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格网地图的全新一代

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  科学发展和技术进步,遵循着螺旋式上升的规律:即由简单到复杂;然后又由初级的复杂上升到高级的简单。格网地图起源于中国,形成独特的东方体系,鼎盛于元明。中世纪以后,东西方体系相互交流与融合,取长补短,兼收并容。及至现代航空、航天时代和信息社会,更孕育出全新的一代。

  格网的理念,源远而流长

  “格网”诞生于农耕文明的井田制度。西周王朝,分封国土,当时地广人稀,选择广袤的冲积平原,划分井田。中间为公田,四周为私田。私田不设边界限制可向四周扩张。象形文字中的“田”“井”和“亞”字,就是最原始的格网图式。秦、汉统一中原,耕地扩展到丘陵河谷地区,废井田,开阡陌,因地制宜。于是丈量土地,开始考虑地形起伏、河流曲直的影响,勾股弦三角测量的方法问世。从而裴秀(公元224~371)梳理出“制图六体”。反复讨论在二维的格网地图上,必须进行三维的误差纠正的问题。嗣后,疆域扩大到关中平原、黄河流域以外的其他地区,就考虑到天下郡国的相对地理位置,尝试以北斗星来粗略定位:不仅以北斗星来厘定子午线的方向;同时也用北斗星高出地平线的高度当作纬距,作为地图分幅、分带的依据。此外,格网的理念,似乎还与古代地图以绢帛为载体,人工褶叠的痕迹有关。长沙马王堆出土的三幅地图即其一例。裴秀主编的“天下大地图”,用缯八十匹,它是如何拼接、褶叠的,已无可查考。

  元、明两朝,可以说是格网地图的鼎盛时期。当时,格网既是地方图志的统一规范,又是欧亚大地图采用的统一坐标系。在当时的地图上,方位和距离都是按格网作为基本单元来估算的。

  中国式的格网作为计算方位、距离的一种图式,辗转传播到欧洲。18世纪的法国地形图开始加上方里格网,作为炮兵快速测算的参考。欧洲的传教士们则把地球经纬网格的理念传授给中国。于是,在康熙、乾隆主持编绘的《皇舆一览全图》上,也出现了方里格网与经纬格网并存的新图式。

  20世纪30年代,丁文江、翁文灏和曾世英合作编纂《申报地图》。它的科学贡献,不仅是采用了等高线分层设色,总结了近代中国地形图测绘的成果,创立了中国地势“三大台阶”的科学新概念;同时也对经纬格网定位体系,进行了全面的梳理。曾世英曾对全国770多个经纬度纪录逐一加以勘正;对1:10万比例尺地形图每幅的图角点,进行了校正;还把它们统一在双标准纬线(北纬20°和40°)等积圆锥投影的全国大地形图上。这是对格网地图最彻底的一次技术革命,影响深远。

  航空摄影测量与格网地图

  20世纪初,人类进入航空时代,开始能从空中测绘地球,大大地加速了地图测绘的进程。20世纪上半叶,航测地图的覆盖面积很快达到陆地面积70%以上,超过19世纪以前地面平板测量覆盖陆地面积总和一倍。更重要的是影响到地图功能的飘移:地图不再仅仅是测绘记录的载体,而是人们利用航空摄影时,在立体镜下,对地理本体的全面认知和理解。大量的野外作业转换为室内的分析和解释;由光学模拟转换为全数字制图。王之卓院士的经典著作《航空摄影测量学》问世,为新中国地图测绘行业实现全数字化革命奠定了坚实的科学理论基础。国家测绘局全力推进立体解析测图仪和制图软件的国产化,组建了国家基础地理信息中心,快速而有序地推进全国1:100万至1:5万比例尺地形图的数字化。

  近年来,随着传感器的发展,格网数字摄影测量(Digital Photogrametric, DP Grid)已经提到日程上来了。例如,POS系统能够直接提供影像中位置和姿态的数据;Lidar能够直接提供数字影像;全自动空中三角测量已贯穿航空摄影测量的全过程。与此同时,计算机的集群——并行处理、网络技术的进步,又提供了比原有数字摄影测量工作站(DPW)更加先进的技术支撑,从而使多尺度、多时相、多源地理空间信息的集成与综合,有可能实现。无论多级比例尺的4D(DOM、DLG、DEM、DRG)原始数据,乃至城市工程、道路测量数据的更新与部分专题数据的采集,都有可能在共同的定位参数和统一坐标系上来进行集成与融合(张祖勋,2007)。

  1962年至1972年间,林业、地矿部门和中国科学院都曾经组织航空像片综合利用调绘专题地图的实验。在森林经营管理、地质矿产勘测、地形坡面分析、水土保持、城市规划、环境监测、气象预报、地震分析、洪水预警、潮汐监测诸多领域,组织过十多次大型示范研究,广泛利用格网地图,进行空间统计分析。在资源、能源、城乡建设、环境保护许多行业中得到广泛应用。1985年,在国家科委主持下,申报了国家地理坐标系,明确了经纬格网与方里网络的转换关系,规定了陆地海洋统一编码的原则,获得国家标准局的批准,格网地图从而有了法律上的依据。

  数字地球与格网地图

  人造卫星进入太空,围绕地球轨道飞行,覆盖全球的对地观测成为现实,人类文明推进到了信息时代。不仅有通讯卫星、导航定位卫星,还有系列资源、环境卫星,分别对陆地、海洋、大气、生物等各圈层进行观测,夜以继日,周而复始。扫描的数据和图像,极大丰富。即使文山会海,人们也无法全部加以充分利用。由于卫星遥感具有全球覆盖、海量数据和学科多样性三大特点,很自然引出了“数字地球”的理念,并生成具有检索、查询、漫游、浏览功能的谷歌地球(Google Earth)、世界风云(World Wind)、地域生活(Local Live)……等对地球上分圈层的动态数字模拟系统。

  正如钱学森院士所指出:“地球是一个复杂的、开放的巨系统。”它需要全面地、系统地进行综合分析和系统集成,首先要在科学发展观的指导下进行微观分析,然后又在微观深入分析的基础上进行综合集成,才能深刻地认识地球系统的发生、发展规律,作出预测预报和预案,加强宏观调控能力,应对重大灾害链的突然袭击。但是,当前科学技术的发展,尚在“初级复杂的阶段”,百花齐放,分工很细。以中国科学院为例,20世纪50年代初,只划分数、理、化、天、地、生几个门类;生物地学同属一个学部;设有地质、地理、大气、海洋、植物、动物等研究所。而今分设了地学、生命科学、信息科学、技术科学学部;组建了山地、海岸、湖泊、沼泽(湿地)、黄土、荒漠、冰川、冻土等一系列新的研究所。对地球的认知更加深入了;地球科学的基础更加坚实了,但是,对整体生成的地球却缺乏系统的研究。地球各圈层之间的相互依存、相互制约、相互作用的关系,注意力度反而不够,遇到全球气候变化和自然灾害的连锁反应,仍然知之甚少,茫然手足无措!许多预警、预案都落了空。这些部门分割的数据定位、定量精度不同,定性分类不一。唯有采用多层次的格网,作为空间统计分析的共同基本单元,才能具有可比性,便于统筹协调。

  卫星遥感促进新一代格网地图的发展,还有另外两个重要的技术因素:一是能够以点定位的卫星定位导航系统,使区域地图测绘虽然自成体系,但不难纳入全国大地控制网的范畴;二是卫星遥感应用趋向于逐个像元(Pixel by Pixel)的数字分析,而像元可以看作是最基本的格网单元。采用格网地图,将是卫星遥感的历史的必然选择。

  最近,先进的格网计算(Grid Computing)技术已经开始与格网地图测绘(Grid Mapping)相结合,而且必将与时俱进,如虎添翼。在中国,以曙光A-4000计算机为节点的计算机网络已初具规模。彼此以通讯光缆或通讯卫星相连接,把分布式的数据库群连接在一起,无论实行部门串联或地区并联,都能达到信息资源和计算能力共享的目的。以北京为中枢,重庆、长沙、南京设有节点的中国教育网已经组成,并在全国2km×2km格网的地质制图实验中发挥了骨干网的作用。今天,曙光A-5000已经问世,更加强大的计算机群已列入中长期科技发展规划。格网计算网络技术的进步,很有可能促进格网地图更加迅速发展起来,成为研究和展示地球系统综合集成、空间模拟分析、面对应急反应、生态文明建设等国家重大战略需求的数字地图产品的全新一代,将是指日可待的。(作者系中国科学院资深院士,地图学家 陈述彭)


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