地理資訊系統與空間運算：R軟體應用

地理資訊系統廣泛應用於交通運輸、都市規劃、社會科學等學科中，為學術研究與實務之必備工具，以瞭解運輸系統、土地使用與空間的關聯及互動，進而提出合理的交通與國土規劃。地理資訊系統可儲存大量空間與屬性資料並分析，亦可透過地圖視覺化闡述空間特徵，以從中推演政策意涵，提出具體建議。本書內容旨在介紹地理資訊系統於R語言的應用，強化資料分析之技術，使空間分析得以更具彈性。
此外亦透過大量實務資料，闡釋分析架構與方法，提供更全面的應用說明。目前正式出版的中文相關教科書皆著重於介紹使用者介面軟體，惟使用者介面軟體較缺乏彈性，抑或功能多元的商業軟體所費不貲，故本書希冀透過免費開源軟體於地理資訊系統的應用，融合數據科學與空間分析，進而強化學術與實務研究之應用。

閻姿慧
國立陽明交通大學專任副教授閻姿慧博士其研究主軸在於運輸經濟、大眾運輸、地理資訊系統、行為研究及運輸規劃，其中於大眾運輸領域中，更致力於偏鄉公共運輸之研究，尤其是針對其之績效評估，旨在探討資源整合與分配，此外更對於偏鄉運輸之公平性進行分析。

葉家榮
畢業於陽明交通大學運輸與物流管理學系學士與碩士，目前為雪梨大學運輸物流博士候選人，博士論文主題為偏鄉運輸之系統性評估。擅長領域與研究興趣為公共運輸、地理資訊系統、空間分析與巨量資料分析。

前言
地理資訊系統（Geographic Information Systems, GIS）可應用於諸多領域，含括地理學、交通運輸、都市規劃、社會科學等學科中，在學術或實務上皆為空間分析之必備工具。該系統可儲存大量空間資料，並提供地理分析工具，諸如疊圖、環域、交集等基礎操作元件，針對所蒐集的圖資進行空間分析。在空間資料展示上，地理資訊系統亦可提供視覺化的地圖，結合屬性與空間資料，使圖表具有故事性，並能由分析者從中推判隱含的政策意涵或具體建議。綜上所論，地理資訊系統的功能使空間資訊得以有效加值。
常見的地理資訊系統軟體諸如ArcGIS 或QGIS 皆重視使用者介面的操作環境，惟前者並非免費開源的軟體，取得成本較高；而後者的學習應用甚廣，且在臺灣已有諸多專書或網站教學。使用者介面的操作環境最大的缺點乃無法彈性、有效率地進行地理分析，亦難以針對部分參數作微調，使分析的細緻程度與速度大受影響。有鑒於此使用者介面的操作限制，本書介紹應用R 軟體操作於地理與空間分析，其可用簡潔的程式碼進行基本空間操作，而較複雜的地理分析則可搭配R 軟體內建與下載的套件（package），或佐以額外撰寫的程式碼，使分析的彈性度遠高於使用者介面之操作環境。此外，使用者介面對於大數據資料分析有其限制，例如購置成本較高、取得不易等；相對地，R 軟體在大數據地理資料之分析較不受此限制，且可快速流暢的處理巨量地理資料。
本書章節編排如下：首先，於第1 章簡介地理資訊系統的基本概念，以及其資料的基本格式，使讀者對於地理相關資料具相當程度的掌握。隨後，於第2 章利用範例簡介繪製地圖的程式碼、方式與技巧，並輸出各種形式的視覺化地圖，使讀者熟悉地理資訊系統地圖輸出之操作。在基本觀念及地圖輸出皆熟稔後，於第3 章始介紹地理資料之產生，由基礎的資料建構方法，乃至外部資料的讀取及格式轉換，使讀者習得資料建構之技巧。第4 章將介紹地理資料之空間操作，此乃本書最重要之環節，透過各類型範例練習，加深讀者對於R 軟體中各套件函式的印象，並靈活運用R 軟體所提供的套件操作空間運算。第5 章為本書所開發之運輸資料介接套件之應用，先行簡介各種函式參數設定與回傳的資料，期能方便讀者使用運輸地理資料繪製地圖與進行空間運算。綜合本書所有章節，第6 章另編撰實務案例之分析，細述資料蒐集、分析、產出等環節的詳細步驟，與應注意之事項，期能給予讀者具體的操作方針。
本書主要利用R 軟體的套件分析地理資料，以程式語言作為地理資訊之分析工具在臺灣較少人提及，大部分仍以使用者介面之軟體為主要導向，故可翻閱的中文學習書甚少。本書參考諸多國外的工具書與操作手冊，並利用臺灣在地的地理資料提供範例，期能使讀者更具體理解R 軟體在地理資訊系統的應用。

前言
CHAPTER01 地理資訊系統介紹
1.1 地理資訊系統簡介
1.2 空間資料純文本標記格式：Well-known text (WKT)
1.3 空間資料開放格式：Shapefile
1.4 座標參考系統：Coordinate Reference System(CRS)
1.5 地理資訊系統與R 軟體之關聯
1.6 R 軟體開發環境與套件需求
1.6.1 Windows 作業系統安裝程序
1.6.2 Mac 作業系統安裝程序
1.6.3 RStudio 安裝程序
1.6.4 RStudio 介面與面板功能介紹
1.6.5 本書套件需求
1.6.6 本書使用資料下載
1.6.7 本書程式碼

CHAPTER02 視覺化資料基本分析―地圖分析與繪製地圖
2.1 以地理資料繪製簡單地圖
2.2 屬性資料擷取
2.2.1 基本資料屬性
2.2.2 基本資料擷取
2.2.3 特定資料篩選與編修
2.3 地圖文字標記
2.4 數值型資料漸層地圖
2.5 類別型資料地圖
2.6 規則標記地圖
2.7 圖層套疊與地圖元件設定
2.7.1 圖層套疊（Overlay）
2.7.2 地圖元件：指北針與比例尺
2.7.3 地圖元件：地圖標題
2.8 地圖設計細節
2.8.1 修正點線面圖形樣式
2.8.2 圖例名稱與次序調整
2.8.3 地圖主題設定
2.8.4 地圖範圍調整
2.8.5 地圖縮圖
2.8.6 合併多張地圖
2.8.7 多重地理資料之顏色調整
2.9 其他繪製地圖套件
2.9.1 tmap 套件
2.9.2 leaflet 套件

CHAPTER03 R軟體地理資料建立及編修
3.1 簡單圖徵之建構
3.1.1 簡單圖徵幾何元素：Simple Feature Geometries (sfg)
3.1.2 簡單圖徵向量：Simple Feature Columns (sfc)
3.1.3 簡單圖徵：Simple Features (sf)
3.2 讀取地理資料
3.2.1 匯入Shapefile 格式
3.2.2 匯入文字格式（.csv、.txt）與建構地理資料
3.3 座標參考系統與地理資料邊界
3.3.1 查詢座標參考系統
3.3.2 轉換座標參考系統
3.3.3 地理資料邊界
3.4 地理資料輸出與格式
3.4.1 地理資料格式輸出
3.4.2 文字資料格式輸出
3.5 屬性資料合併

CHAPTER04 地理空間運算
4.1 空間資料合併（Spatial Join）
4.2 空間與屬性聚合（Spatial & Attribute Aggregation）
4.3 空間插值計算（Interpolation）
4.4 聯集（Union）
4.5 交集（Intersection）
4.6 環域（Buffer）
4.7 中心（Centroid）
4.8 邊界（Boundary）
4.9 空間資料簡化（Simplification）
4.10 移動、縮放與旋轉（Shifting, Scaling and Rotation）
4.11 空間計算（Geometric Measurement）
4.11.1 面積計算
4.11.2 長度計算
4.11.3 周長計算
4.11.4 直線距離計算
4.12 鄰近分析（Nearest Feature Analysis）
4.13 凸包（Convex Hull）
4.14 沃羅諾伊圖（Voronoi Polygon）
4.15 網格（Grid）

CHAPTER05 運輸資料介接與應用
5.1 運輸資料流通服務平臺簡介
5.2 軌道運輸資料
5.2.1 軌道站點資料
5.2.2 軌道路線站點資料
5.2.3 軌道路線線型資料
5.2.4 軌道班表資料
5.3 公車運輸資料
5.3.1 公車路線站點資料
5.3.2 公車路線資料
5.3.3 公車路線線型資料
5.3.4 公車班表資料
5.4 自行車運輸資料
5.4.1 公共自行車站點資料
5.4.2 自行車線型資料
5.5 其他TDX 資料與功能
5.5.1 航空班表資料
5.5.2 觀光點位資料
5.5.3 公路路網線型
5.5.4 地理編碼服務

CHAPTER06 實務案例分析
6.1 公共自行車騎乘量分析
6.1.1 使用資料
6.1.2 起訖對流量分布與視覺化地圖分析
6.1.3 站點租還量統計與影響因素之探究
6.2 公共運輸涵蓋率與可及性評估
6.2.1 使用資料
6.2.2 公共運輸涵蓋率分析
6.2.3 公共運輸可及性分析
6.3 房價資料分析
6.3.1 使用資料
6.3.2 房價資料地理編碼與視覺化地圖
6.3.3 影響房價之因素探討