1. GIS：你能幫我做什么

　　“GIS是什么，能干什么？”，我想這個問題可能是困惑大多數GIS專業學生的問題，現在當然好很多，但在我們上學那會兒，完全是混混沌沌，不知道以后畢業了去干嘛，當人家很好奇地問起自己的專業時，也很難用只言片語跟人家描述清楚，那種學了n年還說不清自己專業的羞愧吶。。。直到后來Google Map、Google Earth橫空出世，當大家發現這玩意兒能在電腦上看到自己家房頂，找到玩轉世界那種“君臨天下”的感覺的時候，我們終于可以傲嬌地說，俺的專業就是做這個的lol（其實你懂得）。

　　當我們去查詢GIS的概念，一般都會這樣介紹——“在計算機軟硬件的支持下，對地理數據進行獲取、存儲、分析、顯示、輸出的信息系統。”

　　“那GIS不就是用計算機做地圖嗎？”

　　“GIS比計算機制圖高級，因為我們有數據庫支撐，我們還可以做空間分析……”

　　聽起來無所不能的GIS，但在很長時間里其實也只是停留在做出專題圖的階段，像圖1中的漸變色就很清晰的顯示出各省的男同胞的平均身高，各位可以很迅速地在心里得出自己有木有拖后腿的結論，再或者可以跟地圖交互查詢一下屬性，壓根兒用不到復雜的空間分析。

                                                                           圖1 中國各省男性平均身高

         那GIS究竟能做什么呢？首先就是收集地理信息，人類活動75%都與地理位置有關，比如想和男朋友找個電影院看電影，出差到一個陌生的城市找賓館，這些都是地理信息，通過GIS能有效地把這些都存儲起來，怎么存呢？excel嗎？那怎么和地圖關聯起來？這是后話，當然這些問題不太用我們用戶操心，業界大佬們早就定義好了地理信息的各種存儲方式，文件抑或數據庫都可以，我們只要按要求把信息錄入就可以了。

         收集到的地理信息，現在也只是電腦中的一堆表格，那怎么為人們所看到呢？這就是所謂的“可視化”了，各種圖表是信息可視化的產物，那地理信息可視化的產物就是“地圖”，當然地圖遠比GIS出現的要早，這位前輩是GIS重要的代言人，GIS可以方便地將收集到的信息在地圖上展示，如圖1用深淺變化的顏色表達身材的高低，如果收集到的信息還有女性的身高，分分鐘就可以再做出一幅類似的女性身高圖來。而即使你是一個繪圖高手，可以在CorelDraw、Illustrator甚至Photoshop中繪制出圖1，但卻很難再此基礎上立刻繪制出另一幅女性身高圖來。

         而空間分析其實離我們也并不遙遠，像大眾點評這樣的應用已經相當普及，我可以很方便地找到周邊的餐館，還有地圖導航，都是通過GPS裝置收集的你的地理位置之后，在地圖上找到正確的位置顯示，再進一步的實現諸如查詢搜索等功能。

2. 數據：有料才是王道

　　大體知道了GIS是什么，我們再來討論下圖1是怎么做出來的，身高之類的數據很好收集得到，可是地圖呢？讓我們追根溯源地想一想地圖究竟是怎么畫出來的，在沒有測繪，沒有RS，沒有GPS的年代，我們的老祖先們就是靠腳步來丈量土地，靠眼睛看到的來手繪地圖，而現在RS可以通過衛星來給地球拍照，GPS可以實時定位，雖然已經擺脫了“數據基本靠走”的時代，但是想得到數據還是要花費些代價，大多數地理數據還沒有開放需要購買，當然像圖1中這樣比例尺級別（第4部分我們會討論到）的地圖，還是很容易從網上得到，那我們下載后，就可以在GIS軟件中打開，將身高數據錄入，從而快速的做出一幅地圖來。

　　所謂“巧婦難為無米之炊”，數據才是王道，否則GIS系統就是一個空架子。對于數據而言，GIS有兩大基本存儲模型，一種是矢量數據模型，一種是柵格數據模型。如圖2所示，同樣信息的表達，在左邊的矢量數據中，我們看到的是清晰的點、線、面的實體，來表達河流、湖泊、地塊這樣的信息；而右邊的柵格數據中，我們看到的則是一個個的格子，相相同的像元值在地圖上展示出相同的顏色，從而也呈現出河流、湖泊、地塊的形態。雖然都能表達出一樣的信息，但是這兩種存儲模型是完全不同的，矢量是以對象為單位，我們可以把一個湖泊的面積等屬性都存儲在該對象中；而用柵格表達的話，湖泊是由一組像元組成的，我們不可能將整個湖泊的面積分別賦予每個像元。

                                                                     圖2 矢量數據模型與柵格數據模型

        網上公開免費的數據哪里可以下到呢？在美國數據的開放程度還是相當高的，像人口普查之類的詳細數據完全可以獲取到（http://thistract.com/），另外還有一些網站可以獲取數據：

全球90m分辨率的DEM（高程數據）下載：

http://srtm.csi.cgiar.org/index.asp

Natural Earth提供了全球1:10 000 000、1:50 000 000、1:110 000 000比例尺的矢量和柵格數據下載，格式為ESRI的shp、Geodatabase以及tiff：

http://www.naturalearthdata.com

Bathymetry是海洋深度的測量數據，在 British Oceanographic Data Centre 的網站上可以下到全球海洋深度數據：

https://www.bodc.ac.uk/data

Globe land cover facility提供免費衛星圖像，如Landsat、 Modis、 Ikonos、 Quickbird等，下載地址：

http://glcf.umiacs.umd.edu/

 　　對于中國用戶，開放的免費數據獲取途徑有限，國家基礎地理信息中心發布過全國1：400萬比例尺的矢量圖，詳細到縣級行政數據。另外，如果我們只是需要背景地圖顯示的話，可以不必獲取原始數據，而采用疊加地圖服務的方式。

3. 比例尺：地圖的親密愛人

　　早在晉代制圖學家裴秀就提出“制圖六體”的概念：分率、準望、道里、高下、方邪、迂直，首當其沖的分率指的就是比例尺。無論是我們購買的地形圖，還是我們在軟件中出圖，都要涉及到比例尺，對于地圖而言，比例尺是不可或缺的親密愛人。就像上節中我們提到Natural Earth提供了全球1：10 000 000的矢量數據下載，這里的1：10 000 000就是比例尺，它的含義是：地圖上任意線段長度與它代表的實地水平距離之比，也就是說如果地圖上兩點之間測量的距離為1mm，那么實地的距離則是10km。

　　簡單來講，地圖都是對現實世界的抽象縮小，比例尺就代表了抽象的程度。比例尺越小，抽象程度越高，表達的地物就少而簡單；比例尺越大，抽象程度低，表達的地物就越詳細。如圖3所示，同一個湖泊在較大比例地圖上以面來表示，可以看到湖泊的輪廓，而在較小比例尺地圖上就只是以線來表示。這個對地物進行抽象的過程存在于數據采集這個環節，對于采集到的數據，在軟件中我們是可以實現比例尺的無極縮放的，這時候改變的就不再是抽象程度，而是顯示的地理范圍了。

                                                                    圖3 不同比例尺對于地物的抽象程度

 　　我國規定1：5千、1:1萬、1:2.5萬、1:5萬、1:10萬、1:25萬、1:50萬、1:100萬八種比例尺地形圖為國家基本比例尺地形圖。編制這些地圖要么通過全站儀、經緯儀等大地測量的方式，要么通過航攝的方式。因此這里又要引入兩個概念：測圖比例尺和航攝比例尺。由于人眼在地圖上的分辨率通常為0.1mm，不同比例尺圖上0.1mm所代表的實地距離，稱為地形圖比例尺的精度，該精度決定了測圖比例尺。例如，某工程測量要能夠在圖上表達出10cm的精度，則選取的測圖比例尺應不小于0.1mm/10cm=1/1000。航攝比例尺與成圖比例尺的關系見下表（影像分辨率指的是影像所能識別出的最小地物單元的大小）

                                                                          表1  成圖比例尺與航攝比例尺及影像分辨率關系

 　　通過上表中的對比，我們可以發現成圖比例尺基本是航攝比例尺的4倍，為什么是4倍，原因是精度決定，4倍內的攝影照片就夠了，剛好不會出現馬賽克，如果將攝影比例尺確定得過小，造成圖像模糊不清，甚至出現“馬賽克”圖案，影響成圖質量；反之，將攝影比例尺確定得太大，“大材小用”造成不必要的資源浪費。

4.  坐標：究竟有多重要

　　很多時候碰到學員拿來這樣的數據，坐標值不正確或者沒有坐標系，無法和其他數據正確的疊加在一起顯示，無法設置比例尺，也無法做拓撲檢查之類的工作。坐標不正確的原因主要有：在用CAD等軟件作圖的時候沒有設立好正確的地理坐標系，或者數字化紙質地形圖或影像的時候沒有注意是否經過配準這一步驟；坐標系缺失的情況就更多了，導入數據的時候只導入了坐標值信息，或者數據格式轉換的時候忘記了指定坐標系。

　　而一個地物怎樣才能正確定位在地球上？答案是正確的坐標值加上坐標單位。讓我們暫時拋開地球是個三維球體，先來完成在平面圖上畫出一棟房子的任務，現在知道房子的幾個拐點坐標（1，1）（3，1）（3，4）（1，4）。首先我們必須要先確認的是坐標原點在哪里？其次還要有橫軸和縱軸以及單位刻度（房子的長寬是米，現在坐標軸的刻度單位也是米），那圖4中所示的就是房子應該在的位置。而地理數據定位也是同樣的原理，只不過大地坐標系的定義則是：以參考橢球體（用來模擬地球的光滑球體）中心為原點，本初子午面（英國格林尼治天文臺所在位置為本初子午線，即0度經線）為縱軸方向，赤道平面為橫軸方向，如圖5所示，紅色點的坐標就應該是（50，40），單位為度。

                                                    圖4 二維笛卡爾坐標系

                                                    圖5 大地坐標系

　　獲取正確的地理坐標究竟有多么重要？是不是我做一幅地圖所需的數據必須要知道正確的地理坐標呢？我們知道獲取坐標并不是一件相當容易的事情，草根的方法通常是在Google Earth上添加地標，通過KML這種格式導入GIS軟件生成矢量圖，官方的途徑就是通過購買了。但其實某些時候，坐標并不是我們所認為的那么重要，比如我要做景觀分析，研究一個村落的布局，在此基礎上做一些地圖，我想說，其實你真的不必為地理坐標困擾，找一個航拍圖片，沒有的話紙質地圖也可以，直接在上面描圖獲得數據，就像小時候大家大概都撕過課本封面上的透明薄膜疊在其他圖上描圖，原理是一樣的，只是你這時獲取的坐標是相對坐標罷了，既然我不需要和其他地圖疊加在一起定位，我又何必要關心地球坐標原點在哪里呢？    

5.  投影：神馬不是浮云

　　我們知道地球是一個形狀不規則的橢球體，那如果為地球畫一張平面畫像，那該如何盡可能真實地再現地球的真實面貌呢？前面我們了解到地理坐標系的定義：以球心為坐標原點，東西方向按經度劃分為360度，南北方向按緯度劃分為180度，也就是我們所說的WGS（大地坐標系）將地物進行還原，如圖6即是按經緯度直接描繪出的世界地圖。

                                                             圖6 未投影的世界

         一切看起來都很正常，正如有本書所寫“世界是平的”，但我們仔細一看就會發現問題，A1A2之間的距離和B1B2之間的距離在圖上看起來是相等的，但是實際上，位于不同緯度的相同經度差絕對是不相等的，位于赤道上的距離遠比位于兩極的要大很多，因此用上面提到的畫像方式來做平面地圖是不能很好地表達距離，方向之間的相對位置關系的，所以我們在制圖的時候才要引入投影，即將三維球面展現到平面地圖上，對于地圖來講，投影絕對不是浮云。

                                                                圖7 Albers投影

　　這里我們選取了Albers（等積圓錐投影），世界地圖立馬呈現出不一樣的形態，這里A1A2和B1B2之間的距離也發生了變形，因為投影是三維向二維的映射，所以必然會產生變形，我們可以為不同用途的地圖選取相應的投影方式來保證面積，方向或角度的變形最小。