地圖學(一門科學)

地圖學是研究地圖的理論、編制技術與套用方法的科學，是一門研究以地圖圖形反映與揭示各種自然和社會現象空間分布、相互聯繫及動態變化的科學、技術與藝術相結合的科學。現階段對地圖學的定義是：研究地圖信息的表達、處理和傳輸的理論和方法，以地理信息可視化為核心，探討地圖的製作技術和使用方法的學科。

基本介紹

• 中文名：地圖學
• 外文名：Cartology
• 學科：地理，測繪科學與技術
• 核心：地理信息可視化
• 目的：地圖的製作技術和使用方法

歷史

地圖有將近4500年的歷史，再接下來的文章里，我們會先後就地圖的起源、發展歷程進行詳細的介紹。

起源

地圖的起源可追溯到4500年前，那時人們開始用各種方式，對自己周圍的環境進行空間圖像的原始記述。當時，地圖的製作材料有陶片、紙草，銅版、椰枝、石塊、獸皮等。現保存下來的最為古老的地圖是公元前25～前23世紀巴比倫人繪製在陶片上的地圖。

地圖學相關書籍

社會的發展、實踐的需要，尤其是源於埃及尼羅河季節泛濫和幾何學的誕生；中國黃河下游平原的農田水利，與築城工程對勾股弦定理和規矩等測繪儀器的套用，都推動了地圖的發展。

發展

中國《管子·地圖》篇，是最早論述地圖地理內容的專篇。馬王堆出土的西漢地圖表明中國古代地圖學理論與技術已達到相當水平。當時，東西方地圖的編繪和地圖學的發展，明顯地反映出海洋與大陸兩種不同的地理環境，以及農業與航海貿易兩種不同的社會生產的需求。

公元前四世紀，亞里士多德論證了地球是球形。以後有人開始測量地球的周長，並出現了圓柱地圖投影。公元二世紀，托勒密編著的《地理學指南》，附有27幅世界地圖，翻印達50版，在西方影響達一千年之久。公元三世紀，中國的裴秀編制了《禹貢地域圖》和《地形方丈圖》，提出了“製圖六體”， 這是中國古代關於地圖編制原理的最精闢論述，形成東方獨特的地圖技術途徑，在中國也影響了近千年。

托勒密與裴秀兩位古代地圖學家，按照數學法則建立的描述地理位置的經緯線和方里網，至今仍然是地圖數學基礎。通過16世紀東西方的交流，兩種坐標體系同時出現在一幅地圖上。法國的地形圖上出現了中國地圖上的方里網；中國的《大清一統輿圖》採用了西方地圖上的經緯線。

1405～1433年中國航海家鄭和七下西洋，反映下西洋情況的《鄭和航海圖》是中國現存最詳盡的古代航海圖，也在世界上開創了使用航海圖的先河。此後，航海圖也隨著葡萄牙、西班牙、荷蘭和英國等各國的航海探險和海上霸權的爭奪而得到迅速發展。

1569年，墨卡托設計正軸等角圓柱投影，第一次把東、西半球已知範圍展現在一幅地圖上。這種投影的地圖能為航海者進行直線導航，為航海圖所普遍採用，被命名為“墨卡托投影”，以後還出版了以他名字命名的地圖集。隨著航空和航天的需要，多種橫軸和斜軸的墨卡托投影相繼出現。墨卡托的工作被譽為16世紀歐洲地圖學的里程碑，他的地圖集開創了世界全圖的新投影，反映了當時歐洲地圖發展的特點。

與墨卡托同時代的、東方地圖集的先驅是中國的羅洪先。他繼承和發展了朱思本的輿地圖，完成了中國現存最早的地圖集《廣輿圖》。圖集採用劃一的24種圖例符號，以幾何圖案替代象形圖案，這是地圖集設計上的進步。羅洪先和墨卡托都以地圖集的形式，分別總結了16世紀以前東、西方地圖的歷史成就，承前啟後，對後代地圖發展產生的影響延續了數百年。

義大利傳教士利瑪竇在溝通東、西方地圖學知識方面作出了重要的貢獻。公元1600年以後，在中國學者的支持和合作下，他利用西方和東方的世界地理知識彙編成《坤輿萬國全圖》。該圖示有當時新發現的大洋和大洲等區域概念，以及地中海、羅馬、古巴、加拿大等中譯名；同時把張衡渾天儀上使用的南極、北極、赤道等名詞套用於地圖。

17世紀以後，歐洲各國經歷了工業革命，社會經濟有了較大發展。為了探尋海上通商航路、擴大殖民地，既需要航海圖，也需要實測的地形圖，以滿足開發工礦資源和土地資源，以及軍事戰爭的需要。為此，各國所進行的大規模地形圖測繪，成為近代地圖學的主流。

1791年，英國成立陸軍測量局。之後，西歐各國相繼建立研究編制地圖的國家機構，形成大規模的專業隊伍和規範化的技術體系，並陸續完成了本土大比例尺地形圖的測繪，其中如瑞士的《都孚》地形圖等就以精美細緻而著稱。

歐洲的地圖測繪技術，傳播到了中國後，清朝測繪了《皇輿全覽圖》和《大清一統輿圖》，這些奠定了中國近代地圖的科學基礎。19世紀中葉，中國採用梯形投影，繪製了當時較完善的亞洲地圖。

1909年，國際地理大會對地圖分幅、地形表示、城鎮分級、地名拼音等作出了統一規定。以後，又對分層設色、公制單位等標準作了修訂，並擬定了獨特的地圖投影和全球的統一分幅編號。這些措施對地圖的國際化和標準化產生了深遠影響，大部分國家也接受了地圖統一的國際分幅編號。地質圖、人口地圖、土地利用圖、森林圖和土壤圖的國際合作編制工作和分類，圖例系統標準化的研究，都取得很大的進展。地圖已進入工業化大生產和社會商品化的階段。

隨著自然科學的分化和內陸探險的深入，專題地圖的新領域不斷得到開拓。19世紀末，德國再版的自然地圖集，包括了地質、海洋、氣象、地磁、植物、動物以及人種的分布圖，反映出當時的科學技術水平。中國的楊守敬費時15年，在前人基礎上編制了《歷史輿地圖》，集中反映了中國歷史地理學的豐富遺產，解決了許多有關水道變遷、州郡遷移的爭論。

20世紀的地圖學，一方面繼承豐富的歷史傳統；另一方面又出現新的發展，即向綜合製圖方向發展。地圖的內容強調反映自然綜合體和社會經濟環境的相互作用，著重反映人地關係和環境生態效應。航空攝影、衛星遙感及計算機製圖的問世，使綜合製圖得到強有力的技術保障，地圖學發生了歷史性變革。

1932年第一次運用航空攝影製圖，它使人類可以脫離地面利用高空平台來測繪地圖，從根本上改變了近300年來形成的地形圖測繪生產過程。航空攝影測量幾乎完全取代了經典的平板測繪，廣泛套用於國家基本地形圖以及城市、農田水利、森林礦山的各種大比例尺地圖的測繪。

航空像片信息豐富，可利用紅外、天然色、假彩色紅外、微波等獲取多譜段圖像。通過判讀或圖像處理，用於編制地質、土壤、土地利用、森林資源等多種專題地圖。航空攝影還超越地理環境的障礙，特別是人類難以活動的海洋灘涂。沼澤、湖泊、高山和荒漠，從而獲得了原來地形圖尚未覆蓋的空白地區的地理資料。

航空攝影作為地理景觀的客觀圖像記錄，為系列地圖編制提供了統一的信息源，並反映了各種自然和人文地理要素在同一空間內的分布和相互聯繫。系列製圖從根本上解決了部門專題製圖統一協調的困難。如1969～ 1979年間，墨西哥採用分區彩色航空攝影，完成了全國1:50萬地形、地質、土地利用、土壤和土地潛力的系列製圖，建立了系統的國家土地檔案。

1972年，世界上第一顆地球資源勘測衛星發射成功，人類得以從外層空間來觀測整個地球。陸地衛星、氣象衛星和海洋衛星作為新型的地圖信息源，具有快速、準同步和大面積覆蓋的顯著特點，可提供空前巨大的信息量，使地圖學呈現新的發展。

20世紀70年代，以計算機的引進為標誌，地圖學進入資訊時代，為適應計算機及信息傳輸工具的需要，便於輸出、輸入、處理、存儲和更新，地圖開始出現數字信息的新形式。地圖概括理論和定量化研究，從本質上解決了地圖容量和清晰度問題。藉助地理數量方法的成果，為計算機輔助地圖製圖開闢了道路。計算機輔助製圖的迅速發展，從試驗階段過渡到了套用階段，它利用軟體系統解決了地圖投影變換、比例尺縮放和地圖地理要素的選取與概括，實現了地圖編輯的自動化。許多國家陸續建立了地圖資料庫。

在地形圖資料庫基礎上，歐美和日本等國又進一步發展了地理信息系統。這類系統具備多維信息複合功能，包括社會經濟統計、地面觀測站網記錄、地球物理場數據、多時相的遙感數據、以及多種專業的數學分析模型或地圖專家系統，具有進行數學模擬試驗和預測預報的功能。至此，地圖已不僅是描述和表達地理現象分布規律的信息載體，還是區域綜合分析研究的成果，即地理信息系統輸出的智慧型化產品。地理信息系統為地圖學的區域性與綜合性研究，提供了現代化的技術保證。

內容

地圖學的內容非常豐富，要想研究透徹不是易事，在這裡我們就地圖學的研究對象、研究內容、研究分支和套用進行相關介紹。

研究對象

地圖學的研究對象是地球表層各種自然與社會現象的結構與特性的空間信息，包括巨觀與微觀、具體與抽象、現實與歷史的所有空間信息。涉及地球科學、生物科學、環境科學的許多領域，而且隨著人類認識範圍的擴大，地圖學的研究對象正向外層空間和地殼深部延伸。

研究方向

地圖學的研究方向是：探討以地圖作為空間信息的載體與傳輸工具，依據數學法則，按照比例建立空間模型，運用符號系統和最佳感受效果表達人類對地理環境的科學認識；綜合分析自然與社會現象的空間分布、內在聯繫及其時間變化；研究地圖編制與套用原理、方法與工藝、技術。

研究分支

在地圖學的發展歷史中，逐步形成了地圖學史、地圖投影學、地圖美學以及地圖製圖學等若干分支學科和領域。19世紀後，又區分為普通地圖和專題地圖兩大領域，逐步發展為普通地圖學和專題地圖學。專題地圖學則更進—步發展，分化為多層次的各分支學科和領域。按用途劃分，則區分為通用地圖和專用地圖兩大領域。

結構體系

理論地圖學（地圖學的理論基礎），包括：地圖學概論、地圖模型理論、地圖信息理論、地圖傳輸理論、數學地圖學、地圖符號學、地圖感受理論、綜合製圖理論、製圖綜合理論；

地圖製圖學（編圖方法和技術），包括：普通地圖製圖學、專題地圖製圖學、遙感製圖學、機助製圖學、地圖制印學；

套用

套用（地圖套用的原理和方法），包括：地圖的基本功能、地圖的評價、地圖的實際套用、地圖分析的方法論、地圖分析利用步驟、地圖分析利用方法、地圖信息的自動分析與處理。

由於地圖套用領域的不斷開拓，使地圖分析與套用的研究更加深入。地圖方法已成為地學研究的重要手段。20世紀50年代以後，隨著航空攝影、衛星遙感、計算機技術等的套用和進步，地圖學出現了系列地圖、遙感地圖、機助製圖和地理信息系統等新的方法和形式。資訊理論、傳輸論、模式論、感受論等的引進，推動了地圖學的理論研究。現代地圖學逐漸從地理學和測量學中脫穎而出，其研究手段兼收並容空間科學和信息科學的最新成就，研究內容跨越著自然科學和社會科學的範疇。它越來越明顯地顯示出橫斷科學的性質。

現代地圖學是從資訊理論的觀點來研究地圖，地圖被認為是人類認識自然的信息載體，客觀存在的地理環境的概念模型。地圖作為一種信息載體，是指通過地圖的製作和套用過程，聚集大量有關自然和經濟現象的位置、形態、動態和內部聯繫的信息，進而加以濃縮、複製、存貯、傳遞，使讀者能感受、量測、理解和利用。

地圖學的任務，不能僅滿足於對地理圈各種原始測繪數據的粗加工；而是要注意開發高層次的知識密集型的產品設計。為巨觀規劃決策與工程設計、施工和效益評價，提供預測圖或預報圖。

進入21世紀後，現代地圖學的研究對象仍將繼續擴大。由於人類的認識正在從陸地表層向海洋、地殼深部和外層空間擴延。因此，今後則是建立適用於整個人類智慧圈的統一的空間坐標體系，作為海、陸、空以至天文的動態信息載體。目前我們已能看到多維動態地圖的曙光。

地圖作為一種文化工具，在人類的知識寶庫中，將與語言、藝術並存。從這個意義上說，對青少年加強地圖學的教育，培養他們空間圖像思維的能力，這對造就認識自然、改善環境的專業人材是必不可少的；對於增強青少年的愛國主義思想和樹立正確的宇宙觀也將是受益不淺的。

分類

普通地圖：地形圖、普通地理圖；

專題地圖：自然地圖、地質圖、地球物理圖、地貌圖、氣候圖、陸地水文圖、土壤圖、植被圖、動物圖、海洋地圖；

社會地圖：經濟地圖、行政區劃地圖、人口地圖、經濟地圖、工業地圖、農業地圖、交通運輸地圖、郵電通訊地圖、財貿金融地圖、第三產業地圖、教育與科研地圖、醫療保健地圖、文化地圖、歷史地圖；

環境地圖：環境污染與環境保護地圖、自然災害地圖、自然保護地圖、生態環境地圖、疾病與醫療地理圖、全球變化圖；

專用地圖：教學地圖、航海圖、航空圖、宇航圖、旅遊地圖、公路交通圖、水利地圖、傳媒地圖、軍事地圖；

特種地圖：數字地圖、立體地圖、螢幕地圖觸覺地圖（盲文地圖）、 塑膠何絲綢地圖、工藝品地圖、發光地圖、縮微地圖多媒體電子地圖、網際網路地圖；

地圖集與系列地圖：地圖集、系列地圖；

地圖搜尋：與普通搜尋模式相比，地圖搜尋顯得更加形象，像逛街一樣，方便快捷。

理論

由於地圖學與自然科學、社會科學、系統科學、信息科學、思維科學、人體科學、行為科學、藝術科學等有著交叉及關聯關係，它們的研究成果為地圖學的發展提供了理論基礎和技術支持，並促進了地圖學理論研究的進展。

資訊理論

地圖信息表現為圖形幾何特徵、多種彩色的總和及其相互聯繫的差別，可以說地圖信息是以圖解形式表達製圖客體和其性質構成的信息。地圖資訊理論就是研究以地圖圖形表達、傳遞、貯存、轉換、處理和利用空間信息的理論。該理論有助於認識地圖的實質，並深化了對地圖信息的計量方法的研究。

傳輸論

是研究地圖信息傳輸的原理，過程和方法的理論。該理論認為：客觀環境——製圖者——地圖——用圖者——再認識的客觀環境構成了一個統一的整體。客觀環境被製圖者認知，形成知識概念，通過符號化變為地圖，用圖者通過符號識別，在頭腦中形成對客觀環境的認識。這個過程是一個地圖信息流傳輸的過程，地圖製作和使用都包括在這個傳輸過程中；地圖符號能有效傳輸地理信息，但傳輸過程中會受到“噪聲”干擾。該理論對於地圖最佳製作和地圖有效使用具有積極作用。

符號學

是研究地圖符號系統的構圖基礎，感受方式及其設計使用的科學。提出了六種視覺變數：形狀、亮度、色彩、尺寸、密度和方向是地圖符號系統的構圖基礎；四種感受方式：組合感受、選擇感受、等級感受和數量感受是製圖過程中的視覺特點，該理論對於地圖符號設計和地圖生產有較大影響。

模型論

是研究如何建立再現的客觀環境的地圖模型，並以地圖數學模型來表達的理論。該理論認為地圖是客觀世界的模擬橫型。此模型是製圖者的概念模型，並可用數學方法表達，經過抽象概括的製圖對象的空間分布結構。該理論對於深入認識地圖的實質，並對推動數字製圖的發展有重要作用。

認知論

是研究人類認知地圖獲取信息的手段，原理和過程的理論。該研究有兩項成果。一是“地圖認知環”學說，認為用圖者首先接受到圖像地圖客體，進而在頭腦中進行信息處理， 獲取，然後據已有知識對所獲信息進行加工，從而產生頭腦信息圖；再進一步通過對實地地理現象進行研究，最後得到所認知的地理實體，完成一輪認知環。二是“多模式感知和認知理論”，是指在虛擬地圖環境下，用多種認知手段(如視覺、聽覺)分別獲取知識，並將其加以比較和想像處理，進而形成各自的知識庫(如視覺、聽覺知識庫)，最後將各知識庫融合，產生綜合知識庫。該理論對製圖手段、多媒體技術、虛擬現實技術的結合使用有重要意義。

感受論

是研究地圖視覺感受過程的物理學、生理學和心理學方法，探討地圖是如何被用圖者有效感受的理論。研究內容有分級符號、網紋和等值灰度梯尺的視覺效果，色彩設計客觀性、視覺感受與 圖形構成的規律、特點等。該理論對於地圖設計有重要意義。

發展趨勢

智慧型化：包括地圖信息源信息獲取，地圖製作過程和地理信息表達的智慧型化等。

虛似化：地圖學將來表達的製圖對象不一定都是實體的客觀存在，很多內容將是虛擬的、模擬的、多維仿真式的。

功能多極化：地圖功能從表達地理客體規律特徵，擴展到知識發現、空間分析、動態顯示監測、綜合評價、預警預報等。

主客體同一化：隨著科技發展，促進地圖製作技術的不斷改進和創新，地圖製作將越來越簡單，故既是地圖製作者又是地圖使用者將漸趨普遍，使主客體同一化。

全球一體化：隨著數字地球戰略的實施和推進，將實現全球化的地圖無縫拼接和全球資訊網聯通，使地圖在表達地球和研究地球方面，都可以整體化，全球 一體化形式出現。

地圖、RS、GIS和GPS 一體化：資料庫是連結數字地圖、RS、GIS、GPS技術的共有基礎，隨著這些科技手段的不斷發展，將使其在信息科學的範疇內不斷融合併趨向一體化，為地球信息科學、數字地球的成熟發揮作用。

關係

地圖學作為區域性學科，它的主要基礎就是地學。所有這些如地理學、地學、生物學、環境科學等區域學科的野外實地勘測、調查都離不開地圖。各用對象又是地圖學的研究對象。