地图背后的奥妙

 2018/08/30 22:21  李功发 《读者·校园版》  (250)    

当你使用地图时,有没有想过你手里的地图是否准确?它会不会把你引入歧途?在人们的心目中,地图最能如实地反映这个世界,它是值得信赖的帮手。但仔细观察地图,你也许就会发现“差错”,不加解释的话,甚至可能动摇你对地图的信任。

有时地图上显示出一条弧形线路,而你实际去走一趟,却发现那是一条直线。同一块陆地在不同的地图上被绘成了不同的形状,比如,南美洲地图上的南美大陆要比世界地图上的丰满;世界地图上的俄罗斯宽而扁,而在俄罗斯国家地图上,它却像一个两头上翘的弧形。难道这些地图有问题?

并非地图有问题。这些让你困惑的现象牵涉制作地图过程中的方方面面,测量、数据处理、绘制,还有地图的用途等地图背后的奥妙。

曲面的地球

现在假设半个西瓜是北半球,把它挖空,再把它拍平在一个桌面上。瓜皮必然变形、开裂,那些原本连在一起的花纹也分离了。设想瓜皮的花纹是地球表面的海岸线、国家边界、道路、河流、山脉,当它们被迫在平面上表现出来的时候,就失真了。所以说平面的地图是没有完全准确的。不管你的测量多么准,都不可能在平面上准确地重现曲面的大地。要想把曲面展现在平面上,有专门的方法,地图专家称之为“投影”。

为了满足不同地区、不同用途的地图的要求,需使用不同的投影法。有史以来,地图专家已经发明了300多种投影法。用不同的投影法得到的地表形状也不尽相同。

每个环节都可能产生误差

制作地图是一个浩繁的工程,从测量、收集数据到处理数据,再到绘制,其间无论是设备、数据,还是人的操作,每个环节都有可能产生误差。

实地测量时,风可能吹动了仪器,使其角度发生偏离。空气密度不均匀,则会使光线发生偏折。在沙漠中测量时,工作人员会尽量避开中午这段时间,因为中午气温高,空气对流剧烈,光线偏折较大。

航空拍摄时,也会产生一些误差。我们看地图,绝大多数是从空中俯瞰大地的视觉感受,看图的人就好像从飞机或者卫星上看下来。当你专注于垂直下方的一小块地区时,可以认为误差很小;而当你看向斜下方时,再加上地表是曲面的,误差就产生了。航空摄影获得的图像就含有这种误差,所以必须经过处理才能用于绘图。

最好的仪器设备本身也会有误差。就连GPS(全球定位系统)也避免不了卫星轨道不够精确等因素,而影响了测量精度。

如果下一次测量时采用上一次测量的数据或者经过计算、处理的数据,就可能出现误差累积,精度会越来越低。

不过,在测绘过程中,专业人员都明白存在这些误差,所以会采取各种手段纠正误差。测绘发展的历史,就是减少误差的历史。

地图各有用途

作为一个地图使用者,也许你认为地图越精确翔实越好。然而,事实上,地图既不可能绝对准确,也不见得有这个必要。每张地图都有一些特定的用途。一张地图只要满足了特定的需要,它就是好地图。

一般的观光客需要了解公共交通、名胜景点或商店的位置,用城区交通图或景点游览图就足够了。这一类地图强调示意性,而不强调比例真实。例如有的旅游景区地图,就往往不按比例画一块区域的面积大小、一条道路的曲直、两个村镇之间的距离,而重在标示方位和相互关系,直接的好处就是把景点紧凑地标出来。这样的地图,国外旅游业用得很多,但都要注明“此图不按比例”,以免误导看图者而造成麻烦。

除了景点游览图和交通图,人们还需要植被分布图、特殊用途的地形图,甚至公共厕所分布地图。对于女性而言,也许需要犯罪率统计分布图……我们还需要地下水污染图、湿地地图、社区的活动地图。2002年,英国还绘制了世界上首张噪音图。

既然每张地图满足的需求不同,图中表现的内容就不一样,精度的要求也不一样。比如,表示地势高低的等高线对市区交通图就毫无意义,植被分布在公厕图上也成了碍眼的累赘。

绘制地图越来越难

早期的人类除了自己所在的地方,很少了解其他的地方。所以,几乎所有古地图的边缘都语焉不详。

绘图技术在古希腊时代曾有过突破性的发展,可惜在中世纪黑暗时代停滞了。15世纪——17世纪的地理大发现使人们开阔了眼界,地球在人类面前逐渐显露出整个面貌,地图也越来越完整。当哥伦布在寻找印度的途中误打误撞发现了美洲大陆后,殖民主义者就迅速把绘图师派往新大陆绘制地图。

早期的美洲地图有无数个版本,是随着殖民者迈进的脚步而一步步扩大、细化和完善的。几乎所有稍有名气的探险家都绘制过地图,而他们的测量手段也非常原始,主要靠观察。驾船沿着海岸一点点地走,或者一步步跨过荒原,再加上一些观测天体和气象的技术,另外就是凭经验和知识去猜测。

科学化的测量在人们心目中,是测量兵扛着标杆翻山越岭的情景,这就是实地测量。从用平板仪观测到手绘,再到高度、距离、角度三合一的全站仪,还有利用激光扫描直接存储数据的激光测距仪,地图的精度在一步一步地提高。GPS也使工作方便了許多,只需把接收装置安放在被测地点,就能得到这个点的坐标。GPS在军事应用中,误差甚至不超过l米!

航空航天技术使测绘事业如虎添翼,使人类的视野能够扫视到地球表面任何一个角落,而且在测量地形时比人员前往实地测量更精确。过去,亚马孙雨林和撒哈拉沙漠深处的细节只能靠假想画在地图上。进入太空时代以来,卫星摄影得到的照片证实那不过是绘图师们聪明大脑的虚构物,现在已从地图集里删除了。

据说在珍珠港被偷袭之前,日本派人冒充画家,从夏威夷的山腰观察美国军舰,画下港湾的地图,为发动攻击的日军飞机提供了重要情报。但现在人们只要花几百美元就可以买到非常细致的商业卫星照片。有专家说,美国人出售的商业卫星照片精度最高的达到分辨率0.61米。而美国军用侦察卫星“大鸟”,获得的影像分辨率能达到0.3米。但是,尽管航拍和卫星遥感已广泛应用于测绘,实地测量仍是一个不可替代的环节。

地图测绘前景必将是这样的:位于绕地轨道上的空间飞行器,直接把获得的信息传送到地面的资料处理中心,立即自动成图。做到这个程度的意义不只在于获得精确的地图,还在于它的即时性,可以随时获得地理、人文、军事等各种信息的变化。

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