地形的地图，例如立体地形图、虚拟现实、动画，又是如何表现地形呢？而这些新的地图，到底有没有比传统的地图好用呢？人们看地图，就是为了获得一些信息，一般把这样的行为称之为认知。新的地图制作技术，有没有带给人更方便的地图认知呢？有没有使地图的认知更简易、内容更精确、丰富呢？笔者参加一场台北市新进地理教师研习营，会中有位老师表示，现在的中学生（国中及高中生）多表示地理学是很难学习的一门学问，这位老师也认为，自己对于等高线图部份的教学，学生学习的成效不佳，而其他的老师们也多表赞同。因此，不禁令人联想到，如果新近利用的地形数据可视化方式有传统中地形表现方式所没有的优点，是否可以利用新近的地形资料可视化方式来进行教学呢？或者当作是一种辅助工具呢？以上种种的疑问，形成本研究的研究动机。第二节 研究目的为了寻求以上众多问题的解答，最好的方式就是针对各种不同的地图上的地形表示法（或者称之为地形数据可视化方式）进行比较。本研究针对地形的表现方法加以研究，从传统地形的表现方式到应用新技术的地形表现方式加以整理、介绍，进行了解，并设计出一份问卷，以问卷的调查结果，对不同的地形表现方式加以比较，看看新的地形表现方式，究竟是不是一项华而不实的新技术，对于人们对于地形数据的了解，能不能有实质的帮助。因此，本研究归纳出几个研究目的：1.整理从古到今、从传统地图学到新近计算机地图学及地理数据系统中所较常使用的地形表现方法。2.以问卷方式进行，收集受测者判读地图的认知，以对各种地形表现方式进行比较。3.以问卷分析的结果做为左证，提供教师参考，是否利用多种不同的地形表示方式，可以辅助学生学习较为困难的地形表现方式。第三节 研究流程本研究的研究流程如下图：研究動機確定研究目的問卷分析與討論結論與建議地形資料視覺化方式視覺化人類認知地形資料文獻回顧問卷設計第四节 研究架构本研究主要在比较各种地形数据可视化方式。第一章讲述研究的动机、目的、流程以及架构。由于地形数据可视化牵涉的主要议题有地形数据、可视化、认知能力三大方面，因此，主要的研究架构就分为以下三个面向：地形資料高度、坡度、坡向、地形特徵、起伏認知能力學習、經驗、能力、記憶、思考、語言視覺化具象圖示、暈渲圖、暈滃圖、等高線圖、虛擬實境、動畫在第二章文献回顾中，针对以上三个面向的课题进行文献收集、厘清研究方向。第一节真实世界中的地理资料，主要回顾真实世界面向中地理资料的特性，进而导出地形数据的特性；再从地形测量的观点来看地形资料，整理出常用的三种数值地形模型；最后决定决定以农林航空测量所所生产的台湾地区40公尺分辨率的数值高度模型（DEM，Digital Elevation Model）作为本研究测试用的地形资料。第二节数据可视化，首先探讨学者对于数据可视化的定义；接着整理出符合此定义的传统、新近利用GIS可视化功能的各种地形展示方法，共计有具象图、鸟瞰图、晕滃图、晕渲图、分层设色图、等高线图、彩色晕渲图、渔网图、立体地形图、虚拟现实、动画等11种。这些地形数据可视化表现方式提供后续研究加以探讨。第三节人类认知回顾认知能力面向文献，得知人类的认知流程，以及皮亚杰认知理论中对于人类认知提出的四个阶段。以此作为依据，本研究得以进行地形资料可视化之比较。第三章讨论本研究的研究方法。本研究进行地形数据可视化之比较，首先检视各种可视化方法，而后进行问卷的设计，以验证之。第一节地形数据可视化方式中讨论文献回顾中所整理的地形数据可视化方式，并简述其优缺点。第二节问卷设计，以台湾地区40公尺分辨率DEM作为真实世界地形资料，选定阳明山国家公园地区作为测试数据区，以各种地形数据可视化方式绘制地形图；而为了地图绘制平台的一致性，选定了晕渲图、分层设色图、等高线图、彩色晕渲图、渔网图、立体地形图、动画、虚拟现实等八种可视化方式来加以比较，并以计算机软件加以绘制；最后选定研究对象来发放问卷。第四章问卷结果统计与分析分为三节，就问卷的三部份问题分别进行问卷结果统计及分析，以了解地形资料可视化比较之结果。第一节为问卷第一部份基本资料的结果统计与分析，以对于受测的基本背景资料有较深入的了解。第二节为问卷第二部份地形数据可视化方式个别比较的结果统计与分析，得知受测者对于八种地形数据可视化方式个别的优缺点的认知。第三节为问卷第三部份地形数据可视化方式综合比较，得知受测者对于八种地理数据可视化方式整体性的认知。第五章结论与建议。第一节对于本研究进行总结，提出本研究所得到的结论；第二节则提出建议，设计出一套教案，利用各种不同地形展现方式来辅助学生学习较为困难的地形表现方式。第二章 文献回顾地图是一种传播方法（徐圣谟, P.1, 1980）。在传统的传播系统中包括三个要素：一为数据源（Source），二为传播的管道（Channel），三为收讯者（Recipient）。转换为地图传播来看，数据源即为真实世界（Real World），传播管道则为地图（Map），收讯者则为读图者（Recipient）。若在此系统中加上制图者（Cartographer），则可形成简单的地图传播系统，如下图：真實世界Real world製圖者的概念Cartographers conception地圖Map讀圖者的概念Recipients conception图2.1 简单的地图传播系统（整理自：徐圣谟, P.2, 1980）Robinson在其所编着的地图学（Robinson et al., P.18, 1980）中利用此重要的基础理论，据以发展出地图的传播模式。本研究将这个简单的地图传播系统再做了更进一步解释，制图者的概念乃是将真实世界编码（Encoding）的认知过程，而读图者的概念则是将地图上所阅读而得知的信息加以译码（Decoding）的认知过程，最后读图者建立起其所认知的世界。整个过程可以整理如下图：讀圖者解碼Recipients Decoding地圖Map製圖者編碼Cartographers Encoding認知的世界RecongnizedWorld真實世界RealWorld图2.2 地图信息流程（整理自：Robinson 等, P.18, 1980）新近的地图学发展和资料可视化（data visualization）的关系越来越密切。数据可视化不是地图学的专利，包括化学、医学、工程等科学研究皆积极推动资料可视化的应用。MacEachren (P.4, 1994)认为，就地图的面向而言，数据可视化的研究工作内涵包括地图应用的各个科学层面，从初始的资料探索调查到假说形成，及最后的结果呈现都属于它的范畴。制图者的编码过程，也可以是一种数据可视化的过程，而最后的结果呈现即是地图。在研究观点上，有效率的视觉化工作可以提供可视化的思考（visual thinking）和可视化传播（visual communication），前者偏重在研究者个人的信息探索（exploration）和假说确定（confirmation）的过程；而后者的数据可视化则牵涉到大众之间的信息整合与展示。另外，地图的使用必须经过读图者译码，而译码的能力则涉及人类的空间思考及认知能力。地图使用者在看到一张地图时，会将图上的符号和讯息转换成心中的意像，显示该地区的空间特性或地理现象。这种转换过程与个人的知识和经验息息相关（赖进贵, 1997）。例如，一幅等高线地形图，对于一般未受过训练或学习的读者而言，可能只是一组密密麻麻的线，难以从中解读出地形起伏的信息。相对地，对于一位经验丰富的田野工作者而言，等高线图可能是田野工作所不可或缺的数据源，可以让他明了该地地形高低起伏的情形，也可以提供他准确的高程、坡度、坡向等数据。地图和读图者认知能力的关连可见一般。因此，地图这样一种传播工具，会遇到三种层面的问题：1.真实世界的地理资料2.数据可视化3.人类的认知以下就此三层面问题分节分别讨论之：第一节 真实世界中的地理资料一、地理数据中的地形数据地理学（Geography）是一门研究空间的科学。因此，地理学所要处理、表现的信息，不外乎是这些和空间有关的地理资料。地理数据的特色之一，就是它包含了空间位置及属性数据两部份。（Robinson, P.172, 1980；赖进贵, 1994；施保旭, P.81, 1995；吴秉升, 2000）空间位置是指空间数据的大小、形状、位置及地理现象（geographic phenomena）间的的相互关系。依照地理数据的空间维度，可以将之区分为以下几类：1.点资料：零维的地理现象，用以表示发生某一地理现象的地点。如：小比例尺地图上的城市位置、测量控制点、电话亭位置等。2.线资料：一维的地理数据，具有线性意义或无面积存在的地表现象。如：河川、行政区域边界、公路、管线等。3.面资料：二维的地理数据，由线数据所围起的一块区域，在这区域中的各点，在某一种分类下，其资料都是一致的。如：土地利用图、地籍数据、行政区等。4.容积资料：三维的地理数据，由面数据所重迭而成的空间信息。如：大气组成物、海洋温度等。5.时空资料：将同一地区不同时期的数据整合，即构成时间序列的数据。将前述四种数据加入时间的维度就成为四维的信息。例如：不同时期的植生分布、土地利用变迁等。属性数据用来显示地理数据的本质，是对空间对象的某些值进行量测或描述的结果。依照其特性，可以分为下列四个类别：类别数据（nominal data）：依数据性质的不同来加以分类，数据之间并无数值大小的关系。如：土地利用型态、土壤类别。这些数据只有种类的区分，并无大小的区别。等级数据