地图学基础与WebGIS设计与开发教程

地图是按一定的数学法则和综合法则，以形象-符号表达制图物体(现象)的地理分布、组合和相互联系及其在时间中的变化的空间模型，它是地理信息的载体，又是信息传递的通道。在古代就有绘制在瓷器、动物毛皮或岩石等载体上的地图，地图又被称为地理学的第二代语言。

地理信息系统(GIS)是以可视化和分析地理配准信息为目的，用于描述和表征地球及其他地理现象的一种系统，GIS又被称为地理学的第三代语言。GIS脱胎于地图，或者更准确地说GIS脱胎于20世纪60年代的机助制图系统。我们从地图和GIS这种同根生的关系可知，了解地图学基础知识可以为GIS开发奠定理论基础。

(一)坐标系

坐标系是用于定义要素实际位置的坐标框架，坐标是GIS数据的骨骼框架，主要分为地理坐标系和投影坐标系。

地球是一个不规则椭球体，地球表面是高低起伏不平的表面。在定义地理坐标系时，首先将地球抽象成一个规则的逼近原始自然地球表面的椭球体，称为参考椭球体，然后在参考椭球体上定义一系列的经线和纬线构成经纬网，用经度和纬度描述地理对象位置。一个地理坐标系包括角度测量单位、本初子午线和参考椭球体三部分。

在地图学中，对于地理坐标系统中的经纬度有三种描述:天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度。地图学中常采用大地经纬度。在大地经纬度中，地面上任意一点的位置，用大地经度和大地纬度表示。大地经度是指过参考椭球面上某一点的大地子午面与本初子午面之间的二面角，大地纬度是指过参考椭球面上某一点的法线与赤道面的夹角。大地经纬度是以地球椭球面和法线为依据，在大地测量中得到广泛采用。

(二)投影

地理坐标系是建立在椭球体基础上的，是从三维角度为地球上的每一点提供准确的位置，然而实际的地图是二维平面的，所以需要将椭球体按照一定的法则展开到平面上，这就需要进行投影。

将曲面直接展成平面肯定会引起破裂或褶皱，而用破裂或褶皱的平面绘制地图是不适用的。所以要想把地球表面的点转移到没有破裂或褶皱的平面，必须采用一定的方法来确定地理坐标系和平面坐标系的关系。从经纬度转换为平面坐标不可避免地会产生扭曲变形，地图投影的目的就是减少这种扭曲变形所带来的影响。

投影坐标系使用基于X、Y值的坐标系统来描述地球上某个点的位置，这个坐标系是从地球的近似椭球体投影得来的，所以每一个投影坐标系都有相对应的地理坐标系。

通常，投影坐标系由两项参数确定:基准面和投影方式。其中基准面主要取决于所采用的球体模型。

地图投影的种类很多，一般按照两种标准分类:一是按照投影的变形性质分类；二是按照投影的构成方式分类。

1.按投影变形性质分类

1)等角投影

等角投影又称正形投影，指投影面上任意两方向的夹角与地面上对应的角度相等。在微小的范围内，可以保持图上的图形与实地相似，但不能保持其对应的面积成恒定的比例；图上任意点的各个方向上的局部比例尺都应该相等；不同地点的局部比例尺，是随着经度、纬度的变动而改变的。(www.xing528.com)

2)等面积投影

顾名思义，等面积投影是指地图上任何图形面积经主比例尺放大以后与实地上相应图形面积保持大小不变的一种投影方法。保持等面积就不能同时保持等角。

3)任意投影

任意投影为既不等角也不等面积的投影，其中还有一类“等距(离)投影”，在标准经纬线上无长度变形。

2.按投影构成方式分类

1)几何投影

几何投影利用透视的关系，将地球椭球体面上的经纬网投影到平面上或可展为平面的圆柱面和圆锥面等几何面上，包括方位投影、圆锥投影和圆柱投影。根据投影面与球面的位置关系的不同，又划分为正轴投影、横轴投影、斜轴投影。

2)非几何投影

非几何投影又称解析投影，是不借助于辅助几何面，直接用解析法得到经纬度的一种投影。

目前，常用的投影有墨卡托投影(等角正切圆柱投影)、高斯-克吕格投影(横轴等角切圆柱投影)。

国际上现行的坐标系标准是WGS-84坐标系，我们平时常说的经纬度，从GPS设备、智能手机中读取的数据的坐标系，以及国际地图提供商使用的坐标系，都是WGS-84坐标系。而现行的网络地图基本上都是Web Mercator(墨卡托)投影坐标系，如谷歌地图、高德地图、腾讯地图等。

(三)比例尺

地图是现实世界的缩小，而地图图形的缩小程度则用地图比例尺来表示。地图比例尺是地图上的线段长度与实地相应线段长度之比。比例尺与地图内容的详细程度和精度有关。一般来讲，大比例尺地图，内容详细，几何精度高，可用于图上测量。小比例尺地图，内容概括性强，不宜于进行图上测量。一条河流在较大比例尺地图上以面来表示，可以看见河流的轮廓，而在较小比例尺地图上就只是以线来显示。

地图比例尺的表现形式有数字式(如1∶100000)、说明式(如图上1cm等于实地1000m)和图解式(分为直线比例尺、斜分比例尺和复式比例尺)。我国的国家基本比例尺地图有11种比例尺:1∶500、1∶1000、1∶2000、1∶5000、1∶10000、1∶25000、1∶50000、1∶100000、1∶250000、1∶500000、1∶1000000。