地图构建世界，
而非复制世界。
张 岸 · 中国科学院地理科学与资源研究所副研究员
格致论道第72期 | 2021年9月25日 北京
大家好，我叫张岸，来自中国科学院地理科学与资源研究所。今天我要跟大家交流一下地图是怎么画出来的。
大家可能会觉得：“地图还需要研究吗？地图不就是整天看着地球一笔一笔画出来的吗？”
其实画地图也是一门学问，它有严格的数学基础和科学的语言，甚至还要进行一些科学的变化。
所以著名的地理学家苏珊汉森曾经说过：地图是改变世界的十大地理学思想之一。
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下面我就带领大家穿越时空隧道，从远古回到现在，看一看人类是怎样一步一步利用地图来认识这个世界的。
公元前六百年，古巴比伦的人就在绘制他们心中的世界地图。左图是当时出土的陶片，右图是现在复原重绘的地图。它表现了当时古巴比伦人所认识的世界是怎么样的：地图中间有一个方框，那是古巴比伦城；城旁边有很多河流，也有很多小小的城邦；在它们周围有一个圈代表海洋。所以当时的人认为世界是以巴比伦为中心的，它被海洋所包围。
大概在中世纪，当时欧洲人发现了欧洲的南面是非洲，然后东面是亚洲。所以这幅地图是以东为上，亚洲在上面，欧洲在左下角，非洲在右下角，中间则被地中海、尼罗河等隔开，形成一个T字。因此这个图也被称为经典的“TO图”。
这张图在中世纪大概一千年的时间内都非常流行，也为人们所接受。
托勒密是一名古希腊的学者，他写过的著作《地理学》曾经被翻译成多国文字，广为传播。在文艺复兴时期，他所说的利用天文观测以及实地测量来绘制地图的思想又被复活了。
这是1482年绘制的托勒密世界地图。这张世界地图上已经出现了经纬线：横着的是纬线，竖着的是经线，经线在北极似乎是收拢在一起的。我们也可以在图上找到欧洲、非洲、亚洲，但是因为探索美洲的地理发现还没有开始，所以图上还没有美洲。
回到东方，我们看一看中国的地图是怎样的。明朝早期其实也制作了很多世界地图，其中有一幅叫《大明混一图》。这幅图中间占非常大面积的是当时的明王朝，周边这些国家都很小。这说明当时明朝的统治者认为中国是世界的中心，四周被海洋环绕，在他们未认知的世界中的都是很小的国家。
这种思想随着一位叫利玛窦的传教士的到来发生了改变。利玛窦是一位意大利传教士，他带来了先进的西方天文测量技术和方法，在中国做了很多实地观测。
利用他所带来的这些资料和西方先进的测量方法，利玛窦绘制了我国历史上第一幅接近现代世界地图版本的《坤舆万国全图》。
这幅地图大概是在1608年绘制的，它详细地记载了我们今天认知的五大洲四大洋等地理概念。地图上很多我们熟知的地名如欧罗巴、美利坚等等也是利玛窦翻译的。
时间推移到到19世纪50年代，这时我国还没有卫星，但是我国的地图学家陈述彭先生仿佛化身为一只在天空翱翔的大鸟俯瞰整个地球，凭着自己的想像绘制了《中国地形鸟瞰图》，这个图当时震惊了整个世界。
这是其中一幅地图，绘制的是华北平原，陈述彭先生畅想着自己在黄海上空翱翔，然后自东向西俯瞰。图中伸出来黄色尖角的这块是山东半岛，其中起伏的地方是泰山，再往前一点的绿色部分是广阔的平原，也就是华北平原，北京就在这里，再往前就是黄土高原。在当时，像陈述彭先生这样用想像来绘制地图可谓是难以想像。
如今天空中有很多遥感卫星每天固定地给地球拍照，利用这些遥感卫星数据我们可以绘制很多地图。这就是我本人参与的最新完成的《中华人民共和国影像地图集》，这个全国卫星遥感图是利用我国的“资源三号”卫星绘制的。
回到开始的问题：地图是用手一笔一笔画出来的吗？当然不是，地图经历了从手工制图到计算机制图的过程。
我们在地理信息技术、全球定位技术还有卫星遥感技术等技术的辅助下，完成了从纸质地图到电子地图的发展，所以我们今天其实更多是利用计算机进行工作。
这是我同事工作的场景。
如今我们要用大量的数据来驱动制图的流程。我们有很多底图数据库，包括底图库、色彩库、符号库、注记库等。也包括不同专题的制图数据库。比如说我们有包括人口、社会和经济等主题的人文数据库，也有包括地形、地貌、土壤和植被等主题的自然数据库。此外还需要有一套制图规范库才能科学严谨地制图。
有人会问：“地图绘制得这么科学，是不是地图就都是真的呢？”
其实有时地图也会说谎。
经常有人问“格陵兰岛和非洲是一样大的吗？”大家看，在Mercator正轴等角圆柱投影做的地图上，格陵兰岛是上图上方这个红色的区域，如果把格陵兰岛移到非洲所在的区域，它们似乎是一样大的。
但换一种表现方式的话，这也是一幅地图，用的Sinusoidal正弦曲线等面积投影，红色的区域同样是格陵兰岛所在的位置。如果把它移到非洲区域进行比较，它要比非洲小得多。到底哪个是对的？哪个地图在说谎呢？
其实，要把整个地球缩小到一个平面的纸质地图上的话，需要做大量的变化工作，其中一个工作就叫地图的投影。什么是投影呢？其实和掰橘子皮一样，橘子皮掰成一瓣一瓣后压平，就变成了一种投影。
我们有不同用途的投影，上图展示了三种投影。第一种叫平面的正射投影；第二种像一个锥，所以叫圆锥投影；第三种是一个圆柱，叫圆柱投影。
刚才那个让格陵兰岛和非洲差不多大小的投影采用的是墨卡托投影，它是一种圆柱投影，原理是把地球用一个圆柱包裹起来，假想中间有个光源照射出来，把地球表面投影到圆柱的表面上，然后再把圆柱的表面展开就得到了墨卡托投影的地图。
这种投影的特点是角度不会发生变化，今天的很多航海图、航行图用的都是这种投影。但是它也有缺陷，它的面积容易发生变形。
举个例子，假设我在赤道上有一个房子，中间这个圈就是我的房子的大小。如果用墨卡托投影来制作世界地图，同样面积的房子，把它移到北极就会变得非常大。所以地图有时也会说谎。
那么，如果选择的投影对了，地球就不会发生错误了吗？
其实如果选择错误的表达，地图也会说谎。
我想举的例子，是美国在2020年大选的时候大家可能经常看到的地图。
这张图哪个颜色占的比例大呢？红色的是共和党，也就是特朗普所在的党赢得选票地区的范围；蓝色是民主党赢得选票地区的范围。乍一看似乎是共和党赢了。
但是如果换一个方式表达，用各个州的选票进行统计，同样用蓝色表示民主党，用红色表示共和党，然后用圆圈的大小表示赢得选票的多少，大家就会发现这张图上蓝色比红色占得更多。
为什么会这样呢？
这是因为民主党赢得的是人口，那些人口分布的地区主要是城市，占地面积是很小的；而共和党赢得的是更大的地区范围，占地面积很大，但不是赢得了人口（选票）数量。
▲ 地图来源：viewsoftheworld.net
其实我们有更合适的表达方式，这种表达方式被称为变形地图，也叫cartogram，它通过变形把面积进行了一定的夸张，既保持相对准确的位置又能够相对正确地表现数量。上面这幅cartogram图中蓝色的面积就比红色的面积要大，同时它也表示了正确的数量关系。
怎么用地图发现世界呢？我想举两个例子。
第一个例子是约翰·斯诺发现了霍乱传播是与水有关系的。
约翰·斯诺是一位英国的医生，他也被认为是现代公共卫生学的创始人。在他所在的年代，即1850年前后，霍乱在伦敦爆发，也造成了大量的人口死亡。
约翰·斯诺发现，如果用红色的小十字架表示这些死亡人口的家庭住址，把它们画在一张地图上，它们似乎密密麻麻地集中分布在一个桔黄色的区域。
约翰·斯诺进一步发现，如果把水井都加上去，找出其中的一个水井，它周边的死亡人口非常集中。所以当时他就推测霍乱的传播可能跟水井或者下水道有关系。
他建议伦敦市政府把水井关掉，看一看有没有效果。政府把水井关了以后就发现，霍乱病毒逐渐被被消灭了。
这是一个用地图来帮助我们防御各种病毒的非常有名的例子。
第二个例子是地图引发的大发现，即魏格纳发现的大陆漂移学说。
魏格纳是一位德国气象学家，有一天他生病了，在看着墙上的地图时，他发现似乎非洲的西边和南美洲的东边是可以吻合的。
▲ 来源：https://iasbulletin.com/geography-ncert-class-11-chapter-4/
也就是这个动画所展示的：它们原来似乎是一整个大陆，后来突然就裂开了。所以他就提出了一个大胆的假设：大陆有没有可能漂移？
为了证明他的猜想，他对两岸的化石和岩层进行了考察，发现它们确实有很多的相似性。这在一定程度上证明了大陆漂移学说的可能性。
作为普通人，我们怎样才能通过地图发现我们身边的事情呢？
今天我们会用大量的软件进行地图的定位服务，用地图发现身边的美食或者是一个未知的地点。除了定位服务以外，地图其实还可以做很多有意思的事情。
英国一位科学家带领一群人调查了伦敦每一条街道上的声音。比如地图上红色的表示的是交通的声音，经常是一些比较繁忙的马路；绿色表示的是自然的声音，著名的海德公园就在这个图上标“2”的位置；蓝色的部分是人的声音，主要是住宅区发出的。
除了声音，气味也可以作图。英国的另一位科学家带领团队在荷兰的阿姆斯特丹街头，通过鼻子的嗅觉记录了每一条街道上的不同味道，最后绘制了阿姆斯特丹各种花在城市中的分布的地图。
我是一名跑步爱好者，我会用各种软件记录我的轨迹。我在想，如果把很多人的轨迹都收集起来，能不能做一张跑步的地图？确实可以。
我和宋柳依同学一起搜集了很多人跑步的轨迹。
然后我们展开了对每一条轨迹旁边的地理环境特征研究，包括植被的分布、地表的温度，以及各种景点、体育场所和公交站点的分布密度等，然后建立地图分析模型预测可能的跑步空间，预测北京哪个地方适合跑步。这些跑步的热点地区在右上地图上用红色表示，蓝色的是不太热点的地区。
有了跑步空间预测地图，我们进一步结合北京市的人口分布情况进行了分析。左图的横轴是适宜跑步的空间得分，竖轴是人口的密度。我们发现在红色框的区域有一些异常：这些地区人口非常密集，但又缺乏跑步的空间。
放到地图上一看，我们发现西三旗、望京这些地区就存在人口密集但没有跑步空间的问题。这些结果可能可以帮助城市规划部门来优化设计城市空间。
在跑步时，我们都是喜悦的、高兴的。我在想，能不能用情绪来做地图呢？当然也是可以的。
我们利用了北京市大概几百万条微博的数据，对每一条微博进行语义分析，判断它们是积极的情绪还是消极的情绪，然后确定它们是在哪里发的。
我们做了一些统计地图，地图上红色深的是人们乐观、开心的情绪，颜色浅的是相对不太乐观的情绪。通过这个图可以发现，在三里屯、天安门这些地方人们都比较开心，我们还可以在图中看到他们主要在说什么话。
穿越时空隧道，从地图的起源回到今天的地图，我们探寻了地图是怎样帮助人类认识世界、发现世界的。我想以“地图为人人，人人都制图”作为我的结语。
谢谢大家！
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