华盛顿特区红外航空照片。（USGS ）
2005年1月8日，核攻击潜艇圣弗朗西斯科号（San Francisco ）正在从关岛到澳大利亚布里斯班的途中——在南太平洋水下大约150米处全速航行。136名水手中的大多数人在吃午餐时，听到一声恐怖尖锐的声音，紧接着一声雷鸣般的爆炸。几秒后，水手们就像人体模型那样被抛得横七竖八。圣弗朗西斯科号撞到了一座海底山上——那是海底火山链和珊瑚礁的一部分。1名船员死亡，98人受伤，其中多人伤势严重。虽然该海底山脉的高度达到海平面下30米，但是并没有标在潜艇的海图上，海图没有表明在触礁处4.7千米范围内有任何潜在的障碍物。
此前3年，宾夕法尼亚西南部奎克里克（Quecreek）煤矿透水，9名矿工被困在73米深的井下的事故引起了美国人的关注。2002年7月24日，一个采矿工人凿通了邻近废弃了38年的充满水的矿井。几百万升水涌了进来，9名矿工发疯似地寻找出路，但是区域内所有出口都已被水淹没。据劳工部发布的报告称：
矿工们根据水位上升的速度估计，他们还有1小时时间。他们花费了一些时间思考他们所处的情况，并为最坏的结局做好准备——有几个矿工相互绑在一起，以便一旦淹死能一起被人发现；他们将给家人留下的字条放在塑料桶内，盖上桶盖，并用绝缘胶带密封，挂在顶板固定螺丝上以防被水冲走。
地面上的营救人员钻孔抽水，并向矿工所在的地方压入直径0.8米的通风管道。在地下被困78小时后，所有矿工安全回到地面。
这是一起不该发生的事故。矿业公司所使用的1957年地图表明，老矿井距奎克里克138米。但是1964年该矿井关闭之前，这里又开采了42.1万吨煤炭，正是那次额外的采掘把一个竖井直接布设在紧邻奎克里克矿井的地方。
上述两个事例说明，精确的地图确实关乎生死。政府部门依靠有关受洪水、火山爆发、地震灾害和山崩威胁地区的地图，制定这些地区的长期规划。流行病学家对疾病流行的时间和空间进行制图，帮助他们确定流行病爆发的源地，制订阻止疾病传播的计划。执法部门越来越多地使用地图来鉴定某些特殊犯罪类型的模式，帮助他们预测未来哪些地方可能发生此类犯罪。因此无论怎样强调仔细研究空间信息的价值都绝不为过。
2.1 地理学的工具：地图
地图对地理学具有特殊意义。地图是地理学家进行空间分析的首要工具。出于种种理由，地理学家感兴趣的空间分布、格局和相互关系，在地景本身往往不易观察到，或不容易得到解释。
许多地形、农业区或大城市之类的目标，在空间上十分广阔，以至于不能从一处或几处有利的位置对整体进行观察或研究。
许多语言区或宗教信仰区等对象都是空间现象，但是并非是有形或可见的。
许多传递着相互作用、流和交换等与空间相互作用有关的动态性质，也可能根本无法直接被观察。
即使地理学家感兴趣的一切事物均可通过野外考察进行观察与测量，但一个地区所包含的多种多样的有形与无形事物几乎不可能为了研究与解释而分离出少数主题被专门调查。
因此，地图就成了地理学家必备而独特的工具。只有通过地图才能把任何一种空间分布和相互作用减少到一种可观测的尺度、将其分离开进行个别研究，并将其组合或重新组合起来以揭示地景本身不能直接量测的相互关系。
制作地图的艺术、技巧与技术称为地图学 （cartography）。虽然古希腊地球科学家的贡献也相当大，但现代科学制图起源于17世纪。古希腊地球科学家认识到地球是球形的，并开发了地图投影与网格系统。令人遗憾的是，中世纪希腊的地图学传统在欧洲多已失传，必须重新发现。文艺复兴时期各方面的进展给予地图学一种推动力。其中包括印刷术的发展、重新发现托勒密与其他希腊人的成果，以及地理大发现。
此外，随着许多欧洲国家民族主义的崛起，这些国家必须确定和精确描绘边界和海岸线，以及描述一国边界之内的地貌类型。17世纪，法国和英国进行了意义重大的全国性测量。把数据呈现在地图上的许多惯例都起源于这些测量。
认识地图上记录信息的方式使我们能够对地图进行正确的阅读和解译。为了防止得出不精确的结论，或者为了避免因失真的或带偏见的表现方法而导致偏差，我们一定要理解并评估地图上表现事实的方式。当然，由于要把圆形的地球展示到平面上，要用符号来表示某些对象，要进行综合归纳，以及要用不同于其真实大小的尺寸记录各种事物的外貌，因此一切地图都必然会有失真。这种对现实的失真是必然的，因为地图小于其描绘的事物，还因为地图上给人印象深刻的信息取决于对现实中的一小部分进行选择性强调。只要地图的读者了解了通常使用的地图类型的局限性，并了解哪些关系是失真的，他们就能正确解读地图。
2.2 在球体上定点
我们在第1章中看到，一切地理研究的起点是地方和事物的位置，而绝对位置是用精确且被认可的坐标系对地方的识别。
网格系统
为了使地球上定位点的基本系统形象化，把世界想象为一个上面没有任何标志的球体。当然，不建立一个参考系就无法描述地球上某个特定地点的准确位置。我们利用一个网格系统 （grid system），该系统由一套想象的通过地球表面的线组成。系统的关键控制点是天然存在的北极、南极和赤道 （equator），以及本初子午线。
北极和南极是地球绕之旋转的地轴的端点。两极之间一半处，环绕地球一周、与地轴相垂直的线就是赤道。我们可以根据一个地点离赤道以南或以北的距离，用其与地心的交角来描述其位置。因为一个圆有360度，两极之间的距离为180度，所以赤道和南北极之间的距离就是90度。纬度 （latitude）就是离赤道南北的角度距离，以度（°）来量测，其范围从0°（赤道）到90°（北极和南极）。从图2.1（a）明显可见，相互平行并平行于赤道的纬线呈东西走向。
图 2.1 （a）网格系统：纬度圈。请注意离两极越近纬度圈越短。在地球仪上，从赤道向南北两极各第60条纬线的长度为赤道的一半。（b）网格系统：经度线。东西向的量度范围从0°到180°——就是说，从本初子午线向两边的第180条经线。因为经线在两极交汇，所以当你从赤道离开时，两条经线间的距离变短。（c）地球网格（或方格图），由纬度圈和经度线组成。
地球两极的圆周长约为24,899英里；因此，相邻两个纬度圈的距离为24,899÷360，即约为69英里（111千米）。如果地球是一个完美的球体，则相邻纬度圈的间距均应等长。但是，由于地球两极地区略微扁平，所以两极附近的相邻纬度圈间距（111.7千米）要略长于赤道附近的间距（110.56千米）。
为了更精确地记录某一地点的纬度，每度又分为60分（′）；每一分又分为60秒（″），与1小时完全一样。纬度的1分大约是1.85千米，1秒大约是31米。芝加哥市中心的纬度为北纬41°52′50″。
由于与赤道之间的距离本身不足以确定一个地点在空间的位置，我们需要制定第二个坐标来指示从一条一致同意的基准线向东或向西的距离。大多数国家的地图学家用假想中通过英国格林尼治天文台的经线，即本初子午线 （prime meridian），作为东西方向量度的起点。1884年的一次国际会议上，本初子午线被选定为零度经线。它和所有经线一样，是一条连接地球两极的真正南北向的线（图2.1［b］）（“真北”与“真南”有别于“磁北”和“磁南”，后者是地球磁极的方向，罗盘指针指向磁北和磁南）。赤道上经线相距最远，随纬度增加越来越近，到南极和北极相交汇。经线和纬度圈 （parallel of latitude）不同，所有经线长度相等。
经度 （longitude）就是从本初子午线（零度经线）向东或向西的角度距离，以度（°）来表示，范围由0°到180°。与本初子午线相对的子午线就是180°经线——位于太平洋。经度和纬度圈一样，也可以细分为分（′）和秒（″）。不过，相邻经度之间的距离从赤道向两极变短，因为经线在两极交汇。北美洲和南美洲所有地方均位处西经地区，唯有阿拉斯加几个岛屿除外；亚洲和澳大利亚所有地方均位处东经地区，但西伯利亚的楚科奇半岛的一部分除外。
时间取决于经度。地球分为24个时区，每天24小时完成一次360°的自转，在经线上大体上以15°的间距划分。格林尼治标准时 （Greenwich mean time，GMT）就是本初子午线的时间。国际日界线 （International Date Line，以下简称为“日界线”），即新的一天开始的地方，主要沿着180°经线。但是，正如图2.2所示，有些地方日界线有所偏离，以免一国或一个群岛内有两个不同日期。因而，日界线呈“之”字形，以便西伯利亚和俄罗斯其他地方有同一个日期，而且使阿留申群岛和斐济岛不致被划分开。新的一天从日界线开始并向西推移，因此这条线以西一般比其东面提前进入新的一天。
图 2.2 世界时区。每个时区宽约15度，但为了适应政治界限而有些变化。图最下方表示时差，即与以英国格林尼治为中心的时区在中午12时相差的小时数。纽约位处-5区，因此，当格林尼治为中午时，纽约是上午7时。对世界时区系统有多种修正。例如，虽然冰岛和英国不在一个时区，但是冰岛实行和英国一样的时间。西班牙完全在格林尼治标准时间内，但是把时钟定为+1时，而葡萄牙则遵从格林尼治标准时。中国跨越5个时区，但全国都实行北京时间（+8小时）。在南美洲，智利（-5时区）使用-4小时的标准；阿根廷则使用-3小时，而不是它更适合的-4小时。
通过使用经度和纬度的度和分，必要时使用秒，我们就能描述地球表面任何地点的位置。例如，芝加哥市中心位于41°52′50″N，87°38′28″W；香港位于22°17′40″N，114°10′26″E（图2.3）。
图 2.3 香港的经纬度为22°17'N, 114°10'E。河内的坐标是多少？
经纬度网格系统是描述位置的一种方法。另两种主要的土地识别系统是美国公共土地测量系统（U.S. Public Land Survey System，PLSS）和加拿大土地测量系统（Canada Land Survey System，CLSS）（见“区-列系统”专栏）。
专栏 2-1 区-列系统
美国独立战争结束时，《巴黎条约》把密西西比河以东和五大湖以南（佛罗里达除外）的区域划归美国管辖。大陆议会做出决议，这些公地应予出售以增加政府的收入，但是在进行系统测量之前，土地不能公开销售。
《1785年土地法令》（Land Ordinance of 1785）建立了系统的测量，称为“区-列系统”（township and range system）。如图所示，该系统以测量线的基本方向为依据：东西走向的基线和南北走向的经线。间距为9.7千米的网格线把土地细分为一系列方块。一个区（township）由边长为9.7千米的方块组成；区进一步划分为36个地段（section），每个地段面积为1平方英里。每个1平方英里的地段细分为4个160英亩的象限段（quarter-section），而这些象限段——被认为是一个农场的标准大小——原本是能被购买作为小住宅区的。后来把最小单位减少到80英亩，然后又减少到40英亩。每个地块都有一份唯一的证书。
俄亥俄州东部率先使用区-列测量系统，随后该系统被推广到西抵太平洋，北达阿拉斯加的美国大部分地区。加拿大土地测量系统与美国开发的上述系统相似，也采用基线和经线，将土地细分为镇区、牧场、地段和地段以下的小区。
这种矩形调查系统对美国中西部和加拿大的地景有着深远的影响。道路与地界通常都依从测量系统的直线，形成棋盘式的开发模式。甚至房舍和谷仓也倾向于按基本方位定向。矩形测量系统导致的另一个结果是许多政治管辖权也具有直角的边界。
（a）管理美国公地测量的主要基线测量系统。（b）美国公地测量系统中的区、地段以及进一步的细分。区-列测量系统对每片土地均授予唯一的证书。区按行（tier）和列（range）编号。本图的实例中，该区位处基线以南第二行和主要经线以西第三列，标志为T.2S，R.3W。每个区又划分为边长1.6千米的地段，自区的东北角开始从1—36编号。地段再细分为1/4、1/8（1/4的一半）和1/16（1/4的1/4）。图中右下方深色区域，按国有土地管理局（Land Office）的编码为“SW 1/4 of the SE 1/4 of Sec. 14, T.2S, R.3W”。资料来源：（a）From U.S. Department of the Interior, Bureau of Land Management , Surveying Our Public Lands. Washington, D.C.: U.S. Government Printing Office, 1980 .
全球定位系统
近年来，全球定位系统 （Global Positioning System，GPS）使位置的确定比过去容易得多。这种导航与定位系统形成于20世纪70年代并得到美国国防部的扶持。这种技术利用美国国防部一系列——24至28颗——的卫星，于地球上空约2万千米处运行，每24小时通过同一地点。每颗卫星携带4只精密的原子钟，它们平均每3万年只快或慢1秒钟。
卫星在轨道上运行的时候，不断发射其位置、时间信号和其他数据。这些卫星被安排为任何时刻都有4颗卫星在地平线以上，全球都能进行同步测量。GPS接收器同时记录到许多卫星的位置，然后确定接收器的经纬度、高度和时间（图2.4）。为了精确测量某一地点的位置，接收器必须至少检测到4颗卫星。
图 2.4 这种手持GPS接收器在一个小型液晶显示屏上显示经纬度和一张地图。（Courtesy Garmin Corporation ）
GPS技术原先是为军事应用、尤其是为海军与空军导航而设计的。1991年美国与伊拉克进行的海湾战争见证了这种技术的成功。那时在“沙漠盾牌”与“沙漠风暴”行动中，美国军队用这种设备寻找穿越沙特阿拉伯沙漠的道路。这种技术还促进了精确制导武器的开发，这种叫作“聪明炸弹”（smart bomb）的武器靠雷达导向追踪目标。美国政府在其他方面的应用包括用GPS接收器监测地质断层和洋流、传感大气层的全球变暖、消防和灾情制图等方面。
例如，为了寻找航天飞机哥伦比亚号（Columbia ）2003年2月1日重新进入大气层时解体的线索，联邦政府调查员使用GPS技术圈定航天飞机残片散落的地域——包括得克萨斯州的一部分、路易斯安那州和其他若干个州的部分地区。几百名志愿者和执法官员发现并收集了成千的碎片，把碎片的精确位置输入装有特殊制图软件的计算机。悲剧发生后只过了几天，设在得克萨斯州拉夫金（Lufkin）的联邦突发事件管理局灾难现场办公室就每天打印出1000多张地图。这些地图帮助紧急救援人员集中需要搜索的地区，以便找回更多的航天飞机残片。
由于GPS接收器越来越小、越轻、越便宜，民用数量倍增。有些汽车厂家在新车上安装了车载导航系统供用户选择，有些租车公司在汽车中装备这种系统。系统选择GPS信号监测汽车的位置，将其与储存在压缩光盘中的电脑地图相比较。不断更新的汽车位置显示在固定在仪表盘的电脑屏幕上。导航系统令驾车者找到自己的所在地和到达目的地的路径。例如，驾车者可以给出街道地址，电影院、旅馆或别的建筑物的名称，系统就会将其展示在屏幕上，指出驾车者离目的地还有多远，还需要多长时间才能到达，系统在屏幕地图上给出建议路线方向，或用电子语音“说出”指导意见。经常开车到陌生地点的推销员、房产经纪人和修理工常使用车载导航系统。
娱乐休闲人士也普遍使用GPS接收器，例如徒步旅行者、露营者和乘船旅游者。最近几年来，此类系统还开发出各种微型GPS接收器，可安装在手表、手镯、手机乃至狗项圈上，以便确定目标位置。许多州使用GPS监视装置作为监视系统，跟踪假释和缓刑人员，以确保他们没有擅自走进禁入的地区，例如学校、游戏场所或受害人的住宅等。
2.3 地图投影
只有地球仪才能相当精确地表现地球的面貌，但是地球仪不像平面地图那样易于保存和使用，而且地球仪也不能描述得很详细。例如，假如有一个直径为1米的大型地球仪，我们也只能在边长几厘米的面积上把超过10万平方千米的地表信息安放在地球仪上。显然，一个常规大小的地球仪不能表示城市的交通系统，或者很小的市镇和村庄的位置。
把地球仪转化为地图的时候，我们不能把曲面展平而不改变其原有的全部属性。地球仪属性 （globe property）有：
所有经线等长，每条经线的长度为赤道长度的一半；
所有经线在两极会合，而且是真实的南北向；
所有纬线（纬度圈）与赤道相平行，彼此也相互平行；
接近两极的纬线长度减小；
经线与纬线以直角相交；
地球仪表面任何地方在所有方向上比例尺相同。
只有地球仪网格 （globe grid）本身能保持所有这些特性。把地球仪投影到能够展平的表面上，就要扭曲这些属性的一部分或全部，并因此歪曲了地图试图描绘的现实。
地图投影 （map projection）一词就表明了将地球仪曲面描绘到平面地图上的方法。所有平面地图都以不同方式在不同程度上扭曲了真实地球表面下述四种主要属性的一部分或全部：面积、形状、距离和方向。图2.5举例说明了一些地图投影固有的变形。
图 2.5 本图表示三种不同地图投影固有的变形。画在一种投影上的头像，在保持其经纬度不变的情况下，被转移到另外两种投影上。这并不意味着第一种投影优于其他两种。头像可以先描绘到任何一种投影上，然后再描绘到其他二者上。
资料来源：Arthur Robinson et al. , Elements of Cartography, 5th ed., Fig. 5.6, p. 85. （New York, Wiley, © 1984 ）
面积
有些投影使地图学家能够以正确或不变的比例表示区域的面积。这意味着地图上每平方厘米代表地图上其他任何地方同样多的平方千米（或其他类似单位）数。结果，所描绘的形状就不可避免地变形。例如，地球上的正方形在地图上可能变成矩形，但该矩形的面积是正确的。这样的投影叫作等积投影 （equivalent projection）（图2.6［a］）。表示正确面积关系的地图总是使区域的形状失真。
图 2.6 表现特定地图属性的几例投影。（a）正弦等积投影使形状失真但面积大小准确；（b）正形投影方法之一，形状失真但保持了小区域的真实形状；（c）在特殊的等距投影上，只有从中心（北极）开始，所有地方的距离和方向才是真实的。任何平面地图都不能做到既等距又等积。
一张地图要想表现地球表面一种现象的面积广度的真实情况时，就使用等积投影。例如，想比较世界上两部分农业用地的面积，如果使用一张按两种不同比例尺表示相同面积的地图，将会在视觉上造成极大的误导。
形状
虽然没有哪种投影能使大面积区域得到正确的形状，但是有些投影能够通过保留正确的角度关系精确描画小面积的形状（图2.6［b］）。这些真实形状的投影称为正形投影 （conformal projection），正形投影的重要性在于地图上的区域和特征“看似正确”，并且方向的关系也正确。对于小区域而言，这些投影通过确保经线和纬线彼此以直角相交，以及任何地点所有方向上比例尺相同，获得了这些特性。地球仪上存在这两种情况，但在地图上仅限于相对较小的区域。由于这种情况，较大区域——例如各大陆——的形状总是与其真实形状有所不同，即使在正形投影地图上也是如此。一张地图不可能既是等积的又是正形的。
距离
地图上距离的关系几乎总是失真的，不过有些投影在一个方向或沿一定路线上保持真实距离。在所有方向上都能表示真实距离（但只能从一个或两个中心点出发）的其他投影，称为等距投影 （equidistant projection）（图2.6［c］）。所有其他地点之间的距离都是不正确的，而且很可能极度失真。例如，以底特律为中心点的平面地图，能在地图上正确表示底特律和波士顿、洛杉矶以及其他任何地点的正确距离。但是，不能表示洛杉矶和波士顿之间的正确距离。一张地图不能既是等距的又是等积的。
方向
地图上所有地点的方向，如距离一样，不可能没有失真。然而，方位投影 （azimuthal projection）上从中心点到所有其他地点的方向却是真实的。（方位角就是一条直线的起点与经线的夹角。）中心点以外的地点的方向或方位角都是不精确的。投影的方位角特性并不是唯一的——就是说，方位投影可能也是等积的、正形的，或者是等距的。图2.6（c）所示的等距地图同时也是一个以北极为原点的真实距离地图。
并非所有地图都是等积的、正形的，或是等距的，许多地图是折中的。这种折中的一个例子是鲁滨逊投影，是为了以视觉上满意的方式表现世界而设计的，本书大部分世界地图采用这种投影（图2.7）。它不能表示真实的距离或方向，并且既不是等积的也不是正形的。它为了改善大陆的形状，宁可允许高纬度地区的大小有些夸大。人口最多的温带和热带的大小和形状是最精确的。
图 2.7 鲁滨逊投影是一种介于等积投影与正形投影之间的投影方法，较真实地表现了世界的面貌。最显著的变形是在人口较少的高纬区域，例如加拿大北部、格陵兰岛和俄罗斯。在该地图上，加拿大比实际大21%，而美国相连的48州比实际小3%。
制图师必须了解他们所用投影的特性，选用最适合其目的的一种。如果只是小面积的地图，投影的选择并不重要——实际上可以使用任何一种。如果要表现地跨若干经纬度的面积，投影的选择就比较重要，这时投影的选择取决于地图的目的。有些投影对航海很有用。如果用数字资料制图，所涉及区域的相对大小应该是正确的，因此可能要选用许多等积投影中的一种。挂图通常采用正形投影。多数地图集都指出每张地图所使用的投影，从而把地图的特性及其失真情况告知地图的读者。有关地图投影的详情请见“附录：地图投影”。
地图网格取决于投影，选择地图网格是制图师的首要任务。下一步则要决定所要绘制地图的比例尺。
2.4 比例尺
地图比例尺 （scale）就是地图上某对象的尺寸和地球上相应地物的比例。比例尺一般有3种表示法：文字表示法、图示法或用分数表示的数字表示法（图2.8）。正如其名称所表示的那样，文字比例尺 （verbal scale）就是用文字说明，例如“1英寸等于1英里”或“10厘米等于1千米”。图示比例尺 （graphic scale，有时又称为直线比例尺［bar scale］）是地图上一条线或一个长方块，划分为几段，表示地球上距离单位在地图上的长度。
图 2.8 地图比例尺把地图上的距离和地球表面的距离联系起来。（a）文字比例尺用文字表示。（b）图示比例尺把一条线分成几个单位，每个单位代表地面两点之间的距离。图示比例尺帮助地图使用者从地图上量测距离。当地图翻拍和复制为不同大小时，图示比例尺自动放大或缩小。（c）数字比例尺就是一个简分数或比率。比例尺两边的距离单位必须相同，无须声明。
数字比例尺 （representative fraction, RF）用两个数字表示，第一个代表地图上的距离，第二个表示地面的实际距离。分数可以写成多种方式。1英里有5280英尺，而1英尺有12英寸，5280乘以12等于63,360，这就是1英里的英寸数。地图上1英尺等于1英里的数字比例尺可写成1:63,630或1/63,360。在较简单的公制比例尺上1厘米等于1千米就是1:100,000。数字比例尺两边所用的单位相同，因此，1:63,630就是地图上1英尺代表地面63,360英尺，或12英里。当然，等同于1英寸代表1英里。数字比例尺是所有比例尺中交代得最精确的，而且任何语言都能理解。
地图比例尺，或者地图上的尺寸和实际尺寸的比例，变化范围很大。大比例尺地图 （large-scale map），例如城市规划图，能相当详尽地表现一个地区。就是说，地图与地面距离的比率相当高，比如1:600（地图上1英寸代表地面600英寸或50英尺）或1:24,000。在这种比例尺的地图上，像房舍和公路等地物可以按比例绘制。图2.10就是大比例尺地图的例子。小比例尺地图 （small-scale map），例如国家地图或大陆地图，比率要小得多。房舍、道路和其他小地物不能按比例绘制，必须放大并用符号表示才能看得到。图2.2和图2.3就是小比例尺地图。虽然大比例尺地图和小比例尺地图之间并无硬性的数值界限，不过大多数地图学家认为大比例尺地图的比率为1:50,000或更大，而比率为1:500,000或更小者为小比例尺地图。
图2.9中每张地图的比例尺都不相同。虽然每张地图都以波士顿为中心，但是，请注意比例尺是怎样影响着每个边长2英寸的方块中所能描绘的细节数量的。图2.9（a）的比例尺为1:25,000，大约2.6英寸代表1英里，因此2平方英寸代表不足1平方英里。在这种比例尺下，你可以辨别单独的建筑物、公路和其他地景特征。图2.9（d）的比例尺为1比100万（1:1,000,000，或者说1英寸代表差不多16英里），展示出面积将近1000平方英里的地区。此图中只能显示公路干线和城市的位置，即使表示此类目标的符号也经过概括而且占用比实际更多的空间。
图 2.9 比例尺对面积与细节的影响。4幅地图均属波士顿地区，只是比例尺不同。比例尺越大，所能包含地形地物的数量和类型越多。在比例尺为1:25,000的地形图上，地图（a）表现出街道、街名和一些建筑物。地图（d）比例尺较小，只能表示大城市、公路和水体。
小比例尺地图，如图2.9（c）和图2.9（d）所示，是经过高度概括的。此类地图只表现主要地形地物相对位置的一般概念，但不能进行精确的量算。小比例尺地图明显不如大比例尺地图详细，而且通常都将海岸线、河流和公路等的轮廓平滑化。
2.5 地图的类型
在地图所能表示的许多形态特征中，地理学家必须首先选择与所研究的问题有关的那些特征，继而决定如何将其展示在地图上，以便显示这些形态特征的信息。为了做到这一点，他们可以从各种地图类型中做出选择。
多用途地图、基准地图（reference map）或位置图属于所有人都熟悉的一大类型。这类地图的主要目的只是展示一个地区或全世界的一种或几种自然要素和（或）文化要素。地图上表现的自然要素一般为水文要素（海岸线、河流、湖泊等）以及地形的形状和高程。文化要素包括交通线路、居民区、地产界线、政治界线和地名 （toponym）等。
另一大类地图叫作“专题地图 ”（thematic map）或“特种地图”，是一类表现特定事物空间分布或某种数据的地图。制图的对象也可能是自然要素（气候、植被、土壤等）和（或）文化要素（例如，人口、宗教、疾病或犯罪的分布等）。不同于基准地图，专题地图仅限于显示某些特定事物的空间分布。
地形图和地形表示法
如前文所述，有些多用途地图描绘地形的形状和高程。这些地图叫作地形图 （topographic map）。这种地图描画较小区域的地表面貌，精度往往很高（图2.10）。图上不仅展示地形、河川，以及其他自然面貌，还展示出人类添加到自然地景中的事物，包括交通线路、建筑物和土地利用情况，例如果园、葡萄园和墓地等。地形图上还绘制有各种界线，大至国界，小至田地或飞机场的边界。
图 2.10 美国地质调查局7.5分系列地形图，绘制了加利福尼亚州拉霍亚（La Jolla）的一部分。该部分的比例尺为1:24,000（1英寸约等于1/3英里），细节表现得相当详尽。黑色表示建成区中的学校、教堂、墓地、公园和其他公共设施。
资料来源：U.S. Geological Survey.
美国地质调查局是该国进行地形测绘主要的联邦机构，出版了几个系列的地形图，均以标准比例尺印制。完全覆盖全美的地形图有两种比例尺：1:250,000和1:100,000。还有各种其他比例尺的地图。各州地形图的比例尺取决于州的大小，从1:125,000（康涅狄格州）到1:500,000（阿拉斯加州）不等。
这些系列中的单张地图称为图方（quadrangle）。现有的覆盖美国48个相连的州以及夏威夷和其他行政区的比例尺为1:24,000的地形图，大约有57,000方，蔚为壮观。每个图方覆盖的矩形面积为纬度7.5分乘以经度7.5分。如图2.10所示，这些7.5分的图方载有该地区自然与文化特征两方面的详尽信息。由于阿拉斯加州面积辽阔、人口稀少，该州地图的比例尺主要为1:63,360（1英寸等于1英里）。阿拉斯加州的图方系列超过2900方。
加拿大负责全国制图的部门是加拿大自然资源部（Natural Resources Canada, NRCan）的自然资源调查制图与遥感研究所。全国都有1:250,000比例尺的地形图，人口较密集的南部有1:50,000比例尺的地形图。省级制图部门还出版比例尺更大的详细地图。
美国地质调查局制定了一套用于地形图的符号（图2.11），有些旧地图上把图例列在另一边。请注意，对流水而言，用不同的符号表示四季不竭（永久性）的河流和间歇性河流；还要标明急流和瀑布的位置和大小。水坝有4种符号，而各种桥梁有4种以上的符号。在城市地图上，在不可能标出每一栋建筑物的地方，则用专门的色彩表示建成区，只表现街道和公共建筑物。
图 2.11 美国地质调查局出版的地形图使用的一些标准符号。
资料来源：U.S. Geological Survey.
如前所述，地形图描绘地球的外貌。地图制图员使用种种技术把三维的地球表面描绘到二维的地图上。表现地势或高程变化最容易的方法，是用所谓的独立高程点（spot height）的方法，用数字标注所选择地点的高程。水准基点（bench mark）是独立高程点的特殊类型，作为计算附近地点高程的参照点（见“大地测量控制数据”专栏）。
专栏 2-2 大地测量控制数据
根据经纬度确定一处地方的水平位置，只需要在三维空间定位所需信息的2/3。还需要一个确定高程的垂直控制点——这通常根据离海平面的高度来确定。水平位置和垂直位置共同构成大地测量控制数据 （geodetic control data）。现在已经有一个覆盖全美的网络，包括100多万个点，其纬度、经度和高度均已被精确确定、记录在案，并做了标记。
每个点都有一个固定在地面上的青铜标志物。你可能在山丘顶部，甚至在城市的人行道上，见过一些直立的标志物，它们叫作“水准基点”。这些标志物指明其建立的部门、它的位置，有时还有建立的日期。美国地质调查局的每张地图都标明地图覆盖地区的这些标志物，而且保存着每一个包括种类、位置和高程等信息的大地测量控制清单。地图上的水准基点都用大写字母“BM”、小写字母“x”和高程来说明。
1987年，经过12年的努力，联邦的科学家完成了对全国大约25万个水准基点的重新计算，修订了这份清单。例如，美国国家海洋与大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）利用卫星定位系统，进行自1927年以来首次全国性控制点的重新测量，发现纽约的帝国大厦现位于它先前所在地东北36.7米处；华盛顿纪念碑向东北方向移动了28.8米；加利福尼亚州萨克拉门托的州议会大厦圆顶重新定位在原来位置西南91.7米处；西雅图的“太空针塔”（Space Needle）的位置在原来地图所示的西面93米、南面20米处。卫星测量提供了远比过去地面距离与角度测量精确的位置，带来的结果是更精确的地图和更准确的导航。
© Elizabeth J. Leppmen
不过，地形图上使用的主要符号是等高线 （contour line），线上所有的点都处于基准面（通常为平均海平面）以上同样的高度。等高线是想象中的线，也许这样最好理解，即把一处直立的地形按等距离、平行地切成一系列水平的薄片，这时出现的轮廓线就是等高线。图2.12展示了一个虚构岛屿的等高线。
图 2.12 一个虚构岛屿的等高线图。被平行于海平面的平面所切的横断面轮廓线，就是该平面在该海拔高度上的等高线。
等高线间距 （contour interval）是等高线之间的垂直间距，并通常在地图上有所说明。一般来说，地表越不规则，所需要的等高线越多；坡度越陡，表现这种山坡的等高线越密。经常使用的等高线间距是10英尺和20英尺，不过在比较平坦的地区也可能使用5英尺的间距。而在山区，等高线之间的间距则较大：40英尺、100英尺，甚至更大。
虽然等高线表现地形，给地图读者提供地图上任何地方的高度以及所有地形要素的大小和形状的信息，但是大多地图读者觉得难以凭等高线使地貌形象化。为了提高地形图的图形效果，有时会在等高线上添加一些阴影。可以想象一束一般从西北方向照射该地区模型的光源，模拟其光亮与阴影的外貌，从而造成三维地形的错觉。此外，可以用代表等高线等级的彩色条纹在等高线的“线间着色”（color between），这种方法被称为高程分层设色（hypsometric tints）。
地形图所具有的巨量信息对工程师、区域规划师、土地利用分析师与开发商，以及徒步旅行者和偶尔使用者都很有用。根据如此丰富的信息，有经验的地图使用者能够推断出该地区的自然特征和土地耕作利用的情况。
专题地图与数据表示法
地理学的本质就是研究事物（无论是人、农作物还是交通流）的空间格局与相互关系。专题地图上用各种符号记录这些现象的位置和数量。这些符号可能是定性的，也可能是定量的。
定性地图的主要目的是表现某类信息的分布。例如，世界油田的分布、国家公园的分布，以及一国之内农业专门化地区的格局等，都是这类地图的主题。人们感兴趣的是这些事物位处何方，而无须报道抽取了多少桶石油，游览公园的人数，或农作物的产值等。
相反，定量专题地图表示数字资料的空间特征。通常只选择一个变量，例如人口、收入或地价，而且这种地图还展示这些变量在各地的变化。多变量地图则同时表示两个以上的变量。
点状符号
空间中某个特定地点存在的地物，在地图上用点状符号表示。地球上存在着无数此类地物：教堂、学校、墓地和古迹等等。其代表符号包括点、十字形、三角形以及其他形状。在定性专题地图上，每个这样的符号仅记录地球上某个特定地点特定地物的位置。
但是，有时候我们感兴趣的是若干地点某些事物数量的变化——例如，某些城市的人口、某些终端处理货物的吨位，或某些机场旅客的数量等。
用符号表示此类现象的方法主要有两种，如图2.13和图2.14所示。一种方法是选择一种符号——通常是点，用来代表制图项目的一定数量（如50人），这种符号可以视需要而重复多次。这样的地图便于理解，因为这些点在视觉上给地图读者以格局的视觉印象。有时候改用形象化符号——例如用人像或油桶——来模拟制图的主题。
图 2.13 加利福尼亚州各县人口分布点状地图。在点状分布图上，如图所示，所有的点都具有相同的数值。图中点的位置并不是该县人口的准确位置，只是人口的总数。点状地图能够为一种现象的分布与相对密度提供良好的视觉印象——在本例中表现了从一个县到另一个县人口数量变化的图像。
如果数据变化范围很大，地理学家可能会觉得反复使用一种符号不方便。例如，如果一国人口500倍于另一国，或者一港口的吞吐量50倍或100倍于另一港口，这可能使地图上有过多的点且互相混淆。为了避免这种问题，地图学家可以选择第二种方法——使用分等级的符号。符号的大小随所表示的数量大小而异。这样，如果使用方形或圆形，符号的面积通常就与所表示的数量成正比（图2.14）。
图 2.14 加利福尼亚州各县人口分布比例圆地图（graduated-circle map）。圆面积与各县人口数量成正比。地图上方圆的等级帮助读者解译该地图。
但是，也有这样的情况，数据变化范围极大，即使用圆形或方形还是要占据地图上很大的空间。在这种情况下，可以用球体或立方体，令其体积与数据成正比。遗憾的是，许多地图读者未能理解体积上这个固有的第三维，因此大多数地图学家不推荐使用这种符号。
面状符号
地球表面轮廓分明的面状地物，在地图上用面状符号表示。如点状符号一样，这些地图也分两大类：表示类型差别的地图和表示数量差别的地图。地图集包含许多第一类的例子，如宗教类型地图、语言地图、政治实体地图、植被图或岩石类型地图等。这些地图通常用不同颜色或图案表示不同的类型区域，如图2.15所示。
图 2.15 非洲的语言区。像这样的地图有可能给人以某个地区内部具有一致性的假象。例如，非洲南部大部分地区只讲班图语，但这种地图只是为了表示一个地区内最流行的语言。
表现一种现象的数量随地区变化而变化的一种方法是利用分级统计图 （choropleth map）。该词源自希腊语“地方”（choros）和“大小”或“数值”（pleth）。所表示的数量可能是绝对值（例如各国的人口）或派生的数值，例如百分数、比例数、比率和密度等（如县的人口密度）。数据被归并为有限的几个等级，每个等级用醒目的颜色、阴影或图案表示。图2.16就是地区分布图的一个实例。在该图中，面积单位是州。其他常用的分区是县、区、城镇和人口普查分区等。
图 2.16 地区分布图表示1998年美国各州盗窃机动车比率的变化。在地图上用面积表示数量变化比表格更形象化。
资料来源：Redrawn from Crime and Justice Atlas 2000, U.S. Department of Justice, p. 55.
如图2.15和图2.16所示，表现一个地区某种现象分布特征的地图（无论是定性的还是定量的）有3个主要问题：
地图给人们以各区域相一致的印象，而这些区域可能有着显著的差异；
界线达到不切实际的精确且显著的程度——这意味着地区间存在急剧的变化，但实际上变化可能是逐渐的；
除非精心选择颜色，否则某些区域可能看起来比其他区域更重要。
有一种特殊类型的区域地图叫作面积分区统计图 （area cartogram）或面积数值地图 （value-by-area map），图中单位面积与所表现的数据呈正比（图2.17）。人口、收入、成本或其他变量成为量测的标准。面积的大小和形状都可能发生改变，距离和方向可能失真，邻接关系可能保持，也可能不保持，这些都取决于制图师想要传达的思想（见“红色州，蓝色州”专栏）。
图 2.17 分区统计图上每个州的大小以2000年美国人口普查局统计的居民人数为依据。图上还显示1990—2000年人口变化的百分数。
资料来源：U.S. Bureau of the Census.
专栏 2-3 红色州，蓝色州
每张地图都有一定的目的。制图师要表现什么资料和如何表现这些资料，可能影响着我们对现实的看法。媒体用“红色州”和“蓝色州”的说法来讨论2004年美国总统选举。多数选民投共和党候选人乔治·布什票的是“红色州”，而蓝色则是偏向民主党候选人约翰·克里的那些州。因此，本页的两张地图表明，美国本土48州着色的原则是：红色（深灰色）和蓝色（浅灰色）分别显示共和党人和民主党人占多数的结果。
在全国范围内，选民选举两个候选人的百分比几乎是相等的——选布什的占51%，选克里的占48%。不过，图（a）给人以“红色州”在全国占优势的印象。虽然地图是精密的，但是它却误导为大多数“红色州”人口少而大多数“蓝色州”人口多。密歇根大学复杂系统研究中心（Center for the Study of Complex Systems）的3位研究人员设计了一种面积分区统计图，这就是按人口多少重新安排各州的图（b）。现在红色和蓝色的面积更接近于相等。
研究人员创建了许多其他预测选举结果的地图。有些地图显示各县的选举结果；另一些地图表示各州的大小与其选举人票的比例关系；还有些地图在红色和蓝色之外加入第三种颜色——紫色，用来表示民主党人和共和党人选票百分比近于平衡。
（a）传统图像。这张2004年11月2日总统选举地图中，分别用深灰色（红色）和浅灰色（蓝色）表示共和党和民主党占优势的结果。
（b）人口比较统计地图。选举结果表示在州的大小以人口而不是土地面积为依据的比较统计地图上。
线状符号
线状符号就像该术语所表明的那样，代表具有长度而宽度并不重要的地物。地图上有些线条在数量上并不重要。例如，代表河流、政治界线、公路和铁路的线条并不是定量的。这些地物用下图中和图2.11所示的标准化符号表示在地图上。
但是，地图上的线的确常常表示某些特定的数值。连接平均海平面以上高度相等地点的等高线是一种等值线 （isoline），或恒值线。等值线的例子还有等降雨量线（isohyet，雨量相等）、等温线（isotherm，温度相等）和等压线（isobar，大气压相等）。
流线地图 （flow-line map）被用以描绘各地点之间的线状运动。这种地图可能是定性的或定量的。定性流线地图的例子是显示洋流或航空线路的那些地图：图上的线条宽度一致，通常用箭头指示运动方向。另一方面，在定量流线地图上，流线与其表示对象的数量成正比。移民流、交通流和商品流通常用这种方式表示。线路的位置、运动方向和流动的数量均可在图上表示。流线地图所表示的数量可以是绝对值，也可以是一种派生值——例如，真实的交通流或者是每千米的数字。在图2.18中，流线的宽度与美国州际移民的数量成正比。图5.7则是另一种流线地图。
图 2.18 20世纪50年代美国移民形势定量流线地图。
障眼法
大多数人倾向于相信他们在印刷品上看到的信息。地图尤其有说服力，因为图上的线条、比例尺、符号位置以及信息量的精确性是不言而喻的。不过我们要记住，所有地图都是现实的抽象表达，因此，真相可能失真。地图也和各种信息一样，它所传达的信息反映了作者的意图，而且可能是偏见。地图可能巧妙地或明目张胆地篡改其传达的信息，或者包含有意制造的假信息。
地图失真的原因有时是出自无知——例如中世纪——的地图学家，他们把神话中的怪兽画在不了解的大陆内部；有时歪曲的动机是为了宣传，纳粹德国有些地图即属此类。有时造假的原因还是为了挫败外国的军事和情报行动。
1988年苏联的首席地图学家承认，50年来苏联的政策是有意对几乎所有公开出版的地图造假。这项政策显然源自一种信念，即地图学家应该为军事需要服务，而一旦政府的制图部门置于秘密警察控制之下时就开始执行这种政策。苏联地图失真的类型包括地物的移位和省略，以及使用不正确的网格坐标（图2.19）。公路、河流和铁路有时被挪动多达10千米。一座城镇可能标在河东，而实际上是在河西。即使地物标示正确，但是经纬度网格却可能放错了地方。这种歪曲还可能随时间而变化。比如，在一张地图上标在河流一侧的市镇，在后来的地图上却出现在河流另一侧，在此后的版本中又移动了几千米，而在再后来的地图上又彻底消失了。
图 2.19 苏联不同地图上展现的洛加什金诺（Logashkino）及毗邻地区。在地图上故意制造假信息是苏联的冷战策略。通常我们都相信地图告诉我们事物位于何处。但是，图上表明随着河增加或减少一条支流，洛加什金诺城从河西岸移到了河东岸，到1954年，城市消失了。错误信息的变化是有意向潜在敌人隐藏可能存在的军事目标的准确位置。
总之，地图很容易失真或造假，就像地图能够传达可证实的空间数据或在科学上有效的分析结果那样容易。地图使用者对那些可能性知道得越多，对地图投影、符号表现以及对普通形式的专题地图和基准地图的制图标准了解越多，他们就越可能合理地质疑并清醒地解读地图所传达的信息。
2.6 遥感
地形图研制之初，必须为其获取野外数据。这是一个缓慢而乏味的过程，包括通过测量地表上一个点与其他点的距离、该点方向与高程，把这个点和其他点联系起来。20世纪30年代以来航空摄影技术的进展，使得加速地图制作与增大地形图所表现的土地面积成为可能。航空摄影只不过是现在采用的许多遥感技术之一。
遥感 （remote sensing）是一个比较新的术语，但是它描述信息的过程——探测一个物体的形状而不直接与其接触——已被采用了100多年。照相机问世后不久，人们就从气球和风筝上拍摄过照片。甚至用信鸽携带微型照相机，设定每隔一定时间自动曝光来拍摄巴黎的航空相片。20世纪30年代首次使用飞机为照相机和摄影师提供制图平台，这样就可以从计划好的位置拍摄相片。
航空摄影
尽管现在有了各种传感器，但是使用照相机返回底片的航空摄影仍然是被广泛采用的遥感技术。空中制图优于地面测量的最明显之处，就是制图师得到的鸟瞰图。制图师利用立体镜装置，就能确定各种地貌（如山地、河流和海岸线）的准确坡度和大小。用其他方法难以测量的地区——例如高山和荒漠——从空中就很容易被绘制成地图。而且，几百万平方千米的地区可以在很短的时间内被测量。当然，利用航空摄影制图之前，必须对所记录的物体的大小、形状、色调和颜色等线索进行判读。以航空摄影为基础，能迅速绘制地图且很容易对其进行修订，从而能不断更新地图。利用航空摄影，对地球的制图能比过去更精确、更完整、更迅速。
1975年，美国内政部创立了“国家制图计划”（National Mapping Program）以改善地图数据的收集与分析，改善地图的编制，这对处理资源与环境问题的决策者有所帮助。该项目的首要目标是用正色摄影影像完全覆盖全国未经1:24,000比例尺制图的地区。
正射影像地图 （orthophotomap）是一种多彩色、不失真的航空摄影影像，上面添加了某些增补的信息（如地名、位置网格、界线、等高线等符号）。这个英语单词使用前缀“ortho”（源自希腊语orthos，意为“正确”），是因为航空摄影经过矫正或校正，可消除因地形高度和照相机倾斜造成的误差。正射影像地图兼备照片的影像特性和地图的几何特性。请注意图2.20不同于传统地图之处，是以影像作为表述信息的主要手段。正射影像地图有着多种用途，包括森林管理、土壤侵蚀评估、洪灾与污染研究，以及城市规划等。
（a）
（b）
图 2.20 （a）佐治亚州东南部不伦瑞克（Brunswick）西部图方的地形图；（b）同一处的正射影像地图。因为航空照片表现了非常低平的区域的地形细部，所以正射影像地图很适合于表现沼泽地和海岸带。正射影像地图是美国地质调查局标准地形图有用的补充，用以更新和修正现有的地图。
资料来源：U.S. Geological Survey.
标准照相胶片检测到电磁波谱可见光部分所反射的能量（图2.21）。虽然近红外线波长是不可见的，但是能被特别感光的红外胶片所记录。红外胶片能辨识和记录人眼看不见的物体，因此对植被和水文特征的分类特别有用。彩红外照片产生所谓的假彩色图像 （false-color image），所谓“假”，是因为胶片产生的影像不是自然界的原样。例如，健康植被的叶子对红外线 （infrared）的反射比很高，在彩红外胶片上记录为红色，而不健康或休眠期的植被则呈现蓝色、绿色或灰色。清水呈现黑色，但含大量泥沙的水可能呈浅蓝色。
图 2.21 以微米表示的电磁波谱的波长。阳光由不同的波长组成。肉眼只对某些波长敏感，这就是我们所能看见彩虹的颜色。虽然肉眼看不见近红外线，但是特别感光的胶片和卫星上的传感器能够将其记录下来。传感器的量程既能反映光谱中的可见光，也能反映近红外线部分。地面辐射的特征是光波波长大于4.0微米。
非摄影成像
对于电磁波谱上大于1.2微米（1微米就是1/1,000,000米）的波长，必须使用照相胶片以外的传感器。传感器可能是被动的，记录来自地球反射的辐射，也可能是主动的，自行发射能量。照相机是被动的，而雷达工具自己产生能量，并记录从地面向它反射回来能量的数量。尽管地面景象被记录为数字形式，但是打印成照片后即可传播。
传感器的类型
能感知地球上物体发射能量的热扫描仪 （thermal scanner），被用以产生热辐射影像（图2.22）。就是说，热扫描仪记录水体、云、植被以及建筑物或其他构筑物所发射的长波辐射（长波辐射与物体的表面温度成正比）。与传统摄影不同，热传感既能用于夜间也能用于白天的特点，使其能应用在军事上。它被广泛使用于研究水资源的各方面，如洋流、水污染、地表热平衡和安排灌溉等。
图 2.22 2001年纽约市世贸中心的热辐射影像。2001年9月11日双子塔倒塌后，消防队和救援队依靠该废墟每天的热图像侦察瓦砾中和地下的火情，并根据所揭示的火情决定当天的工作。（a）袭击后几天内，一片热扫描场（深色表示）几乎连续覆盖着约4000平方千米场地的大部分地区；（b）一个月后，地下的火光在很大程度上勾画出双子塔曾经屹立的地方。
资料来源：The New York State Office of Cyber Security and Critical Infrastructure Coordination （CSCIC ）© 2001
雷达 （radar，radio detecting and ranging的缩写）系统运行在电磁波谱的不同波段，能在白天或晚上使用。此类传感器传输射向物体的能量脉冲，同时感测返回的能量。所得数据被用以创建如图2.23所示的影像——这是安装在飞机上的雷达设备拍摄的。由于雷达能够穿透云层、植被以及黑暗，因此特别适用于监测飞机、船只和暴风雨系统的位置，用于像亚马孙流域那样总是烟雾弥漫或云雾覆盖的地方的制图。
图 2.23 加利福尼亚洛杉矶市的机载侧视雷达镶嵌图。安装在飞机或卫星上的机载侧视雷达（side-looking airborne radar, SLAR）向地面传送微波能量。返回传感器的部分信号被记录为数字值，能表现在照相胶片上。“侧视”的景色造成长度不同的阴影，增强了地形的细部特征。本镶嵌图由许多雷达图像带编绘而成。
资料来源：U.S. Geological Survey.
激光雷达 （lidar，light detection and ranging的缩写）是一种比较新的遥感技术，利用机载雷达把光线传输到物体上。仪器对反射回来的光线进行分析，产生有关目标的信息。虽然激光雷达与雷达是基于相同的原理，但其发射的波长比雷达短1万—10万倍。现有若干种激光雷达。例如，差分吸收激光雷达（differential absorption lidar）用以测量大气层中的化学品——如臭氧或其他污染物——的浓度。激光雷达测距仪（range-finder lidar）是最直接应用于制图的仪器。由于激光雷达数据加工产生极其精密的地形高程以及经纬度坐标，因而对于任何需要精确描绘地表状况的制图都是最理想的选择（图2.26）。
卫星影像
30多年来，载人和无人航天飞机已经作为飞机的补充，成为地形成像的航天器。与此同时，还采用了很多自动制图的步骤，包括电子制图技术的使用、自动绘图仪和自动数据加工等。现在很多影像或来自在轨道上连续运行的卫星，如美国的地球资源卫星和法国的“SPOT”系列（Small Programmable Object Technology）观测卫星，或来自载人航天飞机，如“阿波罗”（Apollo ）和“双子星”（Gemini ）太空计划。卫星的优势之二就是其覆盖的速度快以及能获得广大区域的视野。
此外，由于此类航天器上的装备能记录人类视力范围以外的电磁波谱段的信息，并将其传回地球，因此这些卫星使我们能够对不可见的信息进行制图。美国、日本和俄罗斯许多机构发射了许多专门用以监测天气的卫星。卫星所获得的数据大大提高了对日常天气和大风暴预报的准确度，并在这个过程中挽救了无数的生命。卫星是每天电视和报纸上播发的天气图的来源之一。
制作地图只是遥感应用之一，遥感还被证明是进行资源调查和自然环境监测的有效方法。地质学家发现，遥感对荒漠和偏远地区的资源调查尤其有用。例如，有关植被和岩石褶皱类型的信息有助于帮助圈定矿产和石油勘探的可能地点。遥感影像已被用于监测各种环境现象，包括水污染、酸雨的影响和热带雨林的破坏。由于遥感影像能够用以计算蒸腾与光合作用速率之类的因素，所以在大气层与地表之间关系的建模中是非常有用的。
遥感影像的军事应用包括改善飞机导航、改进武器瞄准和加强战场管理与战术计划，这就提出了谁应该有权使用这些信息的问题（见“民用侦察卫星”专栏）。
也许最著名的遥感航天器是首次发射于1972年的地球资源卫星 （Landsat satellite，又叫陆地卫星）。目前仍在运行的5号和7号地球资源卫星，轨道高度为705千米，大约每1小时40分钟绕地球一周。这些卫星携带电磁波能量范围内的传感器。例如，7号地球资源卫星获取光谱中可见光、近红外、短波红外和热红外等波段的数据。地球资源卫星把电子信号传输到地面接收站，那里的计算机将电子信号转变为能够校正为适合基本地图投影的图片影像。将各种波长信息进行综合，就能制成合成图像。
地球资源卫星有能力分辨相隔15米以上的目标。这种卫星在极地轨道上运行，这意味着它们从南向北飞行，地球在卫星下面自转，因此每条轨道就会覆盖上次轨道相邻地表的一个条带。卫星在相同地方时连续通过的时候会传输地面宽度185千米的条带，以16天的间隔重复连续的地面轨道的模式，并以此监测所发生的变化。
地球资源卫星是美国航空航天局（NASA）的首个民用项目，供研究地球和地球环境变化之用。其主要目的是创造一套长期不间断校正的地球影像，以帮助研究人员研究地球系统所有组分——空气、水、陆地和动植物——的复杂的交互作用。1972年以来，这些卫星用图像向用户提供在数据获取格式、几何学、空间分辨率、校正、覆盖度和光谱特性等方面兼容的连续的数据集。
地球资源卫星影像在研究上有广泛的应用，包括：
追踪洋流；
评估湖泊水质；
雪盖、冰川和极地冰原制图；
分析土壤与植被状况；
监测全球森林采伐；
监测露天开采再利用；
识别地质构造与相关的矿藏；
大都市地区人口变化制图
有些地球资源卫星数据并非用于长期科学研究，而是用于对台风、洪水、地震、火山、林火和溢油等自然灾害与人为灾害进行监测、制图和做出反应（图2.24）。
图 2.24 2003年10月26日拍摄的加利福尼亚南部卫星照片，影像上3处大火团明显可见：一处在洛杉矶附近、一处在圣贝纳迪诺山脉（San Bernardino Mountains）、一处在圣迭戈。从遥感影像得到的数据可用于了解火灾的范围和强度，还可以每日数次更新明火的地图。这些地图帮助地面消防管理人员决定消防队员最佳的灭火位置、评估火灾后的损失，并帮助他们计划灾后的恢复工作。
资料来源：© Jacques Descloitres, MODIS Rapid Response Team, NASA / GSFC.
地理学＆公共政策 民用侦察卫星
虽然遥感卫星已在地球轨道上运行了大约30年，但是1999年以后才有如本文所示的详细的卫星影像供公众使用。直到最近，从商用卫星所得的影像都比较模糊，而且也不如军用卫星那样详细。但现在的情况已不再是这样。1994年，联邦政府撤销了对私立公司的限制，允许他们建造新一代民用“间谍”卫星并向顾客出售图像。总部在科罗拉多州丹佛的空间成像公司（Space Imaging Corporation）于1999年首次发射了高分辨率商用卫星“伊科诺斯”1号（Ikonos 1 ，以希腊文“影像”命名）。翌年又有另两家美国公司发射了类似的卫星。新的成像技术强大到能够检测和记录地面上宽度小到1米的目标：汽车、房屋，乃至热水浴缸。
军事规划人员正在发现商用卫星高分辨率图像不可估量的价值，这些图像足以提供最新的信息，其详细程度和精度水平高于常规地图。把多个数据图层叠加到影像上，例如将从地形图信息、当前天气状况与士兵在战场上的报告进行叠加，就能帮助制订军事任务计划。例如，在伊拉克的军队指挥官就曾利用此类图像查明有可能被狙击手利用的高层建筑，确定哪座桥梁已被摧毁，确定哪些小巷可能是伏兵的通道等。
新的影像同样受到地质学家、城市规划师和救灾官员的欢迎。非政府的公益团体把影像用于向政府施加压力以实践环境法和条约、追踪难民运动、探测非法废料堆，以及监视军控协议等方面的活动。与此同时，卫星影像清晰可见的细节和广泛的实用性增加了对国家安全的担忧。一位情报官员谈到：“每当引进一项强有力的新技术，就会引发一场关于把它用在何处的争斗。总而言之，这方面有益用途的潜力很高。但是，肯定也存在被滥用的可能——我们无疑会看到一些这样的情况。”
人们的主要关切之一是在军事侦察清晰度和精确度方面相互竞争的影像可能被威胁国家福祉的人员购买。例如，在战时，敌人可能将其用以攻击军队和军事装置的所在地。恐怖分子可能利用这种图像计划奇袭。美国空间司令部领导人理查德·B.迈尔斯（Richard B. Myers）将军警告说，政府必须决定武装冲突时要如何行事。“当你出售可能用以反对你的东西时，就会存在风险”。
不过，美国公司的操作受到许多安全限制。他们被禁止向若干国家的顾客出售图像，包括古巴和朝鲜。考虑到国家安全利益，政府可以划定任何禁区。例如，2001年9月11日之后不久，五角大楼就从空间成像公司购买了阿富汗和巴基斯坦所有卫星影像的专有权。
思考题
你是否认为新的精细卫星影像是对国家安全的潜在威胁？敌方有权使用这些影像是否可能使好战的国家比现在更加危险？为什么？
有权使用卫星影像为何会滋长环境与社会不稳定的趋势？
为卫星发放许可证的联邦政府是否应该允许实行“快门控制”——战时切断影像销售？论证你的答案。
圣弗朗西斯科国际机场的卫星影像。只是最近才能通过商用卫星得到并向公众提供像本图这样详细、精确的高质量影像。资料来源：© 2000 Space Imaging. All Rights Reserved.
2.7 地理信息系统
地理学的主要进展是使用计算机帮助制图与空间分析。过去25年内，计算机已经几乎变成每个制图过程都必不可少的一部分——从数据收集与记录到地图的编制与修订。尽管设备的最初成本较高，但是投资能以更高效的方式、更精确的地图编制和修订而得到回报。
计算机被认为是地理信息系统 （geographic information system，GIS）的核心，基于计算机的程序组用以组合、储存、处理、分析和展示与地理相关的信息。任何能够被空间定位的数据都能进入GIS。以下是GIS的5个主要组成部分：
数据输入部分：把地图和其他数据从其现存形式转变为数字形式或计算机可读的形式；
数据管理部分：用以储存和提取数据；
数据操作功能：允许来自异源的数据能同时被使用；
分析功能：能够从数据中提取有用信息；
数据输出部分：使形象化的地图和表格显示在计算机显示器或硬拷贝上（如打印在纸上）。
地理数据库
开发GIS的第一步是创建地理数据库 （geographic database），它是地理信息的数字记录，信息来自地图、野外观测、航空摄影和卫星影像等信息源。只要是与地理有关的数据——来自许多不同来源、各种形式——GIS就能够利用。研究目的决定了进入数据库的数据。对于研究一个特定地区湿地对伤害的敏感性的自然地理学家来说，源数据可能包括各地点的降水量图、土壤类型图、植被覆盖图、水污染源图、等高线图以及河水流向图等。另一方面，对城市地理学家和区域规划师而言，要使用的GIS数据集可能包括美国人口普查局收集出版的大量地方专门信息，包括政治界线、人口普查街区、人口分布、建筑物清册、人种、种族划分、收入、住房、就业等等。
数字形式的地理信息一旦进入计算机，就可以对数据进行运算、分析和展示，其速度与精度无可比拟。因为计算机可以在几秒钟之内处理上百万的数据，所以对需要同时分析许多变量的研究者特别有用。地理信息系统的开发降低了用地图储存信息的重要性，同时使研究人员能够专注于地图分析与传送空间信息。利用适当的软件，计算机操作员就能展示数据的任何组合，几乎立即就可以显示各变量之间的关系（图2.25）。在这种意义上，GIS使操作人员能够编制各种地图或进行空间分析，而在几十年前这几乎是不可能做到的。
图 2.25 信息图层是GIS的精髓。转化为数字资料的地图信息以不同的“图层”被储存在计算机中。GIS让使用者能够把想用的那些图层进行叠合，编成一幅合成地图，借以分析那些变量是如何相互联系的。
资料来源：Reprinted by permission of Shaoli Huang.
GIS运算有几种输出类型：展示在计算机显示器、数据清单或硬拷贝上。当需要编制地图时，地图学家就能够迅速提取想要得到的数据。地理信息系统对现有地图的修订特别有用，因为过时的数据——例如人口数量——很容易被修改或替换。此外，GIS还能通过一次操作迅速改变一些变量和（或）模型参数，并能使用多重空间尺度，有助于进行探索性分析。
GIS的应用
谁使用地理信息系统？各领域成千上万人士为各种不同目的使用此类系统。环境系统研究所公司（Environmental System Research Institute, Inc.，简称ESRI）出版的月刊ArcNews ① 记述了许多领域“GIS在行动”的无数实例。在人文地理方面，数量巨大且日益增长的大批空间数据促进了利用GIS来研究区域经济与社会结构模型、交通系统和城市发展格局、选举行为模式等等。对自然地理学家来说，要了解自然环境中的过程与相互关系，GIS的分析与建模能力是十分重要的。
除了地理学家以外，从考古学到动物学等各领域的研究人员，都使用地理信息系统，下面仅举几例。
生物学家和生态学家利用GIS研究环境问题，包括空气污染和水污染、地景保护、野生动物管理和濒危物种保护等。
流行病学家需要精确的地图信息来研究疟疾、非典型肺炎、艾滋病和登革热等疾病的传播，以及昆虫学的风险因素。
GIS软件使政治学家能够利用紧密度和邻接度等标准对现行的立法区进行评估，并提出重新划定区域边界的方法。
社会学家利用GIS软件识别不同种族的人群，并研究种族隔离结构随时间的变化。
许多私营公司也使用计算机绘图系统。其中油气公司、连锁酒店、软饮料灌装企业以及租车公司依靠GIS系统完成各种任务，例如确定井位、为新特许经营权企业选址、分析销售区域，以及计算最佳驾驶路线等。
全国级部门与州、县等地方各级政府部门都使用地理信息系统，如公路与交通管制、公用设施规划等部门。执法部门利用基于空间的软件包来分析犯罪模式、确定犯罪活动的“热点”，从而重新部署警察的储备力量。
政府官员还利用GIS帮助制定对龙卷风、飓风、地震、洪水和森林火灾等自然与人为诱发灾害的应急措施。由于这些威胁人类和建筑物的灾害往往是突然发生的，因此会造成混乱和惊慌。GIS技术日益用于帮助社会制定防灾与应急的计划。例如，规划人员可以将有关道路类型、消防队位置、预期对火灾发生与救援队的反应时间等方面的信息结合起来，编绘撤退地带、疏散路线以及避难场所的地图。一旦灾难降临——无论是亚利桑那州的森林火灾还是俄克拉何马州的龙卷风，在进行房屋定位、产权确认、帮助救援负责人决定把野外工作队和救援人员派往何处、设置野战医院和救护基地等任务时，用GIS编绘的地图已被证明是极其有价值的。灾害发生之后，此类地图还用于圈定受损的建筑物、评估财产损失，以及为清理瓦砾垃圾做准备。
关于GIS应用最具戏剧性的实例之一是2001年9月11日世贸中心遭到袭击之后的几天。应急与重建队伍需要了解瓦砾与残余建筑物的稳定性、哪里的地铁遭毁损、自来水总水管位于何处，以及何处的公共设施运转中断等方面的情况。在受袭地点大火仍在燃烧，市长的计划办公室被毁时，GIS专家就立即开始收集用于编制该地点高精度地图所需的数据。这些不断更新的地图帮助紧急事件负责人跟踪地下火灾扩大与灭火的情况，使他们能够决定如何把救援装备运抵现场，何处能安全地布设大型修复设备，以及经由什么路线清运瓦砾垃圾（图2.26）。
图 2.26 世贸中心现场的三维激光雷达影像。“9·11”袭击后利用遥感、GPS和GIS集成的世贸中心残骸精确地图在恢复与清理工作中的价值是无法估量的。全球定位系统被用以部署地面和空中传感器。装备了3种传感器的航空器收集高分辨率的航空照片、热影像和激光雷达（光探测与测距）数据。资料收集后的几小时内，来自政府、工业界和学术界的GIS专业人员把数据进行合并，编制出大楼与周围地区的高分辨率大幅影像。根据激光雷达系统编绘的三维模型使工程技术人员能够计算瓦砾堆的体积，跟踪其运动与变化，并确定起重机将其清除所需的范围。
资料来源：NOAA / U.S. Army JPSD.
由于GIS在各种公共与私人空间查询中的重要性日益增长，就业市场对擅长此项技术的人才的需求也在增长。许多大学的GIS课程也在相关地理部门教授，而且“GIS / 遥感”是许多主修地理学的本科生和研究生力图具备的首要职业特长。
章节摘要
我们并未试图在本章讨论地图学领域的所有方面。我们有意省略绘图法与地图设计、土地调查系统、地图编绘，以及地图复制技术等主题。本章的意图是介绍有助于地图阅读与判读的那些方面，同时提示地图创作与设计的新技术，以及地理信息系统的用途。
地图是最古老、最基本的沟通工具之一。对地理学家而言，地图就像文字、照片和定量分析技术那样不可或缺。地理学家不是唯一依赖地图的人。这个时代涉足分析与解决各种问题的人们同样依赖地图。需要对地球表面各要素进行精确描绘的问题很多，全球变暖、污染、全球化、能源供应、国家安全、犯罪以及公共卫生等仅是其中的几个例子。
现代地图绘制源自17世纪。有3项关键性进展使编制地表特征的地图既能令人满意又有可操作性，就是重新发现古希腊地球科学家的著作、越洋航行，以及印刷机的发明。
经纬度网格系统被用以定位地表地点。纬度是赤道南北距离的量度，而经度是本初子午线东西的角距离。经度和纬度二者均以度数表示，度又更精确地细分为分和秒。全球定位装置使用者能够确定他们在地球上的位置。
把曲面的地球表现在平面地图上的所有系统都会使一种或更多的地球特征失真。任何一种投影都会使面积、形状、距离和（或）方向失真。制图员选择最适合其目的的投影，他们可能选用等积投影、正形投影、等距投影，或者选用能表示从一点到所有其他点方向都正确的投影。不过，许多有用的投影都不具备这些特性。
大比例尺地图中最精确、最有用的是国家主要地图机构出版的地形图方。这些图方信息丰富——包含自然景观与文化景观的信息，可应用于多种目的。
近年来，遥感技术使我们能够更快、更精确地编绘世界地图。航空摄影和卫星影像二者能够分辨光谱的可见光和近红外波段。遥感的应用包括编绘地图、环境监测和资源调查。遥感所获取的海量数据的储存、处理与提取推动了地理信息系统的开发。计算机和相关软件日益增强的性能与灵活性，使GIS制图在寻求各种问题答案方面的价值无法估量。
你在阅读本书后面的章节时，注意地图的各种不同用途。例如，你会在第3章看到地图对理解大陆漂移理论是多么重要；第7章，地图怎样帮助地理学家识别文化区；第8章，地理学家如何用地图记录人们对空间的感受。
问题与讨论
本初子午线用作地图和地球仪坐标的重要性是什么？本初子午线或其他任何经线是实际存在的还是人为划定的？本初子午线是如何被划定或被普遍接受的？
当你向两极靠近时，经度的长度有什么变化？赤道与两极之间纬度的长度有什么变化？
在世界地图集中，以度和分确定美国纽约、俄罗斯莫斯科、澳大利亚悉尼以及你家乡的位置。
列举地球仪网格5种以上的特性。
简要说出正形投影、等积投影和等距投影在性质和目的上的不同。试举出能够在每种投影上得到最好表现的各类地图信息的一两个例子。另举出表现在不适当投影上的数据可能导致误解的一两个例子。
地图比例尺能以哪些不同方式表示？把下列地图比例尺变成相应的文字形式。
1:1,000,000 1:63,360 1:12,000
等高线的用途是什么？什么叫等高线间距？等高线密集意味着什么地景特征？
“遥感”一词所指的是哪种数据采集方式？描述能传感各光谱波段的一些方式。遥感影像用于哪些方面？
地理信息系统的基本组成是什么？空间信息如何被记录在地理数据库里？计算机化的地图绘制系统应用在哪些方面？
延伸阅读
American Cartographic Association. Committee on Map Projections. Choosing a World Map: Attributes, istortions, Classes, Aspects. Special Publication No. 2. Falls Church, Va.: American Congress on Surveying and Mapping, 1988.
———. Matching the Map Projection to the Need. Special Publication No. 3. Falls Church, Va.: American Congress on Surveying and Mapping, 1991.
———. Which Map Is Best？ Projections for World Maps. Special Publication No. 1. Falls Church, Va.: American Congress on Surveying and Mapping, 1986.
Barnes, Scottie B. “GPS Comes Down to Earth.” Mercator's World 4, no. 3 （May/June 1999）: 62-63.
Brown, Lloyd A. The Story of Maps. Boston: Little, Brown, 1949; reprint ed., New York: Dover, 1977.