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【科拷荟原创】地图:从三维到二维与从二维到三维

地图是人类用特定的符号对所认知的客观世界进行描绘的图像,是人类的第三语言。我们身处在一个立体的、三维的世界中,看到和接触到的都是立体的事物。从地图与物理世界的关系来说,地图一开始就是要将三维的世界描绘到二维的平面上。

首先,地球是圆的。早在公元前五世纪,古希腊数学家毕达哥拉斯已经发现地球是圆的。于是问题就来了,既然地球是圆的,怎么将一个球体绘制在一个平面上呢?地球表面为不可展的曲面,它不可能无重叠、无裂缝、无变形地展开为平面,这就需要借助地图投影的方法来完成曲面转平面的过程。

明代万历刻本《广舆图》上记载的地图符号

早在公元前,希腊科学家已经用地图投影这个方法绘制地图了,最早使用投影法绘制地图的是公元前3世纪的古希腊地理学家埃拉托斯特尼,他是当时希腊世界最重要的学术中心——亚历山大博物馆的第三任馆长。他发明了地球的经纬度系统,在绘制以地中海为中心的世界地图时,使用了经纬线相互垂直的等距离圆柱投影法。到了大航海时代,荷兰制图学家墨卡托于1569年发明了墨卡托投影。该投影可以使航海者用直线(即等角航线)导航,并且第一次将世界完整地表现在地图上,对世界航海、贸易、探险等有重要作用,至今仍为最常用的海图投影。墨卡托投影的局限是使地图上的大陆轮廓变形较大。后来有各种新的地图投影,但地图投影导致世界轮廓变形或失真似乎是一个不可被克服的问题。无论如何,地图投影使地图与现实世界之间的镜像关系得以建立。

墨卡托世界地图

其次,地图从三位到二维还表现在对地物的表示上。地表的道路、河流、聚落、建筑、桥梁等地物都是立体的,我们不可能将地物一一原样标注在地图上,这就出现了地图符号。地图符号承担着地图对自然和人文信息进行抽象概括和记录的功能。地图符号的最大特点是形象直观、一目了然,通过形状、尺寸、方向、亮度和密度的变化和组合,表现了丰富的地物的,起到了与自然语言同样的信息编码和解译传播的作用。

19世纪复原的埃拉托斯特尼所绘制的当时希腊世界所知的世界地图,图上已有经纬网

在地图的发展历史上,人类通过各种方法,将三维的世界表现在二维的地图上,使世界直观地展示在人们眼前。随着科学的发展,特别是数字和互联网时代的来临,地图逐渐摆脱传统纸质地图的束缚,地图的呈现形式越来越多样。在原来二维地图外,越来越多的三维地图(3D地图)出现。

E都市三围地图

三维电子地图就是以三维电子地图数据库为基础,按照一定比例对现实世界的三维的描述,其形象性、功能性远强于二维地图。与二维地图相比,三维地图对现实世界的抽象所占比重减少了,更多的是对现实世界的较直观的描述,模拟的效果更加逼真。今天耳熟能详的谷歌或百度街景地图、虚拟三维地图、实景三维地图、室内地图等给我们带来了身临其境的感觉,其体验与二维地图的抽象感十分不同。三维地图的强势发展,让我们看到,在技术的支撑下,地图在今天渐渐开始了从二维到三维的转向。

街景地图

地图作为现实世界的模型,从其出现就具备了对现实世界的模拟功能。纵观地图的发展历程,地图在处理与现实世界的关系时,出现了从三维到二维与从二维到三维的不同阶段,这些变化的背后都有技术的支撑和作用。

文/吴鹏飞

本文来自:中国数字科技馆
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