[科普中国]-地图学

历史

地图有将近4500年的历史，再接下来的文章里，我们会先后就地图的起源、发展历程进行详细的介绍。

起源地图的起源可追溯到4500年前，那时人们开始用各种方式，对自己周围的环境进行空间图像的原始记述。当时，地图的制作材料有陶片、纸草，铜版、椰枝、石块、兽皮等。现保存下来的最为古老的地图是公元前25～前23世纪巴比伦人绘制在陶片上的地图。

社会的发展、实践的需要，尤其是源于埃及尼罗河季节泛滥和几何学的诞生；中国黄河下游平原的农田水利，与筑城工程对勾股弦定理和规矩等测绘仪器的应用，都推动了地图的发展。

发展中国**《管子·地图》**篇，是最早论述地图地理内容的专篇。马王堆出土的西汉地图表明中国古代地图学理论与技术已达到相当水平。当时，东西方地图的编绘和地图学的发展，明显地反映出海洋与大陆两种不同的地理环境，以及农业与航海贸易两种不同的社会生产的需求。

公元前四世纪，亚里士多德论证了地球是球形。以后有人开始测量地球的周长，并出现了圆柱地图投影。公元二世纪，托勒密编著的《地理学指南》，附有27幅世界地图，翻印达50版，在西方影响达一千年之久。公元三世纪，中国的裴秀编制了《禹贡地域图》和《地形方丈图》，提出了“制图六体”， 这是中国古代关于地图编制原理的最精辟论述，形成东方独特的地图技术途径，在中国也影响了近千年。

托勒密与裴秀两位古代地图学家，按照数学法则建立的描述地理位置的经纬线和方里网，至今仍然是地图数学基础。通过16世纪东西方的交流，两种坐标体系同时出现在一幅地图上。法国的地形图上出现了中国地图上的方里网；中国的《大清一统舆图》采用了西方地图上的经纬线。

1405～1433年中国航海家郑和七下西洋，反映下西洋情况的《郑和航海图》是中国现存最详尽的古代航海图，也在世界上开创了使用航海图的先河。此后，航海图也随着葡萄牙、西班牙、荷兰和英国等各国的航海探险和海上霸权的争夺而得到迅速发展。

1569年，墨卡托设计正轴等角圆柱投影，第一次把东、西半球已知范围展现在一幅地图上。这种投影的地图能为航海者进行直线导航，为航海图所普遍采用，被命名为“墨卡托投影”，以后还出版了以他名字命名的地图集。随着航空和航天的需要，多种横轴和斜轴的墨卡托投影相继出现。墨卡托的工作被誉为16世纪欧洲地图学的里程碑，他的地图集开创了世界全图的新投影，反映了当时欧洲地图发展的特点。

与墨卡托同时代的、东方地图集的先驱是中国的罗洪先。他继承和发展了朱思本的舆地图，完成了中国现存最早的地图集《广舆图》。图集采用划一的24种图例符号，以几何图案替代象形图案，这是地图集设计上的进步。罗洪先和墨卡托都以地图集的形式，分别总结了16世纪以前东、西方地图的历史成就，承前启后，对后代地图发展产生的影响延续了数百年。

意大利传教士利玛窦在沟通东、西方地图学知识方面作出了重要的贡献。公元1600年以后，在中国学者的支持和合作下，他利用西方和东方的世界地理知识汇编成《坤舆万国全图》。该图标有当时新发现的大洋和大洲等区域概念，以及地中海、罗马、古巴、加拿大等中译名；同时把张衡浑天仪上使用的南极、北极、赤道等名词应用于地图。

17世纪以后，欧洲各国经历了工业革命，社会经济有了较大发展。为了探寻海上通商航路、扩大殖民地，既需要航海图，也需要实测的地形图，以满足开发工矿资源和土地资源，以及军事战争的需要。为此，各国所进行的大规模地形图测绘，成为近代地图学的主流。

1791年，英国成立陆军测量局。之后，西欧各国相继建立研究编制地图的国家机构，形成大规模的专业队伍和规范化的技术体系，并陆续完成了本土大比例尺地形图的测绘，其中如瑞士的《都孚》地形图等就以精美细致而著称。

欧洲的地图测绘技术，传播到了中国后，清朝测绘了《皇舆全览图》和《大清一统舆图》，这些奠定了中国近代地图的科学基础。19世纪中叶，中国采用梯形投影，绘制了当时较完善的亚洲地图。

1909年，国际地理大会对地图分幅、地形表示、城镇分级、地名拼音等作出了统一规定。以后，又对分层设色、公制单位等标准作了修订，并拟定了独特的地图投影和全球的统一分幅编号。这些措施对地图的国际化和标准化产生了深远影响，大部分国家也接受了地图统一的国际分幅编号。地质图、人口地图、土地利用图、森林图和土壤图的国际合作编制工作和分类，图例系统标准化的研究，都取得很大的进展。地图已进入工业化大生产和社会商品化的阶段。

随着自然科学的分化和内陆探险的深入，专题地图的新领域不断得到开拓。19世纪末，德国再版的自然地图集，包括了地质、海洋、气象、地磁、植物、动物以及人种的分布图，反映出当时的科学技术水平。中国的杨守敬费时15年，在前人基础上编制了《历史舆地图》，集中反映了中国历史地理学的丰富遗产，解决了许多有关水道变迁、州郡迁移的争论。

20世纪的地图学，一方面继承丰富的历史传统；另一方面又出现新的发展，即向综合制图方向发展。地图的内容强调反映自然综合体和社会经济环境的相互作用，着重反映人地关系和环境生态效应。航空摄影、卫星遥感及计算机制图的问世，使综合制图得到强有力的技术保障，地图学发生了历史性变革。

1932年第一次运用航空摄影制图，它使人类可以脱离地面利用高空平台来测绘地图，从根本上改变了近300年来形成的地形图测绘生产过程。航空摄影测量几乎完全取代了经典的平板测绘，广泛应用于国家基本地形图以及城市、农田水利、森林矿山的各种大比例尺地图的测绘。

航空像片信息丰富，可利用红外、天然色、假彩色红外、微波等获取多谱段图像。通过判读或图像处理，用于编制地质、土壤、土地利用、森林资源等多种专题地图。航空摄影还超越地理环境的障碍，特别是人类难以活动的海洋滩涂。沼泽、湖泊、高山和荒漠，从而获得了原来地形图尚未覆盖的空白地区的地理资料。

航空摄影作为地理景观的客观图像记录，为系列地图编制提供了统一的信息源，并反映了各种自然和人文地理要素在同一空间内的分布和相互联系。系列制图从根本上解决了部门专题制图统一协调的困难。如1969～ 1979年间，墨西哥采用分区彩色航空摄影，完成了全国1:50万地形、地质、土地利用、土壤和土地潜力的系列制图，建立了系统的国家土地档案。

1972年，世界上第一颗地球资源勘测卫星发射成功，人类得以从外层空间来观测整个地球。陆地卫星、气象卫星和海洋卫星作为新型的地图信息源，具有快速、准同步和大面积覆盖的显著特点，可提供空前巨大的信息量，使地图学呈现新的发展。

20世纪70年代，以计算机的引进为标志，地图学进入信息时代，为适应计算机及信息传输工具的需要，便于输出、输入、处理、存储和更新，地图开始出现数字信息的新形式。地图概括理论和定量化研究，从本质上解决了地图容量和清晰度问题。借助地理数量方法的成果，为计算机辅助地图制图开辟了道路。计算机辅助制图的迅速发展，从试验阶段过渡到了应用阶段，它利用软件系统解决了地图投影变换、比例尺缩放和地图地理要素的选取与概括，实现了地图编辑的自动化。许多国家陆续建立了地图数据库。

在地形图数据库基础上，欧美和日本等国又进一步发展了地理信息系统。这类系统具备多维信息复合功能，包括社会经济统计、地面观测站网记录、地球物理场数据、多时相的遥感数据、以及多种专业的数学分析模型或地图专家系统，具有进行数学模拟试验和预测预报的功能。至此，地图已不仅是描述和表达地理现象分布规律的信息载体，还是区域综合分析研究的成果，即地理信息系统输出的智能化产品。地理信息系统为地图学的区域性与综合性研究，提供了现代化的技术保证。

内容地图学的内容非常丰富，要想研究透彻不是易事，在这里我们就地图学的研究对象、研究内容、研究分支和应用进行相关介绍。

研究对象地图学的研究对象是地球表层各种自然与社会现象的结构与特性的空间信息，包括宏观与微观、具体与抽象、现实与历史的所有空间信息。涉及地球科学、生物科学、环境科学的许多领域，而且随着人类认识范围的扩大，地图学的研究对象正向外层空间和地壳深部延伸。

研究方向地图学的研究方向是：探讨以地图作为空间信息的载体与传输工具，依据数学法则，按照比例建立空间模型，运用符号系统和最佳感受效果表达人类对地理环境的科学认识；综合分析自然与社会现象的空间分布、内在联系及其时间变化；研究地图编制与应用原理、方法与工艺、技术。

研究分支在地图学的发展历史中，逐步形成了地图学史、地图投影学、地图美学以及地图制图学等若干分支学科和领域。19世纪后，又区分为普通地图和专题地图两大领域，逐步发展为普通地图学和专题地图学。专题地图学则更进—步发展，分化为多层次的各分支学科和领域。按用途划分，则区分为通用地图和专用地图两大领域。

结构体系理论地图学（地图学的理论基础），包括：地图学概论、地图模型理论、地图信息理论、地图传输理论、数学地图学、地图符号学、地图感受理论、综合制图理论、制图综合理论；

地图制图学（编图方法和技术），包括：普通地图制图学、专题地图制图学、遥感制图学、机助制图学、地图制印学；

应用应用（地图应用的原理和方法），包括：地图的基本功能、地图的评价、地图的实际应用、地图分析的方法论、地图分析利用步骤、地图分析利用方法、地图信息的自动分析与处理。

由于地图应用领域的不断开拓，使地图分析与应用的研究更加深入。地图方法已成为地学研究的重要手段。20世纪50年代以后，随着航空摄影、卫星遥感、计算机技术等的应用和进步，地图学出现了系列地图、遥感地图、机助制图和地理信息系统等新的方法和形式。信息论、传输论、模式论、感受论等的引进，推动了地图学的理论研究。现代地图学逐渐从地理学和测量学中脱颖而出，其研究手段兼收并容空间科学和信息科学的最新成就，研究内容跨越着自然科学和社会科学的范畴。它越来越明显地显示出横断科学的性质。

现代地图学是从信息论的观点来研究地图，地图被认为是人类认识自然的信息载体，客观存在的地理环境的概念模型。地图作为一种信息载体，是指通过地图的制作和应用过程，聚集大量有关自然和经济现象的位置、形态、动态和内部联系的信息，进而加以浓缩、复制、存贮、传递，使读者能感受、量测、理解和利用。

地图学的任务，不能仅满足于对地理圈各种原始测绘数据的粗加工；而是要注意开发高层次的知识密集型的产品设计。为宏观规划决策与工程设计、施工和效益评价，提供预测图或预报图。

进入21世纪后，现代地图学的研究对象仍将继续扩大。由于人类的认识正在从陆地表层向海洋、地壳深部和外层空间扩延。因此，今后则是建立适用于整个人类智慧圈的统一的空间坐标体系，作为海、陆、空以至天文的动态信息载体。目前我们已能看到多维动态地图的曙光。

地图作为一种文化工具，在人类的知识宝库中，将与语言、艺术并存。从这个意义上说，对青少年加强地图学的教育，培养他们空间图像思维的能力，这对造就认识自然、改善环境的专业人材是必不可少的；对于增强青少年的爱国主义思想和树立正确的宇宙观也将是受益不浅的。

分类**普通地图：**地形图、普通地理图；

专题地图**：**自然地图、地质图、地球物理图、地貌图、气候图、陆地水文图、土壤图、植被图、动物图、海洋地图；

社会地图：经济地图、行政区划地图、人口地图、经济地图、工业地图、农业地图、交通运输地图、邮电通讯地图、财贸金融地图、第三产业地图、教育与科研地图、医疗保健地图、文化地图、历史地图；

**环境地图：**环境污染与环境保护地图、自然灾害地图、自然保护地图、生态环境地图、疾病与医疗地理图、全球变化图；

专用地图**：**教学地图、航海图、航空图、宇航图、旅游地图、公路交通图、水利地图、传媒地图、军事地图；

**特种地图：**数字地图、立体地图、屏幕地图触觉地图（盲文地图）、 塑料何丝绸地图、工艺品地图、发光地图、缩微地图多媒体电子地图、互联网络地图；

**地图集与系列地图：**地图集、系列地图；

**地图搜索：**与普通搜索模式相比，地图搜索显得更加形象，像逛街一样，方便快捷。2

理论由于地图学与自然科学、社会科学、系统科学、信息科学、思维科学、人体科学、行为科学、艺术科学等有着交叉及关联关系，它们的研究成果为地图学的发展提供了理论基础和技术支持，并促进了地图学理论研究的进展。

信息论地图信息表现为图形几何特征、多种彩色的总和及其相互联系的差别，可以说地图信息是以图解形式表达制图客体和其性质构成的信息。地图信息论就是研究以地图图形表达、传递、贮存、转换、处理和利用空间信息的理论。该理论有助于认识地图的实质，并深化了对地图信息的计量方法的研究。

传输论是研究地图信息传输的原理，过程和方法的理论。该理论认为：客观环境——制图者——地图——用图者——再认识的客观环境构成了一个统一的整体。客观环境被制图者认知，形成知识概念，通过符号化变为地图，用图者通过符号识别，在头脑中形成对客观环境的认识。这个过程是一个地图信息流传输的过程，地图制作和使用都包括在这个传输过程中；地图符号能有效传输地理信息，但传输过程中会受到“噪声”干扰。该理论对于地图最佳制作和地图有效使用具有积极作用。

符号学是研究地图符号系统的构图基础，感受方式及其设计使用的科学。提出了六种视觉变量：形状、亮度、色彩、尺寸、密度和方向是地图符号系统的构图基础；四种感受方式：组合感受、选择感受、等级感受和数量感受是制图过程中的视觉特点，该理论对于地图符号设计和地图生产有较大影响。

模型论是研究如何建立再现的客观环境的地图模型，并以地图数学模型来表达的理论。该理论认为地图是客观世界的模拟横型。此模型是制图者的概念模型，并可用数学方法表达，经过抽象概括的制图对象的空间分布结构。该理论对于深入认识地图的实质，并对推动数字制图的发展有重要作用。

认知论是研究人类认知地图获取信息的手段，原理和过程的理论。该研究有两项成果。一是“地图认知环”学说，认为用图者首先接受到图像地图客体，进而在头脑中进行信息处理， 获取，然后据已有知识对所获信息进行加工，从而产生头脑信息图；再进一步通过对实地地理现象进行研究，最后得到所认知的地理实体，完成一轮认知环。二是“多模式感知和认知理论”，是指在虚拟地图环境下，用多种认知手段(如视觉、听觉)分别获取知识，并将其加以比较和想象处理，进而形成各自的知识库(如视觉、听觉知识库)，最后将各知识库融合，产生综合知识库。该理论对制图手段、多媒体技术、虚拟现实技术的结合使用有重要意义。

感受论是研究地图视觉感受过程的物理学、生理学和心理学方法，探讨地图是如何被用图者有效感受的理论。研究内容有分级符号、网纹和等值灰度梯尺的视觉效果，色彩设计客观性、视觉感受与 图形构成的规律、特点等。该理论对于地图设计有重要意义。

发展趋势**智能化：**包括地图信息源信息获取，地图制作过程和地理信息表达的智能化等。

**虚似化：**地图学将来表达的制图对象不一定都是实体的客观存在，很多内容将是虚拟的、模拟的、多维仿真式的。

**功能多极化：**地图功能从表达地理客体规律特征，扩展到知识发现、空间分析、动态显示监测、综合评价、预警预报等。

**主客体同一化：**随着科技发展，促进地图制作技术的不断改进和创新，地图制作将越来越简单，故既是地图制作者又是地图使用者将渐趋普遍，使主客体同一化。

**全球一体化：**随着数字地球战略的实施和推进，将实现全球化的地图无缝拼接和万维网联通，使地图在表达地球和研究地球方面，都可以整体化，全球 一体化形式出现。

**地图、RS、GIS和GPS 一体化：**数据库是链接数字地图、RS、GIS、GPS技术的共有基础，随着这些科技手段的不断发展，将使其在信息科学的范畴内不断融合并趋向一体化，为地球信息科学、数字地球的成熟发挥作用。

地图学与其他学科的关系地图学作为区域性学科，它的主要基础就是地学。所有这些如地理学、地学、生物学、环境科学等区域学科的野外实地勘测、调查都离不开地图。各用对象又是地图学的研究对象。