【对撞机】从地图学到地理可视化

如今，无论是行车还是走路，特别是在一个相对陌生的环境中，我们都会习惯性地拿出手机，跟着导航软件去寻找目的地。原理其实很简单，说白了就是利用卫星定位把你所在的位置正确地投影到地图上，这样就知道自己在哪里了。这一切功能都起源于最初的地图，而最近这几十年中，依托于计算机和图形技术、遥感与测绘手段的应用，地图已经从过去我们熟知的那张纸，演变成为当今多元和多维信息集成的载体。从地图诞生至今，作为研究地图的专门学问，地图学（cartography）的演进也代表了人类在对于信息采集、加工和利用方面的不断探索和成就。

（图1：古巴比伦时期的黏土板画）

地图学，或制作地图可以说是一个非常古老的概念和行为。目前发现最早的地图是在古巴比伦时期（约公元前30世纪）的黏土板画上（图1）。这幅古老的地图把古巴比伦王国放置在地图的中央，幼发拉底河穿过整个国家，周围环绕着群山和大海，展现出当时人们对于空间的原始概念。后来，伴随着地理学和数学的发展，制作地图的技术在古罗马、希腊、中国等国家得到了进一步的更新。其中的一个代表作便是托勒密（Claudius Ptolemy）在1482年手绘的世界地图（现存于大英博物馆，图2）。在这个地图中，第一次出现了代表着经度和纬度的画线。另一个代表作则是我国西汉时期（约公元前183-168年）出产的丝绸质地图（图3）。在这个展示古代长沙城的地图中出现了栅格划分系统。

（图2：世界地图 托勒密绘） 

（图3：西汉时期出产的丝绸质地图）

如果大家有兴趣，可以在互联网上搜集到无数中西方古地图，每一张都可以称得上是艺术珍品。这些古老的杰作不单单是一件件装饰品，也是人类社会最重要的参考信息，因为它们是人们了解某个地方概况／全貌的唯一途径。在制图工艺和技巧不断被刷新的同时，人们也开始关注地图的实用性，因为一张地图所包含的信息以及这些信息是否正确更是地图学的真正意义所在。我们可以这样理解：每一个在地图上出现的符号，只有在现实世界中对应到具体的某个物体，这个符号才具有意义，才具有参考价值。所以地图在首次投入战争之后，便凸显了非凡的意义，地图的精度也随着战时需要被不断地提高。

地图从黏土板到纸张和丝绸再到现在的各种多媒体终端，制图者（单位）所处理的信息量和种类已是今非昔比，处理手段也是多种多样，传统的手绘亦被数字化替代（图4）。一个普遍认同的观点是：地图指的是“地理现实的一种代表或抽象，也指通过视觉、数字或触觉手段展示地理信息的工具”（Board, 1972; MacEachren, 1995）；而地图学则是“通过视觉、数字或触觉手段对地理信息的组织、展示、交流和使用，包括了地图和相关空间信息产品在制作过程中从数据准备到最终应用的全部阶段。”（Taylor, 1991）当今社会所采集和应用到的大部分数据均涉及空间要素，而对于这样的空间数据的可视化已经不是传统地图学概念能够涵盖的，因此，一个新的概念——地理可视化（geo-visualization）也就应运而生了。

(图4：数字化绘图)

地理可视化对地图学的概念进行了延展。从技术角度来说，不同可视化技术的融合能够显著提高地理数据的图形化表达；而从理论角度来说，可视化被看作是人类大脑对于特定事物的描绘过程，是人与地理信息之间的认知和交流过程。这样的过程可以帮助人们将数据有效地转化为知识，进而产生地理科学范畴内的实际意义。按照现代地图学对于地图的坐标、比例尺、颜色、方向等要素的严格定义，古巴比伦人制作的根本不能称之为地图，也根本谈不上任何价值。但是按照地理可视化的理解，古巴比伦人破天荒地描绘了自己所处的世界，并且成功地把信息传递给了后人（国家、河流、大山和海洋），充分实现了地图所应该具有的根本价值。

如果说地图学奠定了地理可视化的坚实基础，那么地理信息系统（geographic information systems，简称GIS）则将地理可视化进行了发扬光大。顾名思义，GIS便是处理地理信息的一个系统或多个系统的集成。从历史上看，GIS最初指的就是计算机制作地图的程序。从20世纪50年代开始，自动化制图开辟了空间信息可视化的新纪元，地理信息系统这个概念在60年代开始被欧洲以及北美的地图学家和计算机科学家们所逐渐认同（Chrisman, 2002；Longley etal., 2010）。第一个真正意义上的GIS系统—加拿大地理信息系统（CGIS）由Roger Tomlinson于1963年在加拿大地政局（Canada Land Inventory）实验室搭建完成（Tomlinson, 2007，图5）。3年之后，在哈佛大学的计算机图形和空间分析实验室诞生了第一个栅格（raster）GIS应用程序SYMAP（Longley et al., 2010）。这标志着人类不仅可以传递位置信息，同时还可以利用这些信息在计算机的帮助下进行更多的分析。

（图5：加拿大地理信息系统）

正如之前提到的地图学定义，地理信息的可视化包括了信息的采集、组织、处理和展示等方方面面，所以这里必须要强调两个关键的数据采集技术——遥感（remote sensing）与全球定位系统（global positioning system, GPS）。这两种技术的应用全面革新了地理信息的数量和质量，对可视化的多维发展产生了深远的影响，并且至今仍是地理信息获取的主要手段。70年代初期，美国军方率先开始了基于高空飞机甚至卫星平台的全球地理信息监测，随后该技术在民用领域也得到了迅速发展，如1973年发射的首颗地球资源观测卫星Lansat 1。于此同时，伴随着通信技术的发展，美国又在1985年正式启用了GPS全球定位系统，主要用途是向军方（后拓展至民用）提供定位、导航和校时服务。时至今日，GIS、RS和GPS依然是整个地理可视化最重要的关联要素，相辅相成，缺一不可。

（图6：交互式地图）

到了现在，地理可视化的技术越来越成熟，产品线也越来越丰富。比如在交互式地图上附加关于这个地点的一张图片或是一段视频可以帮助使用者更好地掌握这个地点的信息（图6）。交互式在线地图可以提供给用户实时的信息，例如查看城镇的光照系数以及太阳能发电设施的覆盖区域（图7）；还可以利用最新的三维建模技术打造庞大的都市，并在这个虚拟的环境中探索每一个建筑，与其他在线的虚拟市民互动（图8）；也可以佩戴加强型虚拟现实头盔，对城市规划中新地标的放置和天际线的勾画进行准确实验（图9）。随着计算技术和图形技术在软硬件方面的不断升级，可视化的效果、精度和实用性也会不断提高。无论是简单的手绘地图，还是复杂的虚拟空间系统，都在遵循着一个初衷：帮助我们明确自己的位置，更好地了解周围的世界。

（左：图7  查看实时的城镇的光照系数以及太阳能发电设施的覆盖区域）

（右上：图8 三维建模技术建造城市）

（右下：图9 佩戴加强型虚拟现实头盔）

参考文献

• Board, C., 1972. Cartographic communication. Cartographica, 18 (2), pp.42–78.

  
  

• Chrisman, N., 2002. Exploring Geographic Information systems. 2nd ed. New York: Wiley.

  
  

• MacEachren, A.M., 1995. How Maps Work. New York: Guilford.

  
  

• Longley, P.A., Goodchild, M.F., Maguire, D.J. and Rhind, D.W., 2010. Geographical Information Systems and Science. Chichester: John Wiley & Sons.

  
  

• Taylor, D.R.F., 1991. A conceptual basis for cartography: New direction for the information era. Cartographica, 28(4), pp.1-8.

  
  

• Tomlinson, R., 2007. Thinking about GIS: Geographic Information System Planning for Managers. 3rd ed. Redlands: ESRI Press.

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主编 / 黄海博

责编 / 吴维忆  徐力恒

美编 / 张家伟

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