1. GIS：你能幫我做什么

　　“GIS是什么，能干什么？”，我想這個(gè)問題可能是困惑大多數(shù)GIS專業(yè)學(xué)生的問題，現(xiàn)在當(dāng)然好很多，但在我們上學(xué)那會兒，完全是混混沌沌，不知道以后畢業(yè)了去干嘛，當(dāng)人家很好奇地問起自己的專業(yè)時(shí)，也很難用只言片語跟人家描述清楚，那種學(xué)了n年還說不清自己專業(yè)的羞愧吶。。。直到后來Google Map、Google Earth橫空出世，當(dāng)大家發(fā)現(xiàn)這玩意兒能在電腦上看到自己家房頂，找到玩轉(zhuǎn)世界那種“君臨天下”的感覺的時(shí)候，我們終于可以傲嬌地說，俺的專業(yè)就是做這個(gè)的lol（其實(shí)你懂得）。

　　當(dāng)我們?nèi)ゲ樵僄IS的概念，一般都會這樣介紹——“在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，對地理數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、存儲、分析、顯示、輸出的信息系統(tǒng)。”

　　“那GIS不就是用計(jì)算機(jī)做地圖嗎？”

　　“GIS比計(jì)算機(jī)制圖高級，因?yàn)槲覀冇袛?shù)據(jù)庫支撐，我們還可以做空間分析……”

　　聽起來無所不能的GIS，但在很長時(shí)間里其實(shí)也只是停留在做出專題圖的階段，像圖1中的漸變色就很清晰的顯示出各省的男同胞的平均身高，各位可以很迅速地在心里得出自己有木有拖后腿的結(jié)論，再或者可以跟地圖交互查詢一下屬性，壓根兒用不到復(fù)雜的空間分析。

                                                                           圖1 中國各省男性平均身高

         那GIS究竟能做什么呢？首先就是收集地理信息，人類活動75%都與地理位置有關(guān)，比如想和男朋友找個(gè)電影院看電影，出差到一個(gè)陌生的城市找賓館，這些都是地理信息，通過GIS能有效地把這些都存儲起來，怎么存呢？excel嗎？那怎么和地圖關(guān)聯(lián)起來？這是后話，當(dāng)然這些問題不太用我們用戶操心，業(yè)界大佬們早就定義好了地理信息的各種存儲方式，文件抑或數(shù)據(jù)庫都可以，我們只要按要求把信息錄入就可以了。

         收集到的地理信息，現(xiàn)在也只是電腦中的一堆表格，那怎么為人們所看到呢？這就是所謂的“可視化”了，各種圖表是信息可視化的產(chǎn)物，那地理信息可視化的產(chǎn)物就是“地圖”，當(dāng)然地圖遠(yuǎn)比GIS出現(xiàn)的要早，這位前輩是GIS重要的代言人，GIS可以方便地將收集到的信息在地圖上展示，如圖1用深淺變化的顏色表達(dá)身材的高低，如果收集到的信息還有女性的身高，分分鐘就可以再做出一幅類似的女性身高圖來。而即使你是一個(gè)繪圖高手，可以在CorelDraw、Illustrator甚至Photoshop中繪制出圖1，但卻很難再此基礎(chǔ)上立刻繪制出另一幅女性身高圖來。

         而空間分析其實(shí)離我們也并不遙遠(yuǎn)，像大眾點(diǎn)評這樣的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普及，我可以很方便地找到周邊的餐館，還有地圖導(dǎo)航，都是通過GPS裝置收集的你的地理位置之后，在地圖上找到正確的位置顯示，再進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)諸如查詢搜索等功能。

2. 數(shù)據(jù)：有料才是王道

　　大體知道了GIS是什么，我們再來討論下圖1是怎么做出來的，身高之類的數(shù)據(jù)很好收集得到，可是地圖呢？讓我們追根溯源地想一想地圖究竟是怎么畫出來的，在沒有測繪，沒有RS，沒有GPS的年代，我們的老祖先們就是靠腳步來丈量土地，靠眼睛看到的來手繪地圖，而現(xiàn)在RS可以通過衛(wèi)星來給地球拍照，GPS可以實(shí)時(shí)定位，雖然已經(jīng)擺脫了“數(shù)據(jù)基本靠走”的時(shí)代，但是想得到數(shù)據(jù)還是要花費(fèi)些代價(jià)，大多數(shù)地理數(shù)據(jù)還沒有開放需要購買，當(dāng)然像圖1中這樣比例尺級別（第4部分我們會討論到）的地圖，還是很容易從網(wǎng)上得到，那我們下載后，就可以在GIS軟件中打開，將身高數(shù)據(jù)錄入，從而快速的做出一幅地圖來。

　　所謂“巧婦難為無米之炊”，數(shù)據(jù)才是王道，否則GIS系統(tǒng)就是一個(gè)空架子。對于數(shù)據(jù)而言，GIS有兩大基本存儲模型，一種是矢量數(shù)據(jù)模型，一種是柵格數(shù)據(jù)模型。如圖2所示，同樣信息的表達(dá)，在左邊的矢量數(shù)據(jù)中，我們看到的是清晰的點(diǎn)、線、面的實(shí)體，來表達(dá)河流、湖泊、地塊這樣的信息；而右邊的柵格數(shù)據(jù)中，我們看到的則是一個(gè)個(gè)的格子，相相同的像元值在地圖上展示出相同的顏色，從而也呈現(xiàn)出河流、湖泊、地塊的形態(tài)。雖然都能表達(dá)出一樣的信息，但是這兩種存儲模型是完全不同的，矢量是以對象為單位，我們可以把一個(gè)湖泊的面積等屬性都存儲在該對象中；而用柵格表達(dá)的話，湖泊是由一組像元組成的，我們不可能將整個(gè)湖泊的面積分別賦予每個(gè)像元。

                                                                     圖2 矢量數(shù)據(jù)模型與柵格數(shù)據(jù)模型

        網(wǎng)上公開免費(fèi)的數(shù)據(jù)哪里可以下到呢？在美國數(shù)據(jù)的開放程度還是相當(dāng)高的，像人口普查之類的詳細(xì)數(shù)據(jù)完全可以獲取到（http://thistract.com/），另外還有一些網(wǎng)站可以獲取數(shù)據(jù)：

全球90m分辨率的DEM（高程數(shù)據(jù)）下載：

http://srtm.csi.cgiar.org/index.asp

Natural Earth提供了全球1:10 000 000、1:50 000 000、1:110 000 000比例尺的矢量和柵格數(shù)據(jù)下載，格式為ESRI的shp、Geodatabase以及tiff：

http://www.naturalearthdata.com

Bathymetry是海洋深度的測量數(shù)據(jù)，在 British Oceanographic Data Centre 的網(wǎng)站上可以下到全球海洋深度數(shù)據(jù)：

https://www.bodc.ac.uk/data

Globe land cover facility提供免費(fèi)衛(wèi)星圖像，如Landsat、 Modis、 Ikonos、 Quickbird等，下載地址：

http://glcf.umiacs.umd.edu/

 　　對于中國用戶，開放的免費(fèi)數(shù)據(jù)獲取途徑有限，國家基礎(chǔ)地理信息中心發(fā)布過全國1：400萬比例尺的矢量圖，詳細(xì)到縣級行政數(shù)據(jù)。另外，如果我們只是需要背景地圖顯示的話，可以不必獲取原始數(shù)據(jù)，而采用疊加地圖服務(wù)的方式。

3. 比例尺：地圖的親密愛人

　　早在晉代制圖學(xué)家裴秀就提出“制圖六體”的概念：分率、準(zhǔn)望、道里、高下、方邪、迂直，首當(dāng)其沖的分率指的就是比例尺。無論是我們購買的地形圖，還是我們在軟件中出圖，都要涉及到比例尺，對于地圖而言，比例尺是不可或缺的親密愛人。就像上節(jié)中我們提到Natural Earth提供了全球1：10 000 000的矢量數(shù)據(jù)下載，這里的1：10 000 000就是比例尺，它的含義是：地圖上任意線段長度與它代表的實(shí)地水平距離之比，也就是說如果地圖上兩點(diǎn)之間測量的距離為1mm，那么實(shí)地的距離則是10km。

　　簡單來講，地圖都是對現(xiàn)實(shí)世界的抽象縮小，比例尺就代表了抽象的程度。比例尺越小，抽象程度越高，表達(dá)的地物就少而簡單；比例尺越大，抽象程度低，表達(dá)的地物就越詳細(xì)。如圖3所示，同一個(gè)湖泊在較大比例地圖上以面來表示，可以看到湖泊的輪廓，而在較小比例尺地圖上就只是以線來表示。這個(gè)對地物進(jìn)行抽象的過程存在于數(shù)據(jù)采集這個(gè)環(huán)節(jié)，對于采集到的數(shù)據(jù)，在軟件中我們是可以實(shí)現(xiàn)比例尺的無極縮放的，這時(shí)候改變的就不再是抽象程度，而是顯示的地理范圍了。

                                                                    圖3 不同比例尺對于地物的抽象程度

 　　我國規(guī)定1：5千、1:1萬、1:2.5萬、1:5萬、1:10萬、1:25萬、1:50萬、1:100萬八種比例尺地形圖為國家基本比例尺地形圖。編制這些地圖要么通過全站儀、經(jīng)緯儀等大地測量的方式，要么通過航攝的方式。因此這里又要引入兩個(gè)概念：測圖比例尺和航攝比例尺。由于人眼在地圖上的分辨率通常為0.1mm，不同比例尺圖上0.1mm所代表的實(shí)地距離，稱為地形圖比例尺的精度，該精度決定了測圖比例尺。例如，某工程測量要能夠在圖上表達(dá)出10cm的精度，則選取的測圖比例尺應(yīng)不小于0.1mm/10cm=1/1000。航攝比例尺與成圖比例尺的關(guān)系見下表（影像分辨率指的是影像所能識別出的最小地物單元的大小）

                                                                          表1  成圖比例尺與航攝比例尺及影像分辨率關(guān)系

 　　通過上表中的對比，我們可以發(fā)現(xiàn)成圖比例尺基本是航攝比例尺的4倍，為什么是4倍，原因是精度決定，4倍內(nèi)的攝影照片就夠了，剛好不會出現(xiàn)馬賽克，如果將攝影比例尺確定得過小，造成圖像模糊不清，甚至出現(xiàn)“馬賽克”圖案，影響成圖質(zhì)量；反之，將攝影比例尺確定得太大，“大材小用”造成不必要的資源浪費(fèi)。

4.  坐標(biāo)：究竟有多重要

　　很多時(shí)候碰到學(xué)員拿來這樣的數(shù)據(jù)，坐標(biāo)值不正確或者沒有坐標(biāo)系，無法和其他數(shù)據(jù)正確的疊加在一起顯示，無法設(shè)置比例尺，也無法做拓?fù)錂z查之類的工作。坐標(biāo)不正確的原因主要有：在用CAD等軟件作圖的時(shí)候沒有設(shè)立好正確的地理坐標(biāo)系，或者數(shù)字化紙質(zhì)地形圖或影像的時(shí)候沒有注意是否經(jīng)過配準(zhǔn)這一步驟；坐標(biāo)系缺失的情況就更多了，導(dǎo)入數(shù)據(jù)的時(shí)候只導(dǎo)入了坐標(biāo)值信息，或者數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的時(shí)候忘記了指定坐標(biāo)系。

　　而一個(gè)地物怎樣才能正確定位在地球上？答案是正確的坐標(biāo)值加上坐標(biāo)單位。讓我們暫時(shí)拋開地球是個(gè)三維球體，先來完成在平面圖上畫出一棟房子的任務(wù)，現(xiàn)在知道房子的幾個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)（1，1）（3，1）（3，4）（1，4）。首先我們必須要先確認(rèn)的是坐標(biāo)原點(diǎn)在哪里？其次還要有橫軸和縱軸以及單位刻度（房子的長寬是米，現(xiàn)在坐標(biāo)軸的刻度單位也是米），那圖4中所示的就是房子應(yīng)該在的位置。而地理數(shù)據(jù)定位也是同樣的原理，只不過大地坐標(biāo)系的定義則是：以參考橢球體（用來模擬地球的光滑球體）中心為原點(diǎn)，本初子午面（英國格林尼治天文臺所在位置為本初子午線，即0度經(jīng)線）為縱軸方向，赤道平面為橫軸方向，如圖5所示，紅色點(diǎn)的坐標(biāo)就應(yīng)該是（50，40），單位為度。

                                                    圖4 二維笛卡爾坐標(biāo)系

                                                    圖5 大地坐標(biāo)系

　　獲取正確的地理坐標(biāo)究竟有多么重要？是不是我做一幅地圖所需的數(shù)據(jù)必須要知道正確的地理坐標(biāo)呢？我們知道獲取坐標(biāo)并不是一件相當(dāng)容易的事情，草根的方法通常是在Google Earth上添加地標(biāo)，通過KML這種格式導(dǎo)入GIS軟件生成矢量圖，官方的途徑就是通過購買了。但其實(shí)某些時(shí)候，坐標(biāo)并不是我們所認(rèn)為的那么重要，比如我要做景觀分析，研究一個(gè)村落的布局，在此基礎(chǔ)上做一些地圖，我想說，其實(shí)你真的不必為地理坐標(biāo)困擾，找一個(gè)航拍圖片，沒有的話紙質(zhì)地圖也可以，直接在上面描圖獲得數(shù)據(jù)，就像小時(shí)候大家大概都撕過課本封面上的透明薄膜疊在其他圖上描圖，原理是一樣的，只是你這時(shí)獲取的坐標(biāo)是相對坐標(biāo)罷了，既然我不需要和其他地圖疊加在一起定位，我又何必要關(guān)心地球坐標(biāo)原點(diǎn)在哪里呢？    

5.  投影：神馬不是浮云

　　我們知道地球是一個(gè)形狀不規(guī)則的橢球體，那如果為地球畫一張平面畫像，那該如何盡可能真實(shí)地再現(xiàn)地球的真實(shí)面貌呢？前面我們了解到地理坐標(biāo)系的定義：以球心為坐標(biāo)原點(diǎn)，東西方向按經(jīng)度劃分為360度，南北方向按緯度劃分為180度，也就是我們所說的WGS（大地坐標(biāo)系）將地物進(jìn)行還原，如圖6即是按經(jīng)緯度直接描繪出的世界地圖。

                                                             圖6 未投影的世界

         一切看起來都很正常，正如有本書所寫“世界是平的”，但我們仔細(xì)一看就會發(fā)現(xiàn)問題，A1A2之間的距離和B1B2之間的距離在圖上看起來是相等的，但是實(shí)際上，位于不同緯度的相同經(jīng)度差絕對是不相等的，位于赤道上的距離遠(yuǎn)比位于兩極的要大很多，因此用上面提到的畫像方式來做平面地圖是不能很好地表達(dá)距離，方向之間的相對位置關(guān)系的，所以我們在制圖的時(shí)候才要引入投影，即將三維球面展現(xiàn)到平面地圖上，對于地圖來講，投影絕對不是浮云。

                                                                圖7 Albers投影

　　這里我們選取了Albers（等積圓錐投影），世界地圖立馬呈現(xiàn)出不一樣的形態(tài)，這里A1A2和B1B2之間的距離也發(fā)生了變形，因?yàn)橥队笆侨�維向二維的映射，所以必然會產(chǎn)生變形，我們可以為不同用途的地圖選取相應(yīng)的投影方式來保證面積，方向或角度的變形最小。