GIS如何超展開?地理資訊在環境規劃中的分析與應用

文:Joanna Lin

GIS 是什麼?

GIS 指的是 Geospatial Information Systems,中文稱為地理資訊系統,廣義定義為各種將地理資訊做分析、整合及應用的技術。地理資訊則是含有空間屬性的資訊,空間屬性包括地址、經緯度、高度等,同時將資訊疊合在環境空間之上,而能做後續的管理、查找與分析。

透過地理資訊分析解碼環境議題

提到環境議題的時候,我們常常會想到的是空氣污染、全球暖化、生態系統失衡等,這些議題都與空間和地理位置有著緊密的關係。舉例來說,台灣西半部常發生的紫爆空氣污染,而研究空氣污染的改善方案時,必須要先了解污染物來源以及濃度,從左下圖我們可見全台空氣品質監測站的數據,經過數據模型的演算推估,能得到更完整的全台各地的污染物濃度概況。

從數據的收集、模型的建立、到最後視覺化的呈現,每一步都跟空間地理息息相關。幾乎每個環境議都有它所發生的地理位置以及後續影響的範圍,也因此了解怎麼用 GIS 分析資料能夠幫助我們進一步了解環境議題。

全國空氣品質指標(2021年5月3日)。圖片來源:空氣品質監測網,行政院環境保護署。

妥善應用 GIS 的話甚至能夠幫助環境恢復到原本該有的樣貌。美國史丹佛大學有一個項目叫做 Natural Capital Project,他們開發了一套空間資訊分析軟體名為 InVEST(中文為「生態系統服務評估與平衡模型」)去量化大自然所帶給人類的價值,並藉此幫助政府及開發者找到權衡經濟發展及環境保護的方案。GIS 也可以被應用在規劃公園綠地上,尤其在人口密集的地方如何打造一個適合左鄰右舍拜訪及交流的空間是一門不容易的學問。

日新月異的資料搜集技術

在過去資訊尚未數位化的年代,人們儲存地理資訊的方式不外乎是利用田野調查及手繪地圖將資訊一筆一筆記錄下來。相信很多人都還有印象甚是有過使用紙本地圖尋找位置的經驗。根據 NASA,1960-70年代 GPS(Global Positioning System,中文為全球定位系統)的發明首先被美國海軍用來偵測潛艇的位置,而後來逐漸被廣泛應用在商業、研究、民生方面。由於它的速度及精確度,GPS 已成為許多人的日常生活的一部份,相信很多人應該都有聽過或使用過汽車導航導航。

製作於1883年的紙本優勝美地地圖(Yosemite Valley 1883)疊加在3D的 Google Earth 上面,展現的兩者的差異。來源:David Rumsey Map Collection on Google Earth

過去十年來的地理資訊的搜集則被遙感(Remote Sensing)深深地影響著。根據 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration,美國國家海洋暨大氣總署),以下是遙感的定義:

Remote sensing is the science of obtaining information about objects or areas from a distance, typically from aircraft or satellites.
遙感一般是透過飛機或衛星從遠處獲取有關物體或地區資訊的一門科學。

遙感幫助人們大量地搜集來自地表或甚至是來自海底的資訊,舉凡地表溫度、海冰覆蓋度、水質濁度、波浪高度、植被覆蓋度等等,都可以透過遙感取得。因為這些地理資訊能夠一次被大量地採集、資料的公開化加上雲端的普及,讓我們能夠比以前更輕易地透過網路以及電腦軟體取得資料,減少了許多田野調查的需求。

以台灣來說,經濟部的經濟地理圖資中心收藏著琳琅滿目的地理資訊,其中大多跟商業發展及能源使用有關。民生公共物聯網資料服務平台則有行政單位、企業或大學提供的空氣品質、地震、水資源,以及災防等環境資料。另外若是在政府資料開放平臺搜尋關鍵字「圖資」的話,也能夠找到國土測繪圖資、災害防治區、各式各樣管線及公共設施等資料。遙感資訊則能在美國 NASA 的 Earth Data 網站上找到 Sentinel-1, MODIS, ASTER 等衛星所提供的影像。此外 NASA 也有一個視覺化平台提供我們瀏覽過去一些地表上發生的大事件,像是2019九月份的澳洲野火。

2019九月開始的澳洲東岸野火,從衛星影像上清晰可見。來源:NASA Worldview

空間分析以及 GIS 軟體的選擇

GIS有很大一部份是在做空間分析(spatial analysis),也就是把在空間上發生的人、事、物及現象做連結。市面上直接或間接關於GIS的軟體琳瑯滿目,比如說 ArcGIS、CARTO、Google Earth Engine、Mapbox、QGIS等等。(註1)

每個軟體都各有優缺點,也有各自著重的方向,我們也能在 YouTube 上找到許多由簡至深的教學。初學者入門的話,可以嘗試免費的 QGIS,若是有寫過程式或想要學寫程式,則可以考慮 Google Earth Engine。兩者皆提供詳盡的數據分析及地圖製作等功能。QGIS 為開源電腦軟體,任何人都能貢獻新功能,而 Google Earth Engine 則是註冊後可在網頁上執行,功能主要由Google軟體工程師開發,而使用者則是能分享彼此所寫的程式。

讓我們實際談一個案例:台灣的石虎路殺議題

台灣石虎,影像來源:野聲環境生態顧問公司

這個議題前陣子由於台灣新聞媒體的報導、台中花博會的宣導以及很多網路上的分享,受到了相當多的關注。究竟石虎路殺有多嚴重呢?根據許多的風險報告及保育評析,我們能夠更了解石虎分佈在空間跟時間上的改變:

石虎(Prionailurus bengalensis)於生態系食物鏈中屬於頂層的消費者,有極 重要的生態與保育價值,為健全生態系之指標物種。過去在台灣普遍分布於全島低海拔山區(Kano 1929, 1930,陳兼善 1956),近年記錄僅只於苗栗縣、台中市、南投縣仍有穩定記錄(姜博仁等 2015,姜博仁等 2017),並於近年新發現彰化縣八卦山區的數筆記錄。

——苗栗縣大尺度之路殺風險評估,姜博仁、曾建偉、王逸峰、王玉婷等

透過以下的描述,我們也能發現石虎面臨的威脅不只是路殺。事實上,捕獸鋏、盜獵與毒殺所造成的石虎死亡很可能遠比路殺的影響還要嚴重,而這些行為很多是由於道路及土地的開發所導致。

低海拔連綿的和緩丘陵地、不太陡峭或海拔高低變化不會太大、具有一定森林覆蓋、鑲嵌的環境提供石虎多樣化與豐富的獵物,且道路密度不能太高,為目前台灣石虎主要出現的環境。

⋯⋯現今石虎面臨諸多威脅, 其族群持續下降,分布逐漸萎縮。目前台灣石虎族群存續的關鍵因子應該主要有(1)棲地破碎化與消失(2)盜獵與毒殺造成石虎死亡之人為死亡率高,石虎族群呈現下降趨勢,以上兩個原因會讓族群形成更多的小族群,容易陷入滅絕漩渦(Gilpin and Soulé 1986)。

——重要石虎棲地保育評析(2/2),林良恭、姜博仁、王豫煌等

文章的描述中含有很多重要的地理資訊,若能將該資訊視覺化,能讓我們以另外一種角度看這個事件。透過以上報告以及林務局所提供的數據,我做了一個互動式地來探討適合石虎的棲地、廊道以及道路分佈的情形。

從處理資料到製作地圖

  1. 處理石虎棲地原始資料:從行政院林務局自然保育網下載石虎重要棲地評析與廊道分析 KMZ 檔, 利用 QGIS 把KMZ檔案中的石虎廊道轉成 GeoTIFF 網格檔,重要及潛在棲地轉成 Shapefile 向量檔,並且上傳到 Earth Engine 分別成為 Image Collection 及 Feature Collection。
  1. 標示路殺事件點位:從苗栗縣大尺度之路殺風險評估的附表一全臺灣石虎路殺事件紀錄(2019 年 6 月 20 日止),我們可取得模糊的事件座標,並將資料寫成 CSV 檔,上傳至Earth Engine 成為 Feature Collection。座標模糊能夠避免盜採者找到該物證,但足以提供學術研究。
  1. 套疊圖層匯入地圖:利用 Earth Engine Code Editor 提供的 JavaScript API 以及發布 Earth Engine Apps 的功能,將以上所取得的資料轉變成可互動化的圖層。由於大部分的資料已在QGIS完成轉檔,接下來只要將相關圖層匯入地圖,並加入合適的樣式(顏色選擇可參考 Coolors 網站),並放入圖例讓使用者能夠分辨各顏色在地圖上的差別。詳細程式內容請參考 source code
台灣石虎棲地及生態廊道互動式地圖,作者:Joanna Lin。
  1. 由地圖判讀石虎棲地狀況:從互動式地圖,我們可以探討目前適合石虎的棲地、道路及路殺(非準確)分佈情形以及廊道阻力。其中淺綠色的關鍵棲地為石虎出現機率較高且面積較大或是廊道中途重要的棲地,為林良恭等使用Linkage Mapper 分析預測後得到的結果。廊道阻力(corridor resistance)指的則是石虎出現率低的地方,阻力越大(青色)越不適合做為遷移之廊道,反之,阻力較小(紅色)的廊道則能夠幫助石虎核心族群提升連接性。
  1. 製成即時觀察與互動地圖:除了能夠研究石虎棲地外,我們也可以製作手機方便使用的圖層,方便我們在看見石虎路殺地點時,能夠及時減速開車。將路殺 CSV 檔匯入 Google Maps 圖層過後,我們便能將圖層匯入手機版的Google Maps,也能分享連結給周遭的朋友們。
Google Maps 石虎路殺地點,資料來源:行政院林務局自然保育網。

結語

利用 GIS 分析數據及製作地圖是環境觀測、分析及保育很重要的一個方式,能夠幫助我們了解大至全球小至社區規模的環境問題,以及採取相對應的防護措施。現今網路上有許多開放的資訊,使得我們容易取得各類數據。有了分析數據的技巧及判斷資料準確性的能力,我們能夠將數據妥善轉換成有用的資訊,甚至是可視化的互動地圖,引起更多人對於環境議題的關注。

(註1)

ArcGIS : 使用交互式地圖連接人群,位置和數據。 使用智能的數據驅動的樣式和直觀的分析工具,與全世界或特定群體分享您的見解。(每年約 US$100)

CARTO : 世界領先的位置情報平台。通過最佳數據和分析解決空間問題。(每月約US$200)

Google Earth Engine : 行星級的地球科學數據和分析平台,由Google的雲端架構驅動。(免費)

Mapbox : 給開發人員用的地圖和位置。精確的位置數據和強大的開發工具可改變我們瀏覽世界的方式。(收費取決於使用次數)

QGIS : 在Windows,Mac,Linux,BSD上創建,編輯,可視化,分析和發布地理空間信息。(免費)

參考資料

石虎重要棲地評析與廊道分析KMZ檔,行政院林務局自然保育網,2018年。

重要石虎棲地保育評析(1/2),姜博仁、林良恭、袁守立,執行機關:東海大學熱帶生態學與生物多樣性研究中心,2015 年 7 月。

重要石虎棲地保育評析(2/2),計畫主持人:林良恭,研究人員:姜博仁、王豫煌,執行機關:東海大學熱帶生態學與生物多樣性研究中心,2016 年 7 月。

「苗栗縣大尺度之路殺風險評估」 暨「縣道 140 改善建議分析」,執行單位:野聲環境生態顧問有限公司,負責人:姜博仁,計畫主持人:姜博仁,研究人員:曾建偉、王逸峰、王玉婷,2019年6月。

石虎影像,擷取自野生環境生態顧問公司及環境資訊中心,2019年7月。


  • 在美國舊金山灣區當軟體工程師,喜歡用互動式地圖為環境說故事。來自雲林縣麥寮鄉,從小在阿嬤的漁塭附近長大。大學時念成大環境工程系,研究所則在史丹佛發現了自己對 GIS 的熱忱。

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