地图学

**章地图与地图学 地图由来已久。在人类文明的历史长河中，地图既是一种可应用于军事和生产的工具，又是一种与思想和文明密切关联的文化现象。地图帮助我们认识家园、开发矿产、预报天气、开拓航路、规划城市、保护生态、教育后代。地图在创造文明的同时也改造了世界。 地图是地理学的第二语言。天文学家利用望远镜观察遥远的星辰，生物学家利用显微镜观察微观的生命现象，地理学家则利用地图考察地理景观、分析地理现象、表达地理思想。遥感、卫星定位导航、地理信息系统技术的发展，不断增强着地图的力量；网络、移动通信、大数据和人工智能的发展，给地图打造了更大的应用舞台。现在，地图应用比过去任何时候都更加广泛。 认识地图，掌握地图和地图学的基本知识，是编绘和应用地图的重要基础。本章从地图概述出发，讲授地图的概念、构成要素、分类、功能和应用、成图方法；浏览地图史，了解地图起源、古代地图、近代地图、现代地图；介绍地图学概要，包括地图学溯源与寻踪、地图学学科体系、地图学近邻学科，以及地图学前瞻。 **节地图概述 一、地图概念 （一）地图基本特性 地图是一种表达地理事物和现象的图形语言。在人类文明进程中，还发展了其他的图形语言，如绘画、照片等，它们同样也具有表达地理事物和现象的功能。但是，地图在发展过程中，更加强调了地图内容的可量测性、综合性和符号含义的确定性，形成了不同于其他图形语言的基本特征，成为表达地理事物和现象不可替代的工具。 1. 严密的数学法则 数学法则是精确绘制地图内容的保障，决定了地图具有可量测和可对比的特性。地图的数学法则主要包括：将地球球面转换成平面的地图投影，将地理空间实际尺寸缩小到地图幅面大小的地图比例尺，将地面坐标点准确定位在地图平面上的大地控制网。 真实的地球表面是一个巨大的、不可直接展开成平面的球面。为了绘制平面地图，首先用地图比例尺将地球按照一定比例缩小，然后将地球表面的经纬网投影到平面或可以展成平面的介质上，并以经纬网格作为参照和控制，将山脉、河流、城市等地理要素绘制在地图上。在绘制大比例尺地图的时候，还要利用地面大地测量成果建立的控制点、控制网，以确保地图上地表要素位置的精准度。 2. 科学的地图概括 地图概括是清晰表达地图内容，突出地图主题和恰当反映地图编绘者意图的有效方法，使地图内容具有了清晰和一览的特性。 受人的视觉感知极限制约，地图上的符号和文字注记必须占一定面积才能方便使用者阅读和使用。与相对较小的地图幅面相对应的地理空间十分巨大，所承载的地理事物和现象也纷繁复杂。如何在有限的地图幅面上清晰表达地图内容，就成为地图制图者不可回避的问题。但是，每一幅地图都是依照一定目的编绘的，这个目的决定了各种地理要素在地图上的重要性有所不同。地图概括就是根据地图幅面所能承载的符号和注记容量，在地图编绘目的的指导下，对地理要素进行取舍、简化，在达到制图目的的前提下，使地图内容表达清晰和准确。 3. 特定的符号系统 地图符号系统是地图语言准确表达的基础，它使地图具有了直观性和易读性。 现实世界中的地理事物和现象非常复杂，很难从外观辨识其类型、性质；还有很多地图内容是无法直接观察到的。因此，根据地理要素的外貌特征和内在特性，在相关科学分类分级思想的指导下，设计由线划符号、颜色、注记文字和数字构成的地图符号系统，就能够突出表示重要的地理要素，直观表达不可见的地理事物，准确说明仅用图形无法表示的地图内容。 （二）地图与遥感影像比较 遥感影像已经很容易获得，成为人们发现地理现象、认识地理规律的重要手段，也成为地图编绘极为重要的资料来源，并且推动产生了新的地图类型。但是，因为遥感影像不具备地图所特有的基本特性，所以仍然不可能取代地图的功能。 图 1-1是同一地区的航空遥感影像和地形图。航空相机采用与地图投影不同的数学法则，将地球表面上的地物投影在像片平面上；像片上地理内容的清晰程度取决于地物的大小和相机的分辨率，一些重要的地物可能因为其尺寸而不能显示；由于没有地图符号系统的帮助，地物的类型、数量、地名等都无法表达出来。下面从是否具有地图符号系统的角度，详细比较一下地图相对于遥感影像的优点。 图 1-1 同一地区的航空影像与地形图比较 （1）地面上面积太小且比较重要的地物，经过航空相机物理缩小后不能清楚显示，尤其如三角点、水准点、泉等点状地物，在航空像片上几乎不能识别，但在地图上使用符号就可以清晰表达。 （2）地物类型和性质在航空像片上不易识别，如土壤类型、路面性质、地面高程、坡度陡缓、湖水咸淡等，利用符号系统在地图上一目了然。 （3）有地形、地物遮挡的地方，被遮挡的地物在像片上无法显示，如植被遮盖的道路，隧道、地下管线、地下建筑物等，而在地图上可通览无余。 （4）没有外形的地理要素，如经纬线、境界线、城镇人口数量、民族构成等，航空像片根本无从探测和表现，但使用地图符号系统则可简单、清晰地表现出来。 问题与讨论 1-1 对地表景观的摄影作品、美术作品，表现了从作者的视角看到的自然风光或人文社会图景。对比表现同一地方地表景观的地图、摄影和美术作品，与摄影和美术作品相比较，地图有哪些本质上的不同？ （三）地图定义 定义是对一种事物的本质特征或一个概念的内涵和外延所做的简要说明。在人类文明的长河中，地图概念随着地图产品形式和内容的发展一直在不断地变化着。利用各种航天探测器获取的地外天体数据，地图手段和方法可延伸到地球以外的星球；借助计算机系统，地图不再局限于平面和静态表达，多维、动态可视化已成为新的表达形式，负载地图内容的介质也从传统的纸张绢帛发展到磁盘光盘。所以，不同学者从各自的视角出发，面对“什么是地图”这个问题，就会给出不同的答案。 美国地图学家鲁宾逊认为“地图是周围环境的图形表达”；苏联地图学家别尔良特给地图的定义是“地球或天球缩小与概括的符号图形”，并进一步指出“地图是按照数学法则建立的，反映出各种自然和社会经济要素与现象的分布、特征和联系”，是“认识、实践活动和信息传输的工具”，不仅把地图的概念推广到其他天体，而且补充了地图的作用；国际地图制图学协会（ International Cartographic Association，ICA）定义地图是“地理现实世界的表现和抽象，是以视觉的、数字的或触觉的方式表现地理信息的工具”，将地图表达拓宽到视觉方式之外；美国学者 Tasha Wade等编写的《 A to Z：GIS图解词典》一书认为地图是“①在一区域中，实体的空间关系的图形表达；②地理或空间信息的一般性图形表达”，突出了地图信息的内涵。 在2009年发布的国家标准《地图学术语》（GB/T 16820—2009）中，地图被定义为：按照一定数学法则，使用符号系统、文字注记，以图解的、数字的或多媒体等形式表示各种自然和社会经济现象的载体。 二、地图构成要素 地图构成要素指地图图面上的全部内容。根据这些内容的性质和作用，通常将地图构成要素划分为数学要素、地理要素和辅助要素三类。 （一）数学要素 数学要素是地图数学法则的具体体现，包括坐标网、比例尺和控制点等。 1. 坐标网 地图坐标网是确定图上要素坐标位置的基础，有经纬线网和平面坐标网两类。经纬线网是球面坐标经过地图投影在平面上的表现，据此可以量测地图上某点的经度和纬度。平面坐标网是在特定地图投影基础上，通过建立平面直角坐标系或极坐标系绘制的坐标网格，用于表达和量测地图上点的平面坐标。 经纬线网通常绘制于中、小比例尺地图上，并配合有经纬度注记。平面坐标网以平面直角坐标网常见，用于大比例尺地图，配合有直角坐标注记。在一些示意性质的地图上，坐标网可被省略掉。 2. 比例尺 地图比例尺表明地图缩小的程度，是进行地图量算的基本要素。地图比例尺一般配置在图面比较醒目的位置，采用数字形式或图解形式表现。 3. 控制点 控制点是经过地面精确测量的坐标点，在高精度地图分析和应用中有着重要作用。地图上的控制点主要是不同等级的平面控制点和高程控制点，通常只在大、中比例尺地形图上绘制。 （二）地理要素 地理要素是地图内容的主体，采用地图符号系统表达。地理要素按其内容性质，可划分为自然要素和人文社会经济要素。 1. 自然要素 自然要素表现地图制图区域内的自然地理事物和现象，涉及地质地貌、气象气候、水文水资源、土壤植被等。水系和地貌是地图上昀基本的自然要素。 2. 人文社会经济要素 人文社会经济要素表现地图制图区域内的人文、社会、经济事物和现象，涉及政治和行政区划、人口与民族、城市和村镇、道路交通网络、历史与文化、产业和经济等诸多方面。境界线、居民地、交通网是地图上昀基本的人文社会经济要素。 （三）辅助要素 辅助要素是了解地图主题和用途，协助使用者用好地图的重要资料。辅助要素可分为基本辅助要素和其他辅助要素。 1. 基本辅助要素 基本辅助要素是选择和使用地图必须具备的资料信息，包括地图图名、图例、方向标、制图者和成图时间，一般不能缺失。图名表达地图的主题和制图区域；图例说明地图符号的含义；方向标表示主图区域的方位，在绘制有坐标网的地图上，方向标常被省略；制图者和成图时间对判断地图质量和可用程度具有重要意义。 2. 其他辅助要素 其他辅助要素包括接图表、图号、图廓、分度带、坡度尺、生僻字读音、制图方法和使用规范说明、附图、附表等。 三、地图分类 地图种类繁多，为了便于编绘、管理和使用，需要对地图进行分类。用于地图分类的指标很多，有地图内容、信息存储显示方式、比例尺、地图用途、制图区域、使用方式、感受方式、承载介质等，其中地图内容、信息存储显示方式、比例尺、地图用途和制图区域是昀常用的分类指标。 （一）按地图内容分类 地图按其主题内容分为普通地图和专题地图。 1. 普通地图 普通地图是指相对均衡地表示地球表面自然地理和人文社会经济要素一般特征的地图。水系、地貌、土质、植被、居民地、交通线、境界线及独立地物等是普通地图上表示的主要地理要素。 普通地图包括地形图和地理图。 1）地形图 地形图是社会经济建设和国防建设非常重要的基础资料，按照统一的大地控制基础、地图投影和分幅编号，采用统一的测图或编制规范、图式符号系统和比例尺系列，统一组织测制。 2）地理图 地理图又称普通地理图，常以自然地理或行政区划单元为制图区域，相对概括地表示制图区域内的自然地理和人文社会经济要素的基本特征。 地形图与地理图相比较：在地图符号、表示方法、地图概括、比例尺和地图整饰等方面，地形图有严格统一的标准规范，地理图则有更多的灵活性；在地图内容表达的精准程度方面，地形图重视几何精度，有明确的精度要求，而地理图突出区域单元的整体性和地理要素的综合性，重视地理要素的相对位置关系。 2. 专题地图 专题地图是指突出表示一种或几种自然或人文社会经济要素的地图。专题地图表示的主题内容十分广泛。 专题地图可分为自然地图、人文社会经济地图和其他专题地图。 1）自然地图 自然地图的主题内容为自然地理要素。按照学科体系，自然地图再细分为地质地貌图、水文水资源图、气象气候图、土壤图等种类。每类自然地图都有丰富的主题内容，如气象气候图包括太阳辐射图、日照时数图、平均气温图、降水量图、气候类型图等。 2）人文社会经济地图 人文社会经济地