化圆为方：与地球是圆的这一事实达成和解
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化圆为方：与地球是圆的这一事实达成和解
在平面屏幕上查看 WGS84 数据引发诸多思考
匿名 2015年4月1日，星期三
有时，思考与制图和地图学相关的问题时，参考地球仪会很有帮助。我喜欢地球仪。我一直很喜欢比例模型，还有什么比我们整个星球的微型复制品更令人印象深刻的呢？我们现在不像以前那样经常看到老式的、真实的地球仪了。如今，每个人都可以随时在桌面电脑、平板电脑或手机上打开一个虚拟地球仪。它们非常有用，因为它们让我们能够更好地可视化地理空间。
图片来自 明尼苏达历史学会，CC BY-SA 3.0
希腊化时期的天文学在公元前三世纪确立了地球是球形的物理事实。历史认为，古希腊哲学家克拉特斯是不久之后第一个设计出地球仪来代表地球的人。从那时起，两千年可能已经过去，但地球仪的实用性丝毫没有减弱，这仅仅是因为地球仪是唯一一种能在不扭曲大型地物形状或大小的情况下表示地球的方式。
地理坐标系允许我们对世界进行索引——即能够用一组坐标值来指定地球上的任何位置。地球仪表面上的任何点都可以用两个坐标值来标记，最常见的例子是纬度和经度。需要记住的关键是，我们讨论的是三维物体（如球体或椭球体）的二维表面上的一个点。因此，纬度和经度是角度坐标，这些值带有角度单位，例如度。纬度指定一个角度，用以确定给定位置距离赤道以北或以南有多远；经度则表示该位置在东西方向环绕地球的圆上所相交的角度。我们通常会在地球仪上方便地刻上恒定的纬线和经线（纬圈和经线）组成的交叉网格，称为经纬网。
图片：公共领域
地球仪确实使宏观情况变得非常容易可视化。但当然，我们通常不是以这种尺度来感知世界，而是在局部尺度上。不用说，我们日常的共同经验提供了一个框架，使得将世界——或者至少是我们其中的一小片区域——建模为平面变得很有吸引力。地图是人类的一项发明，其出现远早于地球仪。在拉斯科洞穴的墙壁上有一幅星图，其年代可以追溯到公元前16500年。更贴近现实的是，即使在最古老的年代，也存在着领土的地理地图。传统上，无论是在洞穴墙壁、羊皮纸、纸张还是计算机屏幕上绘制，地图都是平面的。出于许多原因，这样做更容易。“map”这个词本身来源于拉丁语术语 Mappa mundi，其中 mappa 意为餐巾或布，mundi 意为世界。因此，“map”一词成为指代任何二维世界表示的简称。
图片：公共领域
地图是极其强大的工具，但在它们提供的诸多优势和用途之中，也存在一个缺点。任何在平面地图上表示三维地球体的方式都会引入一定程度的变形，并且这种变形会随着地图表示区域的增大而不可避免地增加。地理学家所实践的最关键的艺术之一，就是选择合适的地图投影，以最好地适应特定地图的设计目的。一个好的地理学家会选择一种地图投影，能在适当的比例尺和范围内，最小化相关地理特征的变形。地理坐标系用于索引地球上的位置，而投影坐标系则用于在地图上定位位置。在地球上，坐标指定的是角度值，但地图坐标表示的是线性量，与米或海里等单位相关联。
图片作者：Stefan Kühn，CC BY-SA 3.0
地理坐标系的黄金标准似乎应该是世界大地测量系统，其最新修订版简称为 WGS 84。这是全球定位系统使用的参考坐标系，并定期用于制图学、大地测量学和导航等应用领域。它通常由欧洲石油调查组代码 EPSG:4326 表示。正是这个坐标系为全球栅格数据集（如 Google Earth、Celestia 和 NASA World Wind）上的地物提供了度量依据。我们很容易遇到使用此坐标系进行地理空间配准的数据。
我们很容易忘记，在计算机屏幕上查看此类数据的简单行为，实际上是对数据及其基于球体的地理坐标系进行的一种会导致变形的投影。实际上，这是最简单不过的投影，即等距圆柱投影，它的存在几乎和地球仪一样久远。基本上，该投影让经度代表 x 坐标值，纬度代表沿 y 轴的值。因此，经纬网形成一个规则网格，由恒定间距的垂直线（表示经线）和与其垂直相交的恒定间距的水平线（表示纬线）组成。这种投影会扭曲面积和形状，使其对于大多数导航或制图应用而言几乎没有用处。然而，这种在 x、y 地图坐标（想象图像像素）与地球上的地理位置之间存在的特别简单的关系，使得这种地理投影成为全球栅格数据集（例如前面提到的 Google Earth、Celestia 和 World Wind 所使用的那些）的某种标准。在处理这样的投影时，只需记住地球是圆的；有时想象它是平的只是图个方便。
图片作者：Strebe，CC BY-SA 3.0
