1.6单元 — 地图、地图投影与地理空间技术
每一张平面地图如何有意扭曲地球,标准的专题地图类型,以及GPS、遥感和GIS如何在本单元的收官课中协同工作。
本单元的每一课都曾顺带提到过地图——一张显示收入数据的等值区域图、一张展示功能区域的地图、一段展示空间格局的地图节选。这最后一课终于把地图本身当作主题:地图如何有意地扭曲现实,地理学家针对不同任务使用哪些类型的地图,以及现代数字工具——GIS、GPS和遥感——如何改变了地理数据的采集与呈现方式。这是第1单元自然而然的收尾,因为关于位置、地方、区域、尺度和人地相互作用的一切,最终都要在地图上得到呈现,也都有可能在地图上被扭曲。
不可避免的问题:把球体压平,不可能不产生扭曲
地球(几乎)是一个球体,任何平面地图都是把这个球体表面投影到一个平面上——而数学上可以确定的是,没有任何平面投影能够同时保留原始球体的每一个性质。总有某些东西会被扭曲:形状、面积、距离或方向。因此,每一种地图投影都是一系列权衡取舍的结果,牺牲某些性质的准确性以保留另一些性质的准确性,而制图者选择牺牲哪些性质很少是中立的——它能够左右读图者对不同地区相对大小或重要性的感知。
四种投影类型,按其所保留的性质分类
- 等角投影以牺牲面积为代价,保留形状和角度的准确性——墨卡托投影是其中最著名的例子。墨卡托投影很好地保留了局部形状,这正是它最初被设计出来、并至今仍真正有用于海上导航的原因,因为在墨卡托地图上画出的一条直线对应一个恒定不变的罗盘方位。它众所周知的缺点是严重的面积扭曲,而且越靠近两极这种扭曲越严重:在墨卡托地图上,格陵兰岛看起来与非洲大小相当,而非洲的实际陆地面积大约是格陵兰岛的十四倍之多。由于墨卡托投影长期以来被广泛用作通用的世界地图,这种特定的扭曲已经对公众感知赤道地区与高纬度地区的相对大小产生了真实的、有文献记录的影响。
- 等积投影以牺牲形状为代价,保留准确的相对面积——各地区相对彼此的大小是正确的,但它们的轮廓相比真实形状可能看起来明显被拉伸或压缩了。高尔-彼得斯投影是最常被引用的例子,它从上世纪七十年代起被明确地提倡作为对墨卡托投影面积扭曲问题的纠正,刻意按照真实的、更大的相对大小来显示赤道地区和南半球的大片陆地(非洲、南美洲)——这一选择具有真实的政治和文化共鸣,因为它直接反驳了一种在几个世纪里在视觉上贬低这些地区的地图惯例。
- 等距投影保留准确的距离,但通常只沿特定的线保留(例如从地图中心点向外延伸的线),而不是对地图上所有可能的点对都成立。这种投影适用于一些专门用途,例如测量从单一枢纽机场出发的飞行距离。
- 方位投影(或平面投影)从单一中心点出发保留准确的方向,特别适用于极地地区地图,或用于展示两座相距遥远的城市之间最短的("大圆")飞行航线——这条航线在墨卡托地图上往往看起来是一条弯曲的线,但在一张正确以该点为中心的方位投影地图上则是一条直线。
没有哪一种投影在某种绝对意义上就是"更准确"的——考试希望你能够把一种投影已知的优势,与制图者实际想要达成的任务相匹配,并解释为达成这一目标而牺牲了什么。
专题地图的类型
除了投影方式的选择之外,地理学家还会根据所要展示的数据类型,从几种标准地图格式中做出选择:
- 等值区域图在预先定义好的面积单元(州、县、国家)上使用阴影或颜色浓淡来表示某项统计数值——通常颜色越深表示数值越高。这是本课程中最常见的地图类型,经常被用来按地区展示人口密度、收入或选举结果等信息,而它恰恰也是最容易受到上一课所讲的可修改面积单元问题影响的地图类型。
- 点密度图(或点分布图)按被测量对象的固定数量放置一个点,并把这些点散布在该数量实际发生的真实位置上——一张人口点密度图可能每一万人放置一个点,大致放在这些人实际居住的地方,这样就能以等值区域图(受限于固定的行政边界)无法做到的方式,展现出真实的聚集与空白地带。
- 分级符号图在每一个被测量的具体位置放置一个符号(通常是一个圆圈),其大小根据该位置的数据数值而或大或小——一座城市的人口可能被表示为一个大小与该城市实际人口成比例的圆圈,让读图者能够直接比较具体的点位置,而不是被涂色的区域。
- 等值线图使用连续的线,把一个表面上数值相等的点连接起来,其原理与地形图上的等高线、或天气图上把气压相等的点连接起来的等压线相同——适用于那些在空间中连续变化、而不是被固定行政单元所束缚的现象。
- 变形图(统计地图)有意扭曲面积单元的大小或形状,以表示除实际陆地面积以外的某项统计数据——一张按选举人票数(而非陆地面积)绘制的美国变形图,如果罗德岛这样一个小州的选举影响力超过了它实际的陆地面积,就会把它显示得大得不成比例——这是一种真正有用(尽管在视觉上看起来很怪异)的方式,用来表示影响力、人口或经济分量,而不是物理地理面积。
地理空间技术:现代地理数据究竟是如何被采集和分析的
地图曾经完全是根据测量结果手工绘制的。三项相互关联的数字技术,已经彻底改变了地理数据的采集方式和分析方式:
- GPS(全球定位系统)是一个卫星网络,它让一台接收器能够通过测量信号从多颗卫星同时到达所需的时间,计算出自身精确的绝对位置。GPS是手机上日常位置服务背后的技术,它也是如今用来确立精确坐标、并把这些坐标输入到其他地理空间系统中的现代方法——这项工作过去需要极其费力的人工测量。
- 遥感是指在不与被研究区域发生物理接触的情况下,通常借助卫星或飞机,从远处采集有关地球表面的数据。遥感影像正是大多数现代制图工具背后卫星照片的来源,但它远不止于普通的照片——传感器能够探测到人眼无法看见的光波长和其他能量波段,这使得分析人员能够反复追踪植被健康状况、土壤湿度、森林砍伐或城市热岛格局等指标,覆盖广阔的区域,而且速度远远超过任何地面测量所能达到的水平。
- GIS(地理信息系统)是一种把地理数据以图层的形式存储、分析和显示的软件,这些图层可以被组合、比较,并一起被查询——人口图层、道路网络图层、洪泛区图层和土地利用图层都可以叠加在同一张底图之上并交叉引用,让分析人员能够回答那些从分开的纸质地图上极难解出的空间问题(哪些社区既容易遭受洪水又人口密集?)。GIS正是把GPS得出的坐标和遥感影像连接成一个单一、可查询的分析系统的技术,如今大多数专业的地理分析都以它为基础,从城市规划部门到追踪疾病暴发传播情况的公共卫生机构皆是如此。
在实践中,这三项技术构成了一条流水线:GPS确立精确坐标,遥感从远处采集这些坐标周边的影像和其他数据,而GIS软件则把二者组织成分层的、可分析的地图。考试有时会要求你把一个真实世界的情境(一个城市规划部门决定如何为紧急服务规划路线,一个研究团队在十年间追踪海岸侵蚀情况)与最适合它的具体技术相匹配,因此有必要能够具体说明每一项技术分别做什么,而不是把"地理空间技术"当作一个不加区分的单一工具来对待。
为第1单元收尾:为什么整个单元都在为此铺垫
本单元贯穿始终引入的每一个概念——五大主题、位置与区域类型、空间格局与扩散、尺度与可修改面积单元问题,以及人地相互作用——归根结底都是关于地理学家如何准确地描述和分析这个世界,而这最后一课正是这一切与用来实现这一目标的实际工具和表现形式相遇的地方。一张等值区域图的可信度,取决于它汇总所用的尺度;一种投影的扭曲程度,只有在你了解它是为保留哪种性质而设计的之后才会显而易见;一次GIS分析的有用程度,取决于地理学家选择纳入哪些图层。把本单元的全部词汇带着走——不仅仅是地图术语,还包括区域类型、扩散机制和或然论框架——正是让你能够以真正的精确度、而不是浮于表面的一瞥,去阅读剩余每一个单元中的地图、表格和数据集的关键所在。
练习:自由回答题(FRQ)
本单元的真实AP格式题目,每题均附完整模范答案及真实College Board阅卷人会给出的确切分数。点击题目即可查看答案——不是AI评分,而是按真实考试的评分方式。




