淺談地理資訊系統空間資料的結構
以SDTS及MapInfo資料格式為例
康佑成
一、摘要
地理資訊系統(Geographic Information System,GIS)最重要且最具實際價值的，並不是在於其系統功能的強大與否，而是在它所處理的資料，如何轉化為真正有用的資訊。本文擬就GIS中空間資料轉換標準(STDS)與MapInfo的資料格式進行探討，藉此了解這兩種資料的異同之處。
二、前言
地圖是圖形資料中的一種，描述地球表面空間事物的工具，隨著科技的進步、資訊的交流與傳遞突飛猛進，人類在地球表面的活動，愈顯複雜與廣泛，對於地圖的意義與展現則更加要求完美。使得地圖上每一個點、線及面的表現都可以加以控制與操作，因此地理資訊系統展現了地圖的新生命。
地理資訊系統(GIS)是一門科技整合下的科學，它整合了地理數學、地圖測量、電腦科學，而其應用領域、技術及工具的發展隨著電腦軟硬體的日新月異而隨之改變。
三、空間資料結構
若沒有資料，地理資訊系統就變得沒有意義。資料是地理資訊系統核心，其眾多分析處理功能不外乎就是對資料加以收集、處理、分析、展示以輔助決策。而地理資訊系統的資料型態，包括了與地理實體有關的空間資料以及描述這些地理實體的屬性資料。
其中，空間資料(Spatial data)主要有三種型態：點狀圖例(Point feature)、線狀圖例(Line feature)及面狀圖例(Area or polygon feature)。而屬性資料(Attribute data)描述了空間資料的內涵。舉例來說，道路是我們常見的地理實體；在地理資訊系統的空間資料中，記錄這條道路它的座標、位置及空間的形狀，而屬性資料便記錄它的路名、車道寬度、車道數、路面型式、交通流量等資訊。
地理資訊系統的空間資料結構有兩大類：向量式(vector)與網格式(raster)。在地理資訊系統的世界中，空間資料數值化的過程可轉換成向量式及網格式兩種資料結構。這兩種結構各有優劣、各有其適用的用途，不同結構的資料也可以互相轉換。
資料轉換(Conversion)，地理資訊系統的資料來源有很多種，資料格式也各不相同，因此在資料系統分析前，需將不同格式的資料整合，整合亦是重要的工作。一般而言，在下列兩種情形時，需要進行資料轉換，一種是地圖投影及座標系統不同時，必須透過參數的轉換將不同投影方式的地圖轉換成同一種投影方式；另一種則是在資料儲存格式不同時，也必須加以轉換。例如：Auto CAD軟體產生的DWG格式，就必須轉換成Coverage格式，才能在ARC/INFO 中使用，而不同平台間軟體也可能有不同的格式，有些工作站版的資料要讓個人電腦版使用，就必須先經過轉換。
四、MapInfo資料交換格式
MapInfo公司近年來研發之MapInfo軟體相當多人使用，以下就MapInfo的資料格式作一簡介。
MapInfo資料檔中可分為兩種格式，圖形格式儲存在＊.MIF檔案中，而文字資料包含在＊.MID檔案中。MIF檔案中分成兩個區域，一為標題區另一為資料區；MID檔案是分隔資料，每列即為一筆記錄以及換行字元。
以下簡述MIF檔案的格式：
MIF檔案標題
|
VERSION n |
Version說明所使用的版本格式。 |
|
Charest "characterSetName" |
Charset子句指定在圖表檔中建立文字時使用的字元集 |
〔DELIMITER"<
c> "〕 |
在引號中指定分隔符號，例如：DELIMITER"," |
〔UNIQUE n,n..〕 |
指定一個號碼。這個號碼指定資料庫的一個欄位；3是第三個欄位，7是第七個欄位，以此類推。 |
〔INDEX n, ..〕 |
欲指出表格中的已建索引的欄位，可在Index子句中引入一個號碼，每個號碼代表資料庫的一個欄位；3是第三個欄位，7是第七個欄位，以此類推。 |
〔COORDSYS…〕 |
指定COORDSYS子句則表示資料不是以經度/緯度形式儲存的。若未指定COORDSYS子句，則是假定資料是以經度/緯度形式儲存的。 |
|
COLUMNS n < name> < type> < name> < type> |
指定欄位數目。然後為每個欄位建立一列，它包含欄位名稱、欄位類型，對於字元欄位及十進數欄位，還包含一個指定欄位寬度的數。有效的欄位類型是 · char(寬度) · integer(4bytes) · smallint(2bytes,因此只能儲存由-32767到+32767的數) · decimal(寬度，小數位數) · float · date · logical |
MIF資料區
MIF檔案的資料區在檔案標題之後，且必須由DATA以單獨的一列引入：
MIF檔案的資料區可以有任意多個圖形初值，每個初值代表一個圖形物件。MapInfo使MIF及MID檔案中的項目相互匹配，MIF檔案中的第一個物件與MID檔案中的第一列關聯，MIF檔案中的第二個物件與MID檔案中的第二列關聯，以此類推。
如果MID檔案中特定的一列沒有相對應的圖形物件，那麼必須在MIF檔案中相對位置處寫入一個"空白"物件(NONE)以保留該位置。其可以指定的圖形物件為：點/線段/多邊形線/區域/圓弧/文字/矩形/圓弧矩形/橢圓
一個點(point)物件需要兩個參數，一個X坐標及一個Y坐標 |
POINT xy |
一個線段(line)物件需要四個參數，每個端點各一個X坐標及一個Y坐標 |
LINE x1y1x2y2 |
一個多邊形線（polyline）物件由一個區段或多個區段組成。如果該多邊形線不止一個區段，則應包含MULTIPLE關鍵字，並在其後標明區段數。 |
PLINE〔MULTIPLE
numsections〕 |
一個區域（region）物件由一個或多個多邊形組成。用numpolygons參數設定多編形數量。 |
REGION numpolygons |
一個圓弧(arc)需要其外接矩形的對角位置以及該圓弧的起點(a)和終點(b)的角度，其中角度以度的形式表示，以時鐘上三點鐘處為零點逆時針移動。 |
ARCｘ1ｙ1ｘ２ｙ２ |
一個文字(text)物件由一個文字字串組成，不超過255個字元x1y1x2及y2指定了文字在地圖上的位置。 |
TEXT "textstring" |
一個矩形(rectangle)需要一對對角的坐標。 |
RECTｘ1ｙ1ｘ２ｙ２ |
一個圓弧形(rounded rectangle)需要一對對角的坐標及圓的角度(a)。 |
ROUNDRECTｘ1ｙ1ｘ２ｙ２ |
一個橢圓(ellipse)物件需要其外接矩形的一對對角的坐標。 |
ELLIPSEｘ1ｙ1ｘ２ｙ２ |
MID檔案
MID檔案包含資料，每列是一筆資料記錄，由delimiter語句中設定的字元分隔。符號是TAB.MID檔案中的每一列與MIF檔案中的一個相對應物件相關聯；第一列與第一個物件關聯，第二列與第二個物件關聯。
如果在某個欄位的資料中包含分隔符號，用引號將該欄位圈起來。MID檔案是一個可選的檔案。如果不存在MID檔案則所有的欄位都是空白。
五、SDTS空間資料交換標準
隨著GIS建置的單位越來越多，生產、累積的空間資料愈來愈可觀。當資料的量到達某一程度時，資料的共享便成了一件相當重要的事情。換言之，一個單位所生產的資料，如果能提供給另一個單位使用，節省後者重複生產這些資料的成本。
這些年來，各家GIS廠商各自發展的結果，在資料的格式上形成了百家爭鳴的局面，彼此均難完全互轉。要使資料能共享，資料交換標準格式的訂定，便是首要之務。
美國地質調查所(USGS)負責「空間資料轉換標準」(Spatial Data Transfer Standard, SDTS)，這是一個聯邦標準，可用來進行多種聯邦產品資料格式的轉換，包括DLG、TIGER以及GRASS。
由於各個標準訂定單位對於用戶的定位不同，因此，訂出來的標準也就有所不同。目前，在國內空間交換標準的訂定上，乃是走向SDTS。因此，在這一節中，我們將把重點放在SDTS的介紹上。
在美國，由於各級政府在空間資料的收集與處理上重覆投資，因此，乃有聯邦地理資料委員會(Federal Geographic Data Committee, FGDC)的成立，以推動國家空間資料基礎架構(National Spatial Data Infrastructure, NSDI)。FGDC由聯邦及非聯邦生產及應用國家空間資料資源的人員，以及一些協調人員組成，希望推動適當的技術，支援這些應用，開發新的標準，以支援需要的資料模型以及資料內容，這些標準並能在Internet上形成一個運作環境(Framework)，達成資源共享。目前，SDTS是唯一經過認可，以支援NSDI美夢的轉換標準。
1992年7月29日，SDTS經過正式認可，成為聯邦資訊處理標準(Federal Information Processing Standard, FIPS-173)，並至1993年2月15日起生，自SDTS生效起一年後，所有的聯邦單位都必須使用它。
嚴格來說，SDTS並不是一個交換碼，它是用來描述並保留你的資料庫設計以及資料模型的標準。它主要分成三個部份，分別是邏輯部份、內容部份、以及實體部份。
1、邏輯的表示法部份(Logical
Representation)：
主要處理用來描述不同資料模型的所有資料個體(data
object)。資料個體包括：空間個體(又分為0-,1-,以及2-維個體)、非空間個體、以及複合個體。這個部份針對各個個體，提供關於如何組織、命名等之指引。此部份的第二個重點為標示資料的品質，包括：血統、位置精確度、屬性精確度、邏輯的一致性、以及完整性等。
2、資料內容部份(data
contents)：
針對空間個體屬性個體以及屬性值提供資料內容的標準目前資料僅提供地形以及水道測量(hydrographic)兩大類這兩大類的資料提供了相當詳細的欄位以及子欄位的定義
3、實體架構部份(physical
structure)：
此部份依循國際標準組織的「資訊交換用之資料描述檔案規格」(Specification
for a Data Descriptive File for Information Interchange, ISO/ANSI 8211以及FIPS123)來定義前面第一部所定義的邏輯規格之實際存放表示法。