華盛頓特區紅外航空照片。（USGS ）
2005年1月8日，核攻擊潛艇聖弗朗西斯科號（San Francisco ）正在從關島到澳大利亞布裡斯班的途中——在南太平洋水下大約150米處全速航行。136名水手中的大多數人在吃午餐時，聽到一聲恐怖尖銳的聲音，緊接著一聲雷鳴般的爆炸。幾秒後，水手們就像人體模型那樣被拋得橫七豎八。聖弗朗西斯科號撞到了一座海底山上——那是海底火山鏈和珊瑚礁的一部分。1名船員死亡，98人受傷，其中多人傷勢嚴重。雖然該海底山脈的高度達到海平面下30米，但是並沒有標在潛艇的海圖上，海圖沒有表明在觸礁處4.7千米範圍內有任何潛在的障礙物。
此前3年，賓夕法尼亞西南部奎克裡克（Quecreek）煤礦透水，9名礦工被困在73米深的井下的事故引起了美國人的關注。2002年7月24日，一個採礦工人鑿通了鄰近廢棄了38年的充滿水的礦井。幾百萬升水湧了進來，9名礦工發瘋似地尋找出路，但是區域內所有出口都已被水淹沒。據勞工部發佈的報告稱：
礦工們根據水位上升的速度估計，他們還有1小時時間。他們花費了一些時間思考他們所處的情況，並為最壞的結局做好準備——有幾個礦工相互綁在一起，以便一旦淹死能一起被人發現；他們將給家人留下的字條放在塑料桶內，蓋上桶蓋，並用絕緣膠帶密封，掛在頂板固定螺絲上以防被水沖走。
地面上的營救人員鑽孔抽水，並向礦工所在的地方壓入直徑0.8米的通風管道。在地下被困78小時後，所有礦工安全回到地面。
這是一起不該發生的事故。礦業公司所使用的1957年地圖表明，老礦井距奎克裡克138米。但是1964年該礦井關閉之前，這裡又開採了42.1萬噸煤炭，正是那次額外的採掘把一個豎井直接布設在緊鄰奎克裡克礦井的地方。
上述兩個事例說明，精確的地圖確實關乎生死。政府部門依靠有關受洪水、火山爆發、地震災害和山崩威脅地區的地圖，制定這些地區的長期規劃。流行病學家對疾病流行的時間和空間進行製圖，幫助他們確定流行病爆發的源地，制訂阻止疾病傳播的計劃。執法部門越來越多地使用地圖來鑒定某些特殊犯罪類型的模式，幫助他們預測未來哪些地方可能發生此類犯罪。因此無論怎樣強調仔細研究空間信息的價值都絕不為過。
2.1 地理學的工具：地圖
地圖對地理學具有特殊意義。地圖是地理學家進行空間分析的首要工具。出於種種理由，地理學家感興趣的空間分佈、格局和相互關係，在地景本身往往不易觀察到，或不容易得到解釋。
許多地形、農業區或大城市之類的目標，在空間上十分廣闊，以至於不能從一處或幾處有利的位置對整體進行觀察或研究。
許多語言區或宗教信仰區等對象都是空間現象，但是並非是有形或可見的。
許多傳遞著相互作用、流和交換等與空間相互作用有關的動態性質，也可能根本無法直接被觀察。
即使地理學家感興趣的一切事物均可通過野外考察進行觀察與測量，但一個地區所包含的多種多樣的有形與無形事物幾乎不可能為了研究與解釋而分離出少數主題被專門調查。
因此，地圖就成了地理學家必備而獨特的工具。只有通過地圖才能把任何一種空間分佈和相互作用減少到一種可觀測的尺度、將其分離開進行個別研究，並將其組合或重新組合起來以揭示地景本身不能直接量測的相互關係。
製作地圖的藝術、技巧與技術稱為地圖學 （cartography）。雖然古希臘地球科學家的貢獻也相當大，但現代科學製圖起源於17世紀。古希臘地球科學家認識到地球是球形的，並開發了地圖投影與網格系統。令人遺憾的是，中世紀希臘的地圖學傳統在歐洲多已失傳，必須重新發現。文藝復興時期各方面的進展給予地圖學一種推動力。其中包括印刷術的發展、重新發現托勒密與其他希臘人的成果，以及地理大發現。
此外，隨著許多歐洲國家民族主義的崛起，這些國家必須確定和精確描繪邊界和海岸線，以及描述一國邊界之內的地貌類型。17世紀，法國和英國進行了意義重大的全國性測量。把數據呈現在地圖上的許多慣例都起源於這些測量。
認識地圖上記錄信息的方式使我們能夠對地圖進行正確的閱讀和解譯。為了防止得出不精確的結論，或者為了避免因失真的或帶偏見的表現方法而導致偏差，我們一定要理解並評估地圖上表現事實的方式。當然，由於要把圓形的地球展示到平面上，要用符號來表示某些對象，要進行綜合歸納，以及要用不同於其真實大小的尺寸記錄各種事物的外貌，因此一切地圖都必然會有失真。這種對現實的失真是必然的，因為地圖小於其描繪的事物，還因為地圖上給人印象深刻的信息取決於對現實中的一小部分進行選擇性強調。只要地圖的讀者瞭解了通常使用的地圖類型的局限性，並瞭解哪些關係是失真的，他們就能正確解讀地圖。
2.2 在球體上定點
我們在第1章中看到，一切地理研究的起點是地方和事物的位置，而絕對位置是用精確且被認可的坐標系對地方的識別。
網格系統
為了使地球上定位點的基本系統形象化，把世界想像為一個上面沒有任何標誌的球體。當然，不建立一個參考系就無法描述地球上某個特定地點的準確位置。我們利用一個網格系統 （grid system），該系統由一套想像的通過地球表面的線組成。系統的關鍵控制點是天然存在的北極、南極和赤道 （equator），以及本初子午線。
北極和南極是地球繞之旋轉的地軸的端點。兩極之間一半處，環繞地球一周、與地軸相垂直的線就是赤道。我們可以根據一個地點離赤道以南或以北的距離，用其與地心的交角來描述其位置。因為一個圓有360度，兩極之間的距離為180度，所以赤道和南北極之間的距離就是90度。緯度 （latitude）就是離赤道南北的角度距離，以度（°）來量測，其範圍從0°（赤道）到90°（北極和南極）。從圖2.1（a）明顯可見，相互平行並平行於赤道的緯線呈東西走向。
圖 2.1 （a）網格系統：緯度圈。請注意離兩極越近緯度圈越短。在地球儀上，從赤道向南北兩極各第60條緯線的長度為赤道的一半。（b）網格系統：經度線。東西向的量度範圍從0°到180°——就是說，從本初子午線向兩邊的第180條經線。因為經線在兩極交匯，所以當你從赤道離開時，兩條經線間的距離變短。（c）地球網格（或方格圖），由緯度圈和經度線組成。
地球兩極的圓周長約為24,899英里；因此，相鄰兩個緯度圈的距離為24,899÷360，即約為69英里（111千米）。如果地球是一個完美的球體，則相鄰緯度圈的間距均應等長。但是，由於地球兩極地區略微扁平，所以兩極附近的相鄰緯度圈間距（111.7千米）要略長於赤道附近的間距（110.56千米）。
為了更精確地記錄某一地點的緯度，每度又分為60分（′）；每一分又分為60秒（〞），與1小時完全一樣。緯度的1分大約是1.85千米，1秒大約是31米。芝加哥市中心的緯度為北緯41°52′50〞。
由於與赤道之間的距離本身不足以確定一個地點在空間的位置，我們需要制定第二個坐標來指示從一條一致同意的基準線向東或向西的距離。大多數國家的地圖學家用假想中通過英國格林尼治天文台的經線，即本初子午線 （prime meridian），作為東西方向量度的起點。1884年的一次國際會議上，本初子午線被選定為零度經線。它和所有經線一樣，是一條連接地球兩極的真正南北向的線（圖2.1〔b〕）（「真北」與「真南」有別於「磁北」和「磁南」，後者是地球磁極的方向，羅盤指針指向磁北和磁南）。赤道上經線相距最遠，隨緯度增加越來越近，到南極和北極相交匯。經線和緯度圈 （parallel of latitude）不同，所有經線長度相等。
經度 （longitude）就是從本初子午線（零度經線）向東或向西的角度距離，以度（°）來表示，範圍由0°到180°。與本初子午線相對的子午線就是180°經線——位於太平洋。經度和緯度圈一樣，也可以細分為分（′）和秒（〞）。不過，相鄰經度之間的距離從赤道向兩極變短，因為經線在兩極交匯。北美洲和南美洲所有地方均位處西經地區，唯有阿拉斯加幾個島嶼除外；亞洲和澳大利亞所有地方均位處東經地區，但西伯利亞的楚科奇半島的一部分除外。
時間取決於經度。地球分為24個時區，每天24小時完成一次360°的自轉，在經線上大體上以15°的間距劃分。格林尼治標準時 （Greenwich mean time，GMT）就是本初子午線的時間。國際日界線 （International Date Line，以下簡稱為「日界線」），即新的一天開始的地方，主要沿著180°經線。但是，正如圖2.2所示，有些地方日界線有所偏離，以免一國或一個群島內有兩個不同日期。因而，日界線呈「之」字形，以便西伯利亞和俄羅斯其他地方有同一個日期，而且使阿留申群島和斐濟島不致被劃分開。新的一天從日界線開始並向西推移，因此這條線以西一般比其東面提前進入新的一天。
圖 2.2 世界時區。每個時區寬約15度，但為了適應政治界限而有些變化。圖最下方表示時差，即與以英國格林尼治為中心的時區在中午12時相差的小時數。紐約位處-5區，因此，當格林尼治為中午時，紐約是上午7時。對世界時區系統有多種修正。例如，雖然冰島和英國不在一個時區，但是冰島實行和英國一樣的時間。西班牙完全在格林尼治標準時間內，但是把時鐘定為+1時，而葡萄牙則遵從格林尼治標準時。中國跨越5個時區，但全國都實行北京時間（+8小時）。在南美洲，智利（-5時區）使用-4小時的標準；阿根廷則使用-3小時，而不是它更適合的-4小時。
通過使用經度和緯度的度和分，必要時使用秒，我們就能描述地球表面任何地點的位置。例如，芝加哥市中心位於41°52′50〞N，87°38′28〞W；香港位於22°17′40〞N，114°10′26〞E（圖2.3）。
圖 2.3 香港的經緯度為22°17'N, 114°10'E。河內的坐標是多少？
經緯度網格系統是描述位置的一種方法。另兩種主要的土地識別系統是美國公共土地測量系統（U.S. Public Land Survey System，PLSS）和加拿大土地測量系統（Canada Land Survey System，CLSS）（見「區-列系統」專欄）。
專欄 2-1 區-列系統
美國獨立戰爭結束時，《巴黎條約》把密西西比河以東和五大湖以南（佛羅里達除外）的區域劃歸美國管轄。大陸議會做出決議，這些公地應予出售以增加政府的收入，但是在進行系統測量之前，土地不能公開銷售。
《1785年土地法令》（Land Ordinance of 1785）建立了系統的測量，稱為「區-列系統」（township and range system）。如圖所示，該系統以測量線的基本方向為依據：東西走向的基線和南北走向的經線。間距為9.7千米的網格線把土地細分為一系列方塊。一個區（township）由邊長為9.7千米的方塊組成；區進一步劃分為36個地段（section），每個地段面積為1平方英里。每個1平方英里的地段細分為4個160英畝的象限段（quarter-section），而這些像限段——被認為是一個農場的標準大小——原本是能被購買作為小住宅區的。後來把最小單位減少到80英畝，然後又減少到40英畝。每個地塊都有一份唯一的證書。
俄亥俄州東部率先使用區-列測量系統，隨後該系統被推廣到西抵太平洋，北達阿拉斯加的美國大部分地區。加拿大土地測量系統與美國開發的上述系統相似，也採用基線和經線，將土地細分為鎮區、牧場、地段和地段以下的小區。
這種矩形調查系統對美國中西部和加拿大的地景有著深遠的影響。道路與地界通常都依從測量系統的直線，形成棋盤式的開發模式。甚至房舍和穀倉也傾向於按基本方位定向。矩形測量系統導致的另一個結果是許多政治管轄權也具有直角的邊界。
（a）管理美國公地測量的主要基線測量系統。（b）美國公地測量系統中的區、地段以及進一步的細分。區-列測量系統對每片土地均授予唯一的證書。區按行（tier）和列（range）編號。本圖的實例中，該區位處基線以南第二行和主要經線以西第三列，標誌為T.2S，R.3W。每個區又劃分為邊長1.6千米的地段，自區的東北角開始從1—36編號。地段再細分為1/4、1/8（1/4的一半）和1/16（1/4的1/4）。圖中右下方深色區域，按國有土地管理局（Land Office）的編碼為「SW 1/4 of the SE 1/4 of Sec. 14, T.2S, R.3W」。資料來源：（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 .
全球定位系統
近年來，全球定位系統 （Global Positioning System，GPS）使位置的確定比過去容易得多。這種導航與定位系統形成於20世紀70年代並得到美國國防部的扶持。這種技術利用美國國防部一系列——24至28顆——的衛星，於地球上空約2萬千米處運行，每24小時通過同一地點。每顆衛星攜帶4只精密的原子鐘，它們平均每3萬年只快或慢1秒鐘。
衛星在軌道上運行的時候，不斷發射其位置、時間信號和其他數據。這些衛星被安排為任何時刻都有4顆衛星在地平線以上，全球都能進行同步測量。GPS接收器同時記錄到許多衛星的位置，然後確定接收器的經緯度、高度和時間（圖2.4）。為了精確測量某一地點的位置，接收器必須至少檢測到4顆衛星。
圖 2.4 這種手持GPS接收器在一個小型液晶顯示屏上顯示經緯度和一張地圖。（Courtesy Garmin Corporation ）
GPS技術原先是為軍事應用、尤其是為海軍與空軍導航而設計的。1991年美國與伊拉克進行的海灣戰爭見證了這種技術的成功。那時在「沙漠盾牌」與「沙漠風暴」行動中，美國軍隊用這種設備尋找穿越沙特阿拉伯沙漠的道路。這種技術還促進了精確制導武器的開發，這種叫作「聰明炸彈」（smart bomb）的武器靠雷達導向追蹤目標。美國政府在其他方面的應用包括用GPS接收器監測地質斷層和洋流、傳感大氣層的全球變暖、消防和災情製圖等方面。
例如，為了尋找航天飛機哥倫比亞號（Columbia ）2003年2月1日重新進入大氣層時解體的線索，聯邦政府調查員使用GPS技術圈定航天飛機殘片散落的地域——包括得克薩斯州的一部分、路易斯安那州和其他若干個州的部分地區。幾百名志願者和執法官員發現並收集了成千的碎片，把碎片的精確位置輸入裝有特殊製圖軟件的計算機。悲劇發生後只過了幾天，設在得克薩斯州拉夫金（Lufkin）的聯邦突發事件管理局災難現場辦公室就每天打印出1000多張地圖。這些地圖幫助緊急救援人員集中需要搜索的地區，以便找回更多的航天飛機殘片。
由於GPS接收器越來越小、越輕、越便宜，民用數量倍增。有些汽車廠家在新車上安裝了車載導航系統供用戶選擇，有些租車公司在汽車中裝備這種系統。系統選擇GPS信號監測汽車的位置，將其與儲存在壓縮光盤中的電腦地圖相比較。不斷更新的汽車位置顯示在固定在儀表盤的電腦屏幕上。導航系統令駕車者找到自己的所在地和到達目的地的路徑。例如，駕車者可以給出街道地址，電影院、旅館或別的建築物的名稱，系統就會將其展示在屏幕上，指出駕車者離目的地還有多遠，還需要多長時間才能到達，系統在屏幕地圖上給出建議路線方向，或用電子語音「說出」指導意見。經常開車到陌生地點的推銷員、房產經紀人和修理工常使用車載導航系統。
娛樂休閒人士也普遍使用GPS接收器，例如徒步旅行者、露營者和乘船旅遊者。最近幾年來，此類系統還開發出各種微型GPS接收器，可安裝在手錶、手鐲、手機乃至狗項圈上，以便確定目標位置。許多州使用GPS監視裝置作為監視系統，跟蹤假釋和緩刑人員，以確保他們沒有擅自走進禁入的地區，例如學校、遊戲場所或受害人的住宅等。
2.3 地圖投影
只有地球儀才能相當精確地表現地球的面貌，但是地球儀不像平面地圖那樣易於保存和使用，而且地球儀也不能描述得很詳細。例如，假如有一個直徑為1米的大型地球儀，我們也只能在邊長幾厘米的面積上把超過10萬平方千米的地表信息安放在地球儀上。顯然，一個常規大小的地球儀不能表示城市的交通系統，或者很小的市鎮和村莊的位置。
把地球儀轉化為地圖的時候，我們不能把曲面展平而不改變其原有的全部屬性。地球儀屬性 （globe property）有：
所有經線等長，每條經線的長度為赤道長度的一半；
所有經線在兩極會合，而且是真實的南北向；
所有緯線（緯度圈）與赤道相平行，彼此也相互平行；
接近兩極的緯線長度減小；
經線與緯線以直角相交；
地球儀表面任何地方在所有方向上比例尺相同。
只有地球儀網格 （globe grid）本身能保持所有這些特性。把地球儀投影到能夠展平的表面上，就要扭曲這些屬性的一部分或全部，並因此歪曲了地圖試圖描繪的現實。
地圖投影 （map projection）一詞就表明了將地球儀曲面描繪到平面地圖上的方法。所有平面地圖都以不同方式在不同程度上扭曲了真實地球表面下述四種主要屬性的一部分或全部：面積、形狀、距離和方向。圖2.5舉例說明了一些地圖投影固有的變形。
圖 2.5 本圖表示三種不同地圖投影固有的變形。畫在一種投影上的頭像，在保持其經緯度不變的情況下，被轉移到另外兩種投影上。這並不意味著第一種投影優於其他兩種。頭像可以先描繪到任何一種投影上，然後再描繪到其他二者上。
資料來源：Arthur Robinson et al. , Elements of Cartography, 5th ed., Fig. 5.6, p. 85. （New York, Wiley, c 1984 ）
面積
有些投影使地圖學家能夠以正確或不變的比例表示區域的面積。這意味著地圖上每平方厘米代表地圖上其他任何地方同樣多的平方千米（或其他類似單位）數。結果，所描繪的形狀就不可避免地變形。例如，地球上的正方形在地圖上可能變成矩形，但該矩形的面積是正確的。這樣的投影叫作等積投影 （equivalent projection）（圖2.6〔a〕）。表示正確面積關係的地圖總是使區域的形狀失真。
圖 2.6 表現特定地圖屬性的幾例投影。（a）正弦等積投影使形狀失真但面積大小準確；（b）正形投影方法之一，形狀失真但保持了小區域的真實形狀；（c）在特殊的等距投影上，只有從中心（北極）開始，所有地方的距離和方向才是真實的。任何平面地圖都不能做到既等距又等積。
一張地圖要想表現地球表面一種現象的面積廣度的真實情況時，就使用等積投影。例如，想比較世界上兩部分農業用地的面積，如果使用一張按兩種不同比例尺表示相同面積的地圖，將會在視覺上造成極大的誤導。
形狀
雖然沒有哪種投影能使大面積區域得到正確的形狀，但是有些投影能夠通過保留正確的角度關係精確描畫小面積的形狀（圖2.6〔b〕）。這些真實形狀的投影稱為正形投影 （conformal projection），正形投影的重要性在於地圖上的區域和特徵「看似正確」，並且方向的關係也正確。對於小區域而言，這些投影通過確保經線和緯線彼此以直角相交，以及任何地點所有方向上比例尺相同，獲得了這些特性。地球儀上存在這兩種情況，但在地圖上僅限於相對較小的區域。由於這種情況，較大區域——例如各大陸——的形狀總是與其真實形狀有所不同，即使在正形投影地圖上也是如此。一張地圖不可能既是等積的又是正形的。
距離
地圖上距離的關係幾乎總是失真的，不過有些投影在一個方向或沿一定路線上保持真實距離。在所有方向上都能表示真實距離（但只能從一個或兩個中心點出發）的其他投影，稱為等距投影 （equidistant projection）（圖2.6〔c〕）。所有其他地點之間的距離都是不正確的，而且很可能極度失真。例如，以底特律為中心點的平面地圖，能在地圖上正確表示底特律和波士頓、洛杉磯以及其他任何地點的正確距離。但是，不能表示洛杉磯和波士頓之間的正確距離。一張地圖不能既是等距的又是等積的。
方向
地圖上所有地點的方向，如距離一樣，不可能沒有失真。然而，方位投影 （azimuthal projection）上從中心點到所有其他地點的方向卻是真實的。（方位角就是一條直線的起點與經線的夾角。）中心點以外的地點的方向或方位角都是不精確的。投影的方位角特性並不是唯一的——就是說，方位投影可能也是等積的、正形的，或者是等距的。圖2.6（c）所示的等距地圖同時也是一個以北極為原點的真實距離地圖。
並非所有地圖都是等積的、正形的，或是等距的，許多地圖是折中的。這種折中的一個例子是魯濱遜投影，是為了以視覺上滿意的方式表現世界而設計的，本書大部分世界地圖採用這種投影（圖2.7）。它不能表示真實的距離或方向，並且既不是等積的也不是正形的。它為了改善大陸的形狀，寧可允許高緯度地區的大小有些誇大。人口最多的溫帶和熱帶的大小和形狀是最精確的。
圖 2.7 魯濱遜投影是一種介於等積投影與正形投影之間的投影方法，較真實地表現了世界的面貌。最顯著的變形是在人口較少的高緯區域，例如加拿大北部、格陵蘭島和俄羅斯。在該地圖上，加拿大比實際大21%，而美國相連的48州比實際小3%。
製圖師必須瞭解他們所用投影的特性，選用最適合其目的的一種。如果只是小面積的地圖，投影的選擇並不重要——實際上可以使用任何一種。如果要表現地跨若干經緯度的面積，投影的選擇就比較重要，這時投影的選擇取決於地圖的目的。有些投影對航海很有用。如果用數字資料製圖，所涉及區域的相對大小應該是正確的，因此可能要選用許多等積投影中的一種。掛圖通常採用正形投影。多數地圖集都指出每張地圖所使用的投影，從而把地圖的特性及其失真情況告知地圖的讀者。有關地圖投影的詳情請見「附錄：地圖投影」。
地圖網格取決於投影，選擇地圖網格是製圖師的首要任務。下一步則要決定所要繪製地圖的比例尺。
2.4 比例尺
地圖比例尺 （scale）就是地圖上某對象的尺寸和地球上相應地物的比例。比例尺一般有3種表示法：文字表示法、圖示法或用分數表示的數字表示法（圖2.8）。正如其名稱所表示的那樣，文字比例尺 （verbal scale）就是用文字說明，例如「1英吋等於1英里」或「10厘米等於1千米」。圖示比例尺 （graphic scale，有時又稱為直線比例尺〔bar scale〕）是地圖上一條線或一個長方塊，劃分為幾段，表示地球上距離單位在地圖上的長度。
圖 2.8 地圖比例尺把地圖上的距離和地球表面的距離聯繫起來。（a）文字比例尺用文字表示。（b）圖示比例尺把一條線分成幾個單位，每個單位代表地面兩點之間的距離。圖示比例尺幫助地圖使用者從地圖上量測距離。當地圖翻拍和複製為不同大小時，圖示比例尺自動放大或縮小。（c）數字比例尺就是一個簡分數或比率。比例尺兩邊的距離單位必須相同，無須聲明。
數字比例尺 （representative fraction, RF）用兩個數字表示，第一個代表地圖上的距離，第二個表示地面的實際距離。分數可以寫成多種方式。1英里有5280英尺，而1英尺有12英吋，5280乘以12等於63,360，這就是1英里的英吋數。地圖上1英尺等於1英里的數字比例尺可寫成1:63,630或1/63,360。在較簡單的公制比例尺上1厘米等於1千米就是1:100,000。數字比例尺兩邊所用的單位相同，因此，1:63,630就是地圖上1英尺代表地面63,360英尺，或12英里。當然，等同於1英吋代表1英里。數字比例尺是所有比例尺中交代得最精確的，而且任何語言都能理解。
地圖比例尺，或者地圖上的尺寸和實際尺寸的比例，變化範圍很大。大比例尺地圖 （large-scale map），例如城市規劃圖，能相當詳盡地表現一個地區。就是說，地圖與地面距離的比率相當高，比如1:600（地圖上1英吋代表地面600英吋或50英尺）或1:24,000。在這種比例尺的地圖上，像房舍和公路等地物可以按比例繪製。圖2.10就是大比例尺地圖的例子。小比例尺地圖 （small-scale map），例如國家地圖或大陸地圖，比率要小得多。房舍、道路和其他小地物不能按比例繪製，必須放大並用符號表示才能看得到。圖2.2和圖2.3就是小比例尺地圖。雖然大比例尺地圖和小比例尺地圖之間並無硬性的數值界限，不過大多數地圖學家認為大比例尺地圖的比率為1:50,000或更大，而比率為1:500,000或更小者為小比例尺地圖。
圖2.9中每張地圖的比例尺都不相同。雖然每張地圖都以波士頓為中心，但是，請注意比例尺是怎樣影響著每個邊長2英吋的方塊中所能描繪的細節數量的。圖2.9（a）的比例尺為1:25,000，大約2.6英吋代表1英里，因此2平方英吋代表不足1平方英里。在這種比例尺下，你可以辨別單獨的建築物、公路和其他地景特徵。圖2.9（d）的比例尺為1比100萬（1:1,000,000，或者說1英吋代表差不多16英里），展示出面積將近1000平方英里的地區。此圖中只能顯示公路幹線和城市的位置，即使表示此類目標的符號也經過概括而且佔用比實際更多的空間。
圖 2.9 比例尺對面積與細節的影響。4幅地圖均屬波士頓地區，只是比例尺不同。比例尺越大，所能包含地形地物的數量和類型越多。在比例尺為1:25,000的地形圖上，地圖（a）表現出街道、街名和一些建築物。地圖（d）比例尺較小，只能表示大城市、公路和水體。
小比例尺地圖，如圖2.9（c）和圖2.9（d）所示，是經過高度概括的。此類地圖只表現主要地形地物相對位置的一般概念，但不能進行精確的量算。小比例尺地圖明顯不如大比例尺地圖詳細，而且通常都將海岸線、河流和公路等的輪廓平滑化。
2.5 地圖的類型
在地圖所能表示的許多形態特徵中，地理學家必須首先選擇與所研究的問題有關的那些特徵，繼而決定如何將其展示在地圖上，以便顯示這些形態特徵的信息。為了做到這一點，他們可以從各種地圖類型中做出選擇。
多用途地圖、基準地圖（reference map）或位置圖屬於所有人都熟悉的一大類型。這類地圖的主要目的只是展示一個地區或全世界的一種或幾種自然要素和（或）文化要素。地圖上表現的自然要素一般為水文要素（海岸線、河流、湖泊等）以及地形的形狀和高程。文化要素包括交通線路、居民區、地產界線、政治界線和地名 （toponym）等。
另一大類地圖叫作「專題地圖 」（thematic map）或「特種地圖」，是一類表現特定事物空間分佈或某種數據的地圖。製圖的對象也可能是自然要素（氣候、植被、土壤等）和（或）文化要素（例如，人口、宗教、疾病或犯罪的分佈等）。不同於基準地圖，專題地圖僅限於顯示某些特定事物的空間分佈。
地形圖和地形表示法
如前文所述，有些多用途地圖描繪地形的形狀和高程。這些地圖叫作地形圖 （topographic map）。這種地圖描畫較小區域的地表面貌，精度往往很高（圖2.10）。圖上不僅展示地形、河川，以及其他自然面貌，還展示出人類添加到自然地景中的事物，包括交通線路、建築物和土地利用情況，例如果園、葡萄園和墓地等。地形圖上還繪製有各種界線，大至國界，小至田地或飛機場的邊界。
圖 2.10 美國地質調查局7.5分系列地形圖，繪製了加利福尼亞州拉霍亞（La Jolla）的一部分。該部分的比例尺為1:24,000（1英吋約等於1/3英里），細節表現得相當詳盡。黑色表示建成區中的學校、教堂、墓地、公園和其他公共設施。
資料來源：U.S. Geological Survey.
美國地質調查局是該國進行地形測繪主要的聯邦機構，出版了幾個系列的地形圖，均以標準比例尺印製。完全覆蓋全美的地形圖有兩種比例尺：1:250,000和1:100,000。還有各種其他比例尺的地圖。各州地形圖的比例尺取決於州的大小，從1:125,000（康涅狄格州）到1:500,000（阿拉斯加州）不等。
這些系列中的單張地圖稱為圖方（quadrangle）。現有的覆蓋美國48個相連的州以及夏威夷和其他行政區的比例尺為1:24,000的地形圖，大約有57,000方，蔚為壯觀。每個圖方覆蓋的矩形面積為緯度7.5分乘以經度7.5分。如圖2.10所示，這些7.5分的圖方載有該地區自然與文化特徵兩方面的詳盡信息。由於阿拉斯加州面積遼闊、人口稀少，該州地圖的比例尺主要為1:63,360（1英吋等於1英里）。阿拉斯加州的圖方系列超過2900方。
加拿大負責全國製圖的部門是加拿大自然資源部（Natural Resources Canada, NRCan）的自然資源調查製圖與遙感研究所。全國都有1:250,000比例尺的地形圖，人口較密集的南部有1:50,000比例尺的地形圖。省級製圖部門還出版比例尺更大的詳細地圖。
美國地質調查局制定了一套用於地形圖的符號（圖2.11），有些舊地圖上把圖例列在另一邊。請注意，對流水而言，用不同的符號表示四季不竭（永久性）的河流和間歇性河流；還要標明急流和瀑布的位置和大小。水壩有4種符號，而各種橋樑有4種以上的符號。在城市地圖上，在不可能標出每一棟建築物的地方，則用專門的色彩表示建成區，只表現街道和公共建築物。
圖 2.11 美國地質調查局出版的地形圖使用的一些標準符號。
資料來源：U.S. Geological Survey.
如前所述，地形圖描繪地球的外貌。地圖製圖員使用種種技術把三維的地球表面描繪到二維的地圖上。表現地勢或高程變化最容易的方法，是用所謂的獨立高程點（spot height）的方法，用數字標注所選擇地點的高程。水準基點（bench mark）是獨立高程點的特殊類型，作為計算附近地點高程的參照點（見「大地測量控制數據」專欄）。
專欄 2-2 大地測量控制數據
根據經緯度確定一處地方的水平位置，只需要在三維空間定位所需信息的2/3。還需要一個確定高程的垂直控制點——這通常根據離海平面的高度來確定。水平位置和垂直位置共同構成大地測量控制數據 （geodetic control data）。現在已經有一個覆蓋全美的網絡，包括100多萬個點，其緯度、經度和高度均已被精確確定、記錄在案，並做了標記。
每個點都有一個固定在地面上的青銅標誌物。你可能在山丘頂部，甚至在城市的人行道上，見過一些直立的標誌物，它們叫作「水準基點」。這些標誌物指明其建立的部門、它的位置，有時還有建立的日期。美國地質調查局的每張地圖都標明地圖覆蓋地區的這些標誌物，而且保存著每一個包括種類、位置和高程等信息的大地測量控制清單。地圖上的水準基點都用大寫字母「BM」、小寫字母「x」和高程來說明。
1987年，經過12年的努力，聯邦的科學家完成了對全國大約25萬個水準基點的重新計算，修訂了這份清單。例如，美國國家海洋與大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）利用衛星定位系統，進行自1927年以來首次全國性控制點的重新測量，發現紐約的帝國大廈現位於它先前所在地東北36.7米處；華盛頓紀念碑向東北方向移動了28.8米；加利福尼亞州薩克拉門托的州議會大廈圓頂重新定位在原來位置西南91.7米處；西雅圖的「太空針塔」（Space Needle）的位置在原來地圖所示的西面93米、南面20米處。衛星測量提供了遠比過去地面距離與角度測量精確的位置，帶來的結果是更精確的地圖和更準確的導航。
c Elizabeth J. Leppmen
不過，地形圖上使用的主要符號是等高線 （contour line），線上所有的點都處於基準面（通常為平均海平面）以上同樣的高度。等高線是想像中的線，也許這樣最好理解，即把一處直立的地形按等距離、平行地切成一系列水平的薄片，這時出現的輪廓線就是等高線。圖2.12展示了一個虛構島嶼的等高線。
圖 2.12 一個虛構島嶼的等高線圖。被平行於海平面的平面所切的橫斷面輪廓線，就是該平面在該海拔高度上的等高線。
等高線間距 （contour interval）是等高線之間的垂直間距，並通常在地圖上有所說明。一般來說，地表越不規則，所需要的等高線越多；坡度越陡，表現這種山坡的等高線越密。經常使用的等高線間距是10英尺和20英尺，不過在比較平坦的地區也可能使用5英尺的間距。而在山區，等高線之間的間距則較大：40英尺、100英尺，甚至更大。
雖然等高線表現地形，給地圖讀者提供地圖上任何地方的高度以及所有地形要素的大小和形狀的信息，但是大多地圖讀者覺得難以憑等高線使地貌形象化。為了提高地形圖的圖形效果，有時會在等高線上添加一些陰影。可以想像一束一般從西北方向照射該地區模型的光源，模擬其光亮與陰影的外貌，從而造成三維地形的錯覺。此外，可以用代表等高線等級的彩色條紋在等高線的「線間著色」（color between），這種方法被稱為高程分層設色（hypsometric tints）。
地形圖所具有的巨量信息對工程師、區域規劃師、土地利用分析師與開發商，以及徒步旅行者和偶爾使用者都很有用。根據如此豐富的信息，有經驗的地圖使用者能夠推斷出該地區的自然特徵和土地耕作利用的情況。
專題地圖與數據表示法
地理學的本質就是研究事物（無論是人、農作物還是交通流）的空間格局與相互關係。專題地圖上用各種符號記錄這些現象的位置和數量。這些符號可能是定性的，也可能是定量的。
定性地圖的主要目的是表現某類信息的分佈。例如，世界油田的分佈、國家公園的分佈，以及一國之內農業專門化地區的格局等，都是這類地圖的主題。人們感興趣的是這些事物位處何方，而無須報道抽取了多少桶石油，遊覽公園的人數，或農作物的產值等。
相反，定量專題地圖表示數字資料的空間特徵。通常只選擇一個變量，例如人口、收入或地價，而且這種地圖還展示這些變量在各地的變化。多變量地圖則同時表示兩個以上的變量。
點狀符號
空間中某個特定地點存在的地物，在地圖上用點狀符號表示。地球上存在著無數此類地物：教堂、學校、墓地和古跡等等。其代表符號包括點、十字形、三角形以及其他形狀。在定性專題地圖上，每個這樣的符號僅記錄地球上某個特定地點特定地物的位置。
但是，有時候我們感興趣的是若干地點某些事物數量的變化——例如，某些城市的人口、某些終端處理貨物的噸位，或某些機場旅客的數量等。
用符號表示此類現象的方法主要有兩種，如圖2.13和圖2.14所示。一種方法是選擇一種符號——通常是點，用來代表製圖項目的一定數量（如50人），這種符號可以視需要而重複多次。這樣的地圖便於理解，因為這些點在視覺上給地圖讀者以格局的視覺印象。有時候改用形象化符號——例如用人像或油桶——來模擬製圖的主題。
圖 2.13 加利福尼亞州各縣人口分佈點狀地圖。在點狀分佈圖上，如圖所示，所有的點都具有相同的數值。圖中點的位置並不是該縣人口的準確位置，只是人口的總數。點狀地圖能夠為一種現象的分佈與相對密度提供良好的視覺印象——在本例中表現了從一個縣到另一個縣人口數量變化的圖像。
如果數據變化範圍很大，地理學家可能會覺得反覆使用一種符號不方便。例如，如果一國人口500倍於另一國，或者一港口的吞吐量50倍或100倍於另一港口，這可能使地圖上有過多的點且互相混淆。為了避免這種問題，地圖學家可以選擇第二種方法——使用分等級的符號。符號的大小隨所表示的數量大小而異。這樣，如果使用方形或圓形，符號的面積通常就與所表示的數量成正比（圖2.14）。
圖 2.14 加利福尼亞州各縣人口分佈比例圓地圖（graduated-circle map）。圓面積與各縣人口數量成正比。地圖上方圓的等級幫助讀者解譯該地圖。
但是，也有這樣的情況，數據變化範圍極大，即使用圓形或方形還是要佔據地圖上很大的空間。在這種情況下，可以用球體或立方體，令其體積與數據成正比。遺憾的是，許多地圖讀者未能理解體積上這個固有的第三維，因此大多數地圖學家不推薦使用這種符號。
面狀符號
地球表面輪廓分明的面狀地物，在地圖上用面狀符號表示。如點狀符號一樣，這些地圖也分兩大類：表示類型差別的地圖和表示數量差別的地圖。地圖集包含許多第一類的例子，如宗教類型地圖、語言地圖、政治實體地圖、植被圖或岩石類型地圖等。這些地圖通常用不同顏色或圖案表示不同的類型區域，如圖2.15所示。
圖 2.15 非洲的語言區。像這樣的地圖有可能給人以某個地區內部具有一致性的假象。例如，非洲南部大部分地區只講班圖語，但這種地圖只是為了表示一個地區內最流行的語言。
表現一種現象的數量隨地區變化而變化的一種方法是利用分級統計圖 （choropleth map）。該詞源自希臘語「地方」（choros）和「大小」或「數值」（pleth）。所表示的數量可能是絕對值（例如各國的人口）或派生的數值，例如百分數、比例數、比率和密度等（如縣的人口密度）。數據被歸並為有限的幾個等級，每個等級用醒目的顏色、陰影或圖案表示。圖2.16就是地區分佈圖的一個實例。在該圖中，面積單位是州。其他常用的分區是縣、區、城鎮和人口普查分區等。
圖 2.16 地區分佈圖表示1998年美國各州盜竊機動車比率的變化。在地圖上用面積表示數量變化比表格更形象化。
資料來源：Redrawn from Crime and Justice Atlas 2000, U.S. Department of Justice, p. 55.
如圖2.15和圖2.16所示，表現一個地區某種現象分佈特徵的地圖（無論是定性的還是定量的）有3個主要問題：
地圖給人們以各區域相一致的印象，而這些區域可能有著顯著的差異；
界線達到不切實際的精確且顯著的程度——這意味著地區間存在急劇的變化，但實際上變化可能是逐漸的；
除非精心選擇顏色，否則某些區域可能看起來比其他區域更重要。
有一種特殊類型的區域地圖叫作面積分區統計圖 （area cartogram）或面積數值地圖 （value-by-area map），圖中單位面積與所表現的數據呈正比（圖2.17）。人口、收入、成本或其他變量成為量測的標準。面積的大小和形狀都可能發生改變，距離和方向可能失真，鄰接關係可能保持，也可能不保持，這些都取決於製圖師想要傳達的思想（見「紅色州，藍色州」專欄）。
圖 2.17 分區統計圖上每個州的大小以2000年美國人口普查局統計的居民人數為依據。圖上還顯示1990—2000年人口變化的百分數。
資料來源：U.S. Bureau of the Census.
專欄 2-3 紅色州，藍色州
每張地圖都有一定的目的。製圖師要表現什麼資料和如何表現這些資料，可能影響著我們對現實的看法。媒體用「紅色州」和「藍色州」的說法來討論2004年美國總統選舉。多數選民投共和黨候選人喬治·布什票的是「紅色州」，而藍色則是偏向民主黨候選人約翰·克裡的那些州。因此，本頁的兩張地圖表明，美國本土48州著色的原則是：紅色（深灰色）和藍色（淺灰色）分別顯示共和黨人和民主黨人佔多數的結果。
在全國範圍內，選民選舉兩個候選人的百分比幾乎是相等的——選布什的占51%，選克裡的占48%。不過，圖（a）給人以「紅色州」在全國佔優勢的印象。雖然地圖是精密的，但是它卻誤導為大多數「紅色州」人口少而大多數「藍色州」人口多。密歇根大學複雜系統研究中心（Center for the Study of Complex Systems）的3位研究人員設計了一種面積分區統計圖，這就是按人口多少重新安排各州的圖（b）。現在紅色和藍色的面積更接近於相等。
研究人員創建了許多其他預測選舉結果的地圖。有些地圖顯示各縣的選舉結果；另一些地圖表示各州的大小與其選舉人票的比例關係；還有些地圖在紅色和藍色之外加入第三種顏色——紫色，用來表示民主黨人和共和黨人選票百分比近於平衡。
（a）傳統圖像。這張2004年11月2日總統選舉地圖中，分別用深灰色（紅色）和淺灰色（藍色）表示共和黨和民主黨佔優勢的結果。
（b）人口比較統計地圖。選舉結果表示在州的大小以人口而不是土地面積為依據的比較統計地圖上。
線狀符號
線狀符號就像該術語所表明的那樣，代表具有長度而寬度並不重要的地物。地圖上有些線條在數量上並不重要。例如，代表河流、政治界線、公路和鐵路的線條並不是定量的。這些地物用下圖中和圖2.11所示的標準化符號表示在地圖上。
但是，地圖上的線的確常常表示某些特定的數值。連接平均海平面以上高度相等地點的等高線是一種等值線 （isoline），或恆值線。等值線的例子還有等降雨量線（isohyet，雨量相等）、等溫線（isotherm，溫度相等）和等壓線（isobar，大氣壓相等）。
流線地圖 （flow-line map）被用以描繪各地點之間的線狀運動。這種地圖可能是定性的或定量的。定性流線地圖的例子是顯示洋流或航空線路的那些地圖：圖上的線條寬度一致，通常用箭頭指示運動方向。另一方面，在定量流線地圖上，流線與其表示對象的數量成正比。移民流、交通流和商品流通常用這種方式表示。線路的位置、運動方向和流動的數量均可在圖上表示。流線地圖所表示的數量可以是絕對值，也可以是一種派生值——例如，真實的交通流或者是每千米的數字。在圖2.18中，流線的寬度與美國州際移民的數量成正比。圖5.7則是另一種流線地圖。
圖 2.18 20世紀50年代美國移民形勢定量流線地圖。
障眼法
大多數人傾向於相信他們在印刷品上看到的信息。地圖尤其有說服力，因為圖上的線條、比例尺、符號位置以及信息量的精確性是不言而喻的。不過我們要記住，所有地圖都是現實的抽像表達，因此，真相可能失真。地圖也和各種信息一樣，它所傳達的信息反映了作者的意圖，而且可能是偏見。地圖可能巧妙地或明目張膽地篡改其傳達的信息，或者包含有意製造的假信息。
地圖失真的原因有時是出自無知——例如中世紀——的地圖學家，他們把神話中的怪獸畫在不瞭解的大陸內部；有時歪曲的動機是為了宣傳，納粹德國有些地圖即屬此類。有時造假的原因還是為了挫敗外國的軍事和情報行動。
1988年蘇聯的首席地圖學家承認，50年來蘇聯的政策是有意對幾乎所有公開出版的地圖造假。這項政策顯然源自一種信念，即地圖學家應該為軍事需要服務，而一旦政府的製圖部門置於秘密警察控制之下時就開始執行這種政策。蘇聯地圖失真的類型包括地物的移位和省略，以及使用不正確的網格坐標（圖2.19）。公路、河流和鐵路有時被挪動多達10千米。一座城鎮可能標在河東，而實際上是在河西。即使地物標示正確，但是經緯度網格卻可能放錯了地方。這種歪曲還可能隨時間而變化。比如，在一張地圖上標在河流一側的市鎮，在後來的地圖上卻出現在河流另一側，在此後的版本中又移動了幾千米，而在再後來的地圖上又徹底消失了。
圖 2.19 蘇聯不同地圖上展現的洛加什金諾（Logashkino）及毗鄰地區。在地圖上故意製造假信息是蘇聯的冷戰策略。通常我們都相信地圖告訴我們事物位於何處。但是，圖上表明隨著河增加或減少一條支流，洛加什金諾城從河西岸移到了河東岸，到1954年，城市消失了。錯誤信息的變化是有意向潛在敵人隱藏可能存在的軍事目標的準確位置。
總之，地圖很容易失真或造假，就像地圖能夠傳達可證實的空間數據或在科學上有效的分析結果那樣容易。地圖使用者對那些可能性知道得越多，對地圖投影、符號表現以及對普通形式的專題地圖和基準地圖的製圖標準瞭解越多，他們就越可能合理地質疑並清醒地解讀地圖所傳達的信息。
2.6 遙感
地形圖研製之初，必須為其獲取野外數據。這是一個緩慢而乏味的過程，包括通過測量地表上一個點與其他點的距離、該點方向與高程，把這個點和其他點聯繫起來。20世紀30年代以來航空攝影技術的進展，使得加速地圖製作與增大地形圖所表現的土地面積成為可能。航空攝影只不過是現在採用的許多遙感技術之一。
遙感 （remote sensing）是一個比較新的術語，但是它描述信息的過程——探測一個物體的形狀而不直接與其接觸——已被採用了100多年。照相機問世後不久，人們就從氣球和風箏上拍攝過照片。甚至用信鴿攜帶微型照相機，設定每隔一定時間自動曝光來拍攝巴黎的航空相片。20世紀30年代首次使用飛機為照相機和攝影師提供製圖平台，這樣就可以從計劃好的位置拍攝相片。
航空攝影
儘管現在有了各種傳感器，但是使用照相機返回底片的航空攝影仍然是被廣泛採用的遙感技術。空中製圖優於地面測量的最明顯之處，就是製圖師得到的鳥瞰圖。製圖師利用立體鏡裝置，就能確定各種地貌（如山地、河流和海岸線）的準確坡度和大小。用其他方法難以測量的地區——例如高山和荒漠——從空中就很容易被繪製成地圖。而且，幾百萬平方千米的地區可以在很短的時間內被測量。當然，利用航空攝影製圖之前，必須對所記錄的物體的大小、形狀、色調和顏色等線索進行判讀。以航空攝影為基礎，能迅速繪製地圖且很容易對其進行修訂，從而能不斷更新地圖。利用航空攝影，對地球的製圖能比過去更精確、更完整、更迅速。
1975年，美國內政部創立了「國家製圖計劃」（National Mapping Program）以改善地圖數據的收集與分析，改善地圖的編制，這對處理資源與環境問題的決策者有所幫助。該項目的首要目標是用正色攝影影像完全覆蓋全國未經1:24,000比例尺製圖的地區。
正射影像地圖 （orthophotomap）是一種多彩色、不失真的航空攝影影像，上面添加了某些增補的信息（如地名、位置網格、界線、等高線等符號）。這個英語單詞使用前綴「ortho」（源自希臘語orthos，意為「正確」），是因為航空攝影經過矯正或校正，可消除因地形高度和照相機傾斜造成的誤差。正射影像地圖兼備照片的影像特性和地圖的幾何特性。請注意圖2.20不同於傳統地圖之處，是以影像作為表述信息的主要手段。正射影像地圖有著多種用途，包括森林管理、土壤侵蝕評估、洪災與污染研究，以及城市規劃等。
（a）
（b）
圖 2.20 （a）佐治亞州東南部不倫瑞克（Brunswick）西部圖方的地形圖；（b）同一處的正射影像地圖。因為航空照片表現了非常低平的區域的地形細部，所以正射影像地圖很適合於表現沼澤地和海岸帶。正射影像地圖是美國地質調查局標準地形圖有用的補充，用以更新和修正現有的地圖。
資料來源：U.S. Geological Survey.
標準照相膠片檢測到電磁波譜可見光部分所反射的能量（圖2.21）。雖然近紅外線波長是不可見的，但是能被特別感光的紅外膠片所記錄。紅外膠片能辨識和記錄人眼看不見的物體，因此對植被和水文特徵的分類特別有用。彩紅外照片產生所謂的假彩色圖像 （false-color image），所謂「假」，是因為膠片產生的影像不是自然界的原樣。例如，健康植被的葉子對紅外線 （infrared）的反射比很高，在彩紅外膠片上記錄為紅色，而不健康或休眠期的植被則呈現藍色、綠色或灰色。清水呈現黑色，但含大量泥沙的水可能呈淺藍色。
圖 2.21 以微米表示的電磁波譜的波長。陽光由不同的波長組成。肉眼只對某些波長敏感，這就是我們所能看見彩虹的顏色。雖然肉眼看不見近紅外線，但是特別感光的膠片和衛星上的傳感器能夠將其記錄下來。傳感器的量程既能反映光譜中的可見光，也能反映近紅外線部分。地面輻射的特徵是光波波長大於4.0微米。
非攝影成像
對於電磁波譜上大於1.2微米（1微米就是1/1,000,000米）的波長，必須使用照相膠片以外的傳感器。傳感器可能是被動的，記錄來自地球反射的輻射，也可能是主動的，自行發射能量。照相機是被動的，而雷達工具自己產生能量，並記錄從地面向它反射回來能量的數量。儘管地面景象被記錄為數字形式，但是打印成照片後即可傳播。
傳感器的類型
能感知地球上物體發射能量的熱掃瞄儀 （thermal scanner），被用以產生熱輻射影像（圖2.22）。就是說，熱掃瞄儀記錄水體、雲、植被以及建築物或其他構築物所發射的長波輻射（長波輻射與物體的表面溫度成正比）。與傳統攝影不同，熱傳感既能用於夜間也能用於白天的特點，使其能應用在軍事上。它被廣泛使用於研究水資源的各方面，如洋流、水污染、地表熱平衡和安排灌溉等。
圖 2.22 2001年紐約市世貿中心的熱輻射影像。2001年9月11日雙子塔倒塌後，消防隊和救援隊依靠該廢墟每天的熱圖像偵察瓦礫中和地下的火情，並根據所揭示的火情決定當天的工作。（a）襲擊後幾天內，一片熱掃瞄場（深色表示）幾乎連續覆蓋著約4000平方千米場地的大部分地區；（b）一個月後，地下的火光在很大程度上勾畫出雙子塔曾經屹立的地方。
資料來源：The New York State Office of Cyber Security and Critical Infrastructure Coordination （CSCIC ）c 2001
雷達 （radar，radio detecting and ranging的縮寫）系統運行在電磁波譜的不同波段，能在白天或晚上使用。此類傳感器傳輸射向物體的能量脈衝，同時感測返回的能量。所得數據被用以創建如圖2.23所示的影像——這是安裝在飛機上的雷達設備拍攝的。由於雷達能夠穿透雲層、植被以及黑暗，因此特別適用於監測飛機、船隻和暴風雨系統的位置，用於像亞馬孫流域那樣總是煙霧瀰漫或雲霧覆蓋的地方的製圖。
圖 2.23 加利福尼亞洛杉磯市的機載側視雷達鑲嵌圖。安裝在飛機或衛星上的機載側視雷達（side-looking airborne radar, SLAR）向地面傳送微波能量。返回傳感器的部分信號被記錄為數字值，能表現在照相膠片上。「側視」的景色造成長度不同的陰影，增強了地形的細部特徵。本鑲嵌圖由許多雷達圖像帶編繪而成。
資料來源：U.S. Geological Survey.
激光雷達 （lidar，light detection and ranging的縮寫）是一種比較新的遙感技術，利用機載雷達把光線傳輸到物體上。儀器對反射回來的光線進行分析，產生有關目標的信息。雖然激光雷達與雷達是基於相同的原理，但其發射的波長比雷達短1萬—10萬倍。現有若干種激光雷達。例如，差分吸收激光雷達（differential absorption lidar）用以測量大氣層中的化學品——如臭氧或其他污染物——的濃度。激光雷達測距儀（range-finder lidar）是最直接應用於製圖的儀器。由於激光雷達數據加工產生極其精密的地形高程以及經緯度坐標，因而對於任何需要精確描繪地表狀況的製圖都是最理想的選擇（圖2.26）。
衛星影像
30多年來，載人和無人航天飛機已經作為飛機的補充，成為地形成像的航天器。與此同時，還採用了很多自動製圖的步驟，包括電子製圖技術的使用、自動繪圖儀和自動數據加工等。現在很多影像或來自在軌道上連續運行的衛星，如美國的地球資源衛星和法國的「SPOT」系列（Small Programmable Object Technology）觀測衛星，或來自載人航天飛機，如「阿波羅」（Apollo ）和「雙子星」（Gemini ）太空計劃。衛星的優勢之二就是其覆蓋的速度快以及能獲得廣大區域的視野。
此外，由於此類航天器上的裝備能記錄人類視力範圍以外的電磁波譜段的信息，並將其傳回地球，因此這些衛星使我們能夠對不可見的信息進行製圖。美國、日本和俄羅斯許多機構發射了許多專門用以監測天氣的衛星。衛星所獲得的數據大大提高了對日常天氣和大風暴預報的準確度，並在這個過程中挽救了無數的生命。衛星是每天電視和報紙上播發的天氣圖的來源之一。
製作地圖只是遙感應用之一，遙感還被證明是進行資源調查和自然環境監測的有效方法。地質學家發現，遙感對荒漠和偏遠地區的資源調查尤其有用。例如，有關植被和岩石褶皺類型的信息有助於幫助圈定礦產和石油勘探的可能地點。遙感影像已被用於監測各種環境現象，包括水污染、酸雨的影響和熱帶雨林的破壞。由於遙感影像能夠用以計算蒸騰與光合作用速率之類的因素，所以在大氣層與地表之間關係的建模中是非常有用的。
遙感影像的軍事應用包括改善飛機導航、改進武器瞄準和加強戰場管理與戰術計劃，這就提出了誰應該有權使用這些信息的問題（見「民用偵察衛星」專欄）。
也許最著名的遙感航天器是首次發射於1972年的地球資源衛星 （Landsat satellite，又叫陸地衛星）。目前仍在運行的5號和7號地球資源衛星，軌道高度為705千米，大約每1小時40分鐘繞地球一周。這些衛星攜帶電磁波能量範圍內的傳感器。例如，7號地球資源衛星獲取光譜中可見光、近紅外、短波紅外和熱紅外等波段的數據。地球資源衛星把電子信號傳輸到地面接收站，那裡的計算機將電子信號轉變為能夠校正為適合基本地圖投影的圖片影像。將各種波長信息進行綜合，就能製成合成圖像。
地球資源衛星有能力分辨相隔15米以上的目標。這種衛星在極地軌道上運行，這意味著它們從南向北飛行，地球在衛星下面自轉，因此每條軌道就會覆蓋上次軌道相鄰地表的一個條帶。衛星在相同地方時連續通過的時候會傳輸地面寬度185千米的條帶，以16天的間隔重複連續的地面軌道的模式，並以此監測所發生的變化。
地球資源衛星是美國航空航天局（NASA）的首個民用項目，供研究地球和地球環境變化之用。其主要目的是創造一套長期不間斷校正的地球影像，以幫助研究人員研究地球系統所有組分——空氣、水、陸地和動植物——的複雜的交互作用。1972年以來，這些衛星用圖像向用戶提供在數據獲取格式、幾何學、空間分辨率、校正、覆蓋度和光譜特性等方面兼容的連續的數據集。
地球資源衛星影像在研究上有廣泛的應用，包括：
追蹤洋流；
評估湖泊水質；
雪蓋、冰川和極地冰原製圖；
分析土壤與植被狀況；
監測全球森林採伐；
監測露天開採再利用；
識別地質構造與相關的礦藏；
大都市地區人口變化製圖
有些地球資源衛星數據並非用於長期科學研究，而是用於對颱風、洪水、地震、火山、林火和溢油等自然災害與人為災害進行監測、製圖和做出反應（圖2.24）。
圖 2.24 2003年10月26日拍攝的加利福尼亞南部衛星照片，影像上3處大火團明顯可見：一處在洛杉磯附近、一處在聖貝納迪諾山脈（San Bernardino Mountains）、一處在聖迭戈。從遙感影像得到的數據可用於瞭解火災的範圍和強度，還可以每日數次更新明火的地圖。這些地圖幫助地面消防管理人員決定消防隊員最佳的滅火位置、評估火災後的損失，並幫助他們計劃災後的恢復工作。
資料來源：c Jacques Descloitres, MODIS Rapid Response Team, NASA / GSFC.
地理學＆公共政策 民用偵察衛星
雖然遙感衛星已在地球軌道上運行了大約30年，但是1999年以後才有如本文所示的詳細的衛星影像供公眾使用。直到最近，從商用衛星所得的影像都比較模糊，而且也不如軍用衛星那樣詳細。但現在的情況已不再是這樣。1994年，聯邦政府撤銷了對私立公司的限制，允許他們建造新一代民用「間諜」衛星並向顧客出售圖像。總部在科羅拉多州丹佛的空間成像公司（Space Imaging Corporation）於1999年首次發射了高分辨率商用衛星「伊科諾斯」1號（Ikonos 1 ，以希臘文「影像」命名）。翌年又有另兩家美國公司發射了類似的衛星。新的成像技術強大到能夠檢測和記錄地面上寬度小到1米的目標：汽車、房屋，乃至熱水浴缸。
軍事規劃人員正在發現商用衛星高分辨率圖像不可估量的價值，這些圖像足以提供最新的信息，其詳細程度和精度水平高於常規地圖。把多個數據圖層疊加到影像上，例如將從地形圖信息、當前天氣狀況與士兵在戰場上的報告進行疊加，就能幫助制訂軍事任務計劃。例如，在伊拉克的軍隊指揮官就曾利用此類圖像查明有可能被狙擊手利用的高層建築，確定哪座橋樑已被摧毀，確定哪些小巷可能是伏兵的通道等。
新的影像同樣受到地質學家、城市規劃師和救災官員的歡迎。非政府的公益團體把影像用於向政府施加壓力以實踐環境法和條約、追蹤難民運動、探測非法廢料堆，以及監視軍控協議等方面的活動。與此同時，衛星影像清晰可見的細節和廣泛的實用性增加了對國家安全的擔憂。一位情報官員談到：「每當引進一項強有力的新技術，就會引發一場關於把它用在何處的爭鬥。總而言之，這方面有益用途的潛力很高。但是，肯定也存在被濫用的可能——我們無疑會看到一些這樣的情況。」
人們的主要關切之一是在軍事偵察清晰度和精確度方面相互競爭的影像可能被威脅國家福祉的人員購買。例如，在戰時，敵人可能將其用以攻擊軍隊和軍事裝置的所在地。恐怖分子可能利用這種圖像計劃奇襲。美國空間司令部領導人理查德·B.邁爾斯（Richard B. Myers）將軍警告說，政府必須決定武裝衝突時要如何行事。「當你出售可能用以反對你的東西時，就會存在風險」。
不過，美國公司的操作受到許多安全限制。他們被禁止向若干國家的顧客出售圖像，包括古巴和朝鮮。考慮到國家安全利益，政府可以劃定任何禁區。例如，2001年9月11日之後不久，五角大樓就從空間成像公司購買了阿富汗和巴基斯坦所有衛星影像的專有權。
思考題
你是否認為新的精細衛星影像是對國家安全的潛在威脅？敵方有權使用這些影像是否可能使好戰的國家比現在更加危險？為什麼？
有權使用衛星影像為何會滋長環境與社會不穩定的趨勢？
為衛星發放許可證的聯邦政府是否應該允許實行「快門控制」——戰時切斷影像銷售？論證你的答案。
聖弗朗西斯科國際機場的衛星影像。只是最近才能通過商用衛星得到並向公眾提供像本圖這樣詳細、精確的高質量影像。資料來源：c 2000 Space Imaging. All Rights Reserved.
2.7 地理信息系統
地理學的主要進展是使用計算機幫助製圖與空間分析。過去25年內，計算機已經幾乎變成每個製圖過程都必不可少的一部分——從數據收集與記錄到地圖的編制與修訂。儘管設備的最初成本較高，但是投資能以更高效的方式、更精確的地圖編製和修訂而得到回報。
計算機被認為是地理信息系統 （geographic information system，GIS）的核心，基於計算機的程序組用以組合、儲存、處理、分析和展示與地理相關的信息。任何能夠被空間定位的數據都能進入GIS。以下是GIS的5個主要組成部分：
數據輸入部分：把地圖和其他數據從其現存形式轉變為數字形式或計算機可讀的形式；
數據管理部分：用以儲存和提取數據；
數據操作功能：允許來自異源的數據能同時被使用；
分析功能：能夠從數據中提取有用信息；
數據輸出部分：使形象化的地圖和表格顯示在計算機顯示器或硬拷貝上（如打印在紙上）。
地理數據庫
開發GIS的第一步是創建地理數據庫 （geographic database），它是地理信息的數字記錄，信息來自地圖、野外觀測、航空攝影和衛星影像等信息源。只要是與地理有關的數據——來自許多不同來源、各種形式——GIS就能夠利用。研究目的決定了進入數據庫的數據。對於研究一個特定地區濕地對傷害的敏感性的自然地理學家來說，源數據可能包括各地點的降水量圖、土壤類型圖、植被覆蓋圖、水污染源圖、等高線圖以及河水流向圖等。另一方面，對城市地理學家和區域規劃師而言，要使用的GIS數據集可能包括美國人口普查局收集出版的大量地方專門信息，包括政治界線、人口普查街區、人口分佈、建築物清冊、人種、種族劃分、收入、住房、就業等等。
數字形式的地理信息一旦進入計算機，就可以對數據進行運算、分析和展示，其速度與精度無可比擬。因為計算機可以在幾秒鐘之內處理上百萬的數據，所以對需要同時分析許多變量的研究者特別有用。地理信息系統的開發降低了用地圖儲存信息的重要性，同時使研究人員能夠專注於地圖分析與傳送空間信息。利用適當的軟件，計算機操作員就能展示數據的任何組合，幾乎立即就可以顯示各變量之間的關係（圖2.25）。在這種意義上，GIS使操作人員能夠編製各種地圖或進行空間分析，而在幾十年前這幾乎是不可能做到的。
圖 2.25 信息圖層是GIS的精髓。轉化為數字資料的地圖信息以不同的「圖層」被儲存在計算機中。GIS讓使用者能夠把想用的那些圖層進行疊合，編成一幅合成地圖，藉以分析那些變量是如何相互聯繫的。
資料來源：Reprinted by permission of Shaoli Huang.
GIS運算有幾種輸出類型：展示在計算機顯示器、數據清單或硬拷貝上。當需要編製地圖時，地圖學家就能夠迅速提取想要得到的數據。地理信息系統對現有地圖的修訂特別有用，因為過時的數據——例如人口數量——很容易被修改或替換。此外，GIS還能通過一次操作迅速改變一些變量和（或）模型參數，並能使用多重空間尺度，有助於進行探索性分析。
GIS的應用
誰使用地理信息系統？各領域成千上萬人士為各種不同目的使用此類系統。環境系統研究所公司（Environmental System Research Institute, Inc.，簡稱ESRI）出版的月刊ArcNews １ 記述了許多領域「GIS在行動」的無數實例。在人文地理方面，數量巨大且日益增長的大批空間數據促進了利用GIS來研究區域經濟與社會結構模型、交通系統和城市發展格局、選舉行為模式等等。對自然地理學家來說，要瞭解自然環境中的過程與相互關係，GIS的分析與建模能力是十分重要的。
除了地理學家以外，從考古學到動物學等各領域的研究人員，都使用地理信息系統，下面僅舉幾例。
生物學家和生態學家利用GIS研究環境問題，包括空氣污染和水污染、地景保護、野生動物管理和瀕危物種保護等。
流行病學家需要精確的地圖信息來研究瘧疾、非典型肺炎、艾滋病和登革熱等疾病的傳播，以及昆蟲學的風險因素。
GIS軟件使政治學家能夠利用緊密度和鄰接度等標準對現行的立法區進行評估，並提出重新劃定區域邊界的方法。
社會學家利用GIS軟件識別不同種族的人群，並研究種族隔離結構隨時間的變化。
許多私營公司也使用計算機繪圖系統。其中油氣公司、連鎖酒店、軟飲料灌裝企業以及租車公司依靠GIS系統完成各種任務，例如確定井位、為新特許經營權企業選址、分析銷售區域，以及計算最佳駕駛路線等。
全國級部門與州、縣等地方各級政府部門都使用地理信息系統，如公路與交通管制、公用設施規劃等部門。執法部門利用基於空間的軟件包來分析犯罪模式、確定犯罪活動的「熱點」，從而重新部署警察的儲備力量。
政府官員還利用GIS幫助制定對龍捲風、颶風、地震、洪水和森林火災等自然與人為誘發災害的應急措施。由於這些威脅人類和建築物的災害往往是突然發生的，因此會造成混亂和驚慌。GIS技術日益用於幫助社會制定防災與應急的計劃。例如，規劃人員可以將有關道路類型、消防隊位置、預期對火災發生與救援隊的反應時間等方面的信息結合起來，編繪撤退地帶、疏散路線以及避難場所的地圖。一旦災難降臨——無論是亞利桑那州的森林火災還是俄克拉何馬州的龍捲風，在進行房屋定位、產權確認、幫助救援負責人決定把野外工作隊和救援人員派往何處、設置野戰醫院和救護基地等任務時，用GIS編繪的地圖已被證明是極其有價值的。災害發生之後，此類地圖還用於圈定受損的建築物、評估財產損失，以及為清理瓦礫垃圾做準備。
關於GIS應用最具戲劇性的實例之一是2001年9月11日世貿中心遭到襲擊之後的幾天。應急與重建隊伍需要瞭解瓦礫與殘餘建築物的穩定性、哪裡的地鐵遭毀損、自來水總水管位於何處，以及何處的公共設施運轉中斷等方面的情況。在受襲地點大火仍在燃燒，市長的計劃辦公室被毀時，GIS專家就立即開始收集用於編製該地點高精度地圖所需的數據。這些不斷更新的地圖幫助緊急事件負責人跟蹤地下火災擴大與滅火的情況，使他們能夠決定如何把救援裝備運抵現場，何處能安全地布設大型修復設備，以及經由什麼路線清運瓦礫垃圾（圖2.26）。
圖 2.26 世貿中心現場的三維激光雷達影像。「9·11」襲擊後利用遙感、GPS和GIS集成的世貿中心殘骸精確地圖在恢復與清理工作中的價值是無法估量的。全球定位系統被用以部署地面和空中傳感器。裝備了3種傳感器的航空器收集高分辨率的航空照片、熱影像和激光雷達（光探測與測距）數據。資料收集後的幾小時內，來自政府、工業界和學術界的GIS專業人員把數據進行合併，編製出大樓與周圍地區的高分辨率大幅影像。根據激光雷達系統編繪的三維模型使工程技術人員能夠計算瓦礫堆的體積，跟蹤其運動與變化，並確定起重機將其清除所需的範圍。
資料來源：NOAA / U.S. Army JPSD.
由於GIS在各種公共與私人空間查詢中的重要性日益增長，就業市場對擅長此項技術的人才的需求也在增長。許多大學的GIS課程也在相關地理部門教授，而且「GIS / 遙感」是許多主修地理學的本科生和研究生力圖具備的首要職業特長。
章節摘要
我們並未試圖在本章討論地圖學領域的所有方面。我們有意省略繪圖法與地圖設計、土地調查系統、地圖編繪，以及地圖複製技術等主題。本章的意圖是介紹有助於地圖閱讀與判讀的那些方面，同時提示地圖創作與設計的新技術，以及地理信息系統的用途。
地圖是最古老、最基本的溝通工具之一。對地理學家而言，地圖就像文字、照片和定量分析技術那樣不可或缺。地理學家不是唯一依賴地圖的人。這個時代涉足分析與解決各種問題的人們同樣依賴地圖。需要對地球表面各要素進行精確描繪的問題很多，全球變暖、污染、全球化、能源供應、國家安全、犯罪以及公共衛生等僅是其中的幾個例子。
現代地圖繪製源自17世紀。有3項關鍵性進展使編製地表特徵的地圖既能令人滿意又有可操作性，就是重新發現古希臘地球科學家的著作、越洋航行，以及印刷機的發明。
經緯度網格系統被用以定位地表地點。緯度是赤道南北距離的量度，而經度是本初子午線東西的角距離。經度和緯度二者均以度數表示，度又更精確地細分為分和秒。全球定位裝置使用者能夠確定他們在地球上的位置。
把曲面的地球表現在平面地圖上的所有系統都會使一種或更多的地球特徵失真。任何一種投影都會使面積、形狀、距離和（或）方向失真。製圖員選擇最適合其目的的投影，他們可能選用等積投影、正形投影、等距投影，或者選用能表示從一點到所有其他點方向都正確的投影。不過，許多有用的投影都不具備這些特性。
大比例尺地圖中最精確、最有用的是國家主要地圖機構出版的地形圖方。這些圖方信息豐富——包含自然景觀與文化景觀的信息，可應用於多種目的。
近年來，遙感技術使我們能夠更快、更精確地編繪世界地圖。航空攝影和衛星影像二者能夠分辨光譜的可見光和近紅外波段。遙感的應用包括編繪地圖、環境監測和資源調查。遙感所獲取的海量數據的儲存、處理與提取推動了地理信息系統的開發。計算機和相關軟件日益增強的性能與靈活性，使GIS製圖在尋求各種問題答案方面的價值無法估量。
你在閱讀本書後面的章節時，注意地圖的各種不同用途。例如，你會在第3章看到地圖對理解大陸漂移理論是多麼重要；第7章，地圖怎樣幫助地理學家識別文化區；第8章，地理學家如何用地圖記錄人們對空間的感受。
問題與討論
本初子午線用作地圖和地球儀坐標的重要性是什麼？本初子午線或其他任何經線是實際存在的還是人為劃定的？本初子午線是如何被劃定或被普遍接受的？
當你向兩極靠近時，經度的長度有什麼變化？赤道與兩極之間緯度的長度有什麼變化？
在世界地圖集中，以度和分確定美國紐約、俄羅斯莫斯科、澳大利亞悉尼以及你家鄉的位置。
列舉地球儀網格5種以上的特性。
簡要說出正形投影、等積投影和等距投影在性質和目的上的不同。試舉出能夠在每種投影上得到最好表現的各類地圖信息的一兩個例子。另舉出表現在不適當投影上的數據可能導致誤解的一兩個例子。
地圖比例尺能以哪些不同方式表示？把下列地圖比例尺變成相應的文字形式。
1:1,000,000 1:63,360 1:12,000
等高線的用途是什麼？什麼叫等高線間距？等高線密集意味著什麼地景特徵？
「遙感」一詞所指的是哪種數據採集方式？描述能傳感各光譜波段的一些方式。遙感影像用於哪些方面？
地理信息系統的基本組成是什麼？空間信息如何被記錄在地理數據庫裡？計算機化的地圖繪製系統應用在哪些方面？
延伸閱讀
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.