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無處不在的空間資訊:地圖中的世界–人文、科技、探索

在一般人的印象中,地圖總是印在紙上,記載著各地相關位置、地形、山川、地貌等各項資訊的平面印刷物;時至今日,它有了怎樣的變化?地圖中所包羅的資訊是否涵蓋得更廣?
 
 
 
你會使用地圖嗎?表面上,地圖和字典一樣,都是日常生活中的工具,地圖提供我們有關位置和地理環境的資訊,是生活的好幫手。然而,有關地圖的製作、使用與教學,也是一門學問,稱為地圖學。

「地圖學是有關地圖製作的藝術、科學與技術。」這個簡短的定義,說明了地圖學的幾個不同面向。有關地圖的學問,可以追溯到二千年前,因此地圖學稱得上是一門古老的學問。近年來,隨著資訊科技的創新,現代地圖的面貌也有了多元的發展,在地圖的各個不同層面上,有所變,也有所不變。本文從人文與科技層面,介紹地圖在人類生活中所扮演的角色及其最新發展,希望能引發讀者對於認識地圖的興趣。

地圖與文化

繪製與使用地圖,是人類文化活動的一環。古今中外的許多民族,分別有他們的地圖,許多民族不見得有文字,卻有著它們自己特殊的地圖。到目前為止,考古學家發現最古老的地圖,出現在現今的伊拉克,當年巴比倫的兩河流域。這些製作於四千多年前的地圖,是將地形、街道、聚落等地理環境刻劃在泥塊上,再進一步曬乾。

在太平洋中的馬紹爾群島,居民使用樹枝和貝殼編織他們的地圖,每一個貝殼表示附近海域的一個島嶼,枝條則是用來代表島和島之間的方向和距離。這些太平洋上的島民們,為了航海探險的需求,就地取材以貝殼和樹枝將各個島嶼的位置及其間的距離記錄下來。

生活在北極地區的愛斯基摩人,由於生活物資缺乏,常需要和環境搏鬥。早期的愛斯基摩人,利用在河流中找到的漂木,刻劃出許多大小形狀各不相同的木塊,並且將木塊漆上不同的顏色,然後再安置到海獅皮上,這些木塊分別用來標示島嶼、湖泊、沼澤、潮汐灘地等各種不同的地形和位置。

美洲的印地安人也有一些具有特殊風格的地圖。在印地安人所繪製的地圖上,地形資料出現的數量和類別比較少,準確度也不高,顯示他們對於河流、山脈等自然環境的敘述並不很重視,這特性和愛斯基摩人的地圖有明顯的差異。但是在另一方面,他們的地圖則含有極強烈的圖畫性質,這些圖畫記錄了他們族群的生活史。這種地圖,事實上反映了印地安人對於歷史性和社會性事件的關心。

這些地圖分別記錄了當時居民生活上的重要資訊。在十九世紀末期發現的地圖中,愛斯基摩人已經開始用鉛筆畫圖,雖然這些地圖的繪製並沒有使用到測量儀器,但是地圖上有關河流曲折的形態和數量卻非常準確,這可能意味著河川數量和複雜程度等自然環境是他們非常關心的。

就幾何層面而言,地圖上的距離不甚精確,然而科學家發現,地圖上的距離是愛斯基摩人依照步行所需的時間繪製的,這種距離一方面可能是反映他們並沒有精確的測量工具,所以只能以步行時間的長短估算距離,另一方面也可能代表他們所關心的距離是通行時間的長短,而不是實際地面距離的長短。對於馬紹爾群島島民而言,如果錯失了方向或距離,可能就因此喪失了捕撈到魚獲的機會,也可能就因此迷失了方向而永遠回不了家。

在兩河流域、馬紹爾群島、印地安部落、北極、中國、印度,不同地方、不同文明都出現了地圖。繪製和使用地圖的能力,是人類文明發展的一種必然結果。許多民族雖然沒有文字,卻有他們的特殊地圖,生活在不同地區的居民,所能用來製作地圖的材料和工具不同,然而他們利用地圖記錄生活中各種空間資訊的需求則是一樣的。至於各個地區的地圖所記錄的資訊內容為何,則又反映當時人們生活環境的需求。

早期的地圖,主要在記錄自然環境,然而隨著社會的多元化,地圖的內容越來越豐富,例如地籍、土地利用、選舉結果、犯罪率,幾乎任何和位置有關的資訊,都可以利用地圖來展現。此外,地圖本身也是一種研究的素材,例如地理學者透過不同時期和不同形式的地圖,整合之後用來分析該地區的聚落成長過程,而這樣的結果又可以用地圖再來呈現。

地圖研究的科學面

地圖繪製有其科學層面的要求,以地圖的投影轉換為例,這個既古老又新鮮的技術,就是地圖科學研究的一項基礎工作。地球是一個三度空間的球體,要將這個球體表面上種種現象轉換成平面的二度空間表現,這個過程是一個複雜的數學和地球科學的問題。

所謂「地圖投影」,是將地球表面上的球面座標,有系統地轉換為地圖上的二度空間平面座標,在這樣的投影過程中,無可避免地會造成角度、面積、距離、形狀等幾何扭曲的現象,如何發展一個幾何扭曲程度比較小的投影方法,也就成為一項科學難題。截至目前為止,雖已發展出超過三百種的投影方法,科學家仍在持續追尋新的方法。

地圖投影不只是科學,也有實際的應用價值。以水手在海上航行的工作而言,恆向線、大圓線等都是海上航行所必須的資訊,恆向線可以用來分析兩點之間的航行方向,而大圓線則是兩點之間的最短航行路徑。然而,這些資訊無法在地表上直接分析計算,拜地圖投影技術的發展之賜,這些資訊可以在某些地圖投影上取得。

十六世紀荷蘭地圖學者所發明的麥卡托投影,就可以在地圖上直接顯示兩點之間的方向,讓水手們精確地掌握通往目的地的方向;如果我們將光源擺在地球儀的中心進行投影,在投射出來的地圖上,大圓線是一條直線,水手可以輕易地找出兩地之間的最近路徑。這些地圖投影的發展,提供了航海所需要的重要資訊,也顯示科學發展的實用價值。

科技時代的地圖

這三十年來,資訊科技的急速創新也帶動地圖學的許多發展。一九七○年代,電腦開始用來改善傳統手工繪製地圖的作業,大大提升了地圖的繪製速度。例如,以繪製一張世界地圖所需的地圖投影工作而言,從球面經緯度座標到平面座標,可能需要牽涉到數百萬個點的座標轉換計算,這需要耗費好幾個月的功夫,然而這麼龐大的計算量,在電腦中卻是輕而易舉的事情,所以我們可以輕易製作大量的地圖。

隨著電腦地圖科技的發展,電腦的功能不只在於更快,也在於提供更多元的地圖,甚至顛覆了對地圖的傳統定義。一般人所熟悉的地圖,可能都還是紙張地圖,然而現代科技發展出來的地圖,具有著許多不同的形式,包括地球儀、衛星影像、地圖集、電腦螢幕上的影像等。以地形為例,傳統的紙張地圖以等高線、陰影圖來展示地形起伏,然而,在電腦系統中,地形的起伏就有好多種不同的展現方式。

例如彩色暈渲圖是將分層設色圖和暈渲圖加以套疊所產生的,這種圖既可以透過不同的色彩呈現大致的高度,也可以由暈渲圖的陰影效果顯示細部地形。其製作原理非常簡單,然而人工作業卻非常繁瑣,需要分別繪製兩種圖並加以套疊,受惠於電腦繪圖軟體的發展,這種圖的繪製已經日漸普及。

漁網圖則是利用立體網格呈現地形的高低起伏,其網格是由一條條橫向與縱向的剖面交織而成,這種圖雖然可以由人工繪製,不過因為繪製工作繁瑣,牽涉到大量的換算,所以這種表現方式的普及也是受電腦繪圖發展之賜。漁網圖可直接呈現地形的起伏、高度、坡度、坡向等。

立體地形圖表現方式的原理和漁網圖一樣,然而除了地形起伏之外,還結合衛星影像所提供的地面覆蓋資料,貼附在漁網圖之上,提供更逼真的地形展示效果。立體地形圖可以顯示地形的起伏,也可以呈現地面覆蓋的資料。

虛擬實境是新興的地形展示方法,可以在全球資訊網(WWW)上展現,最常用來建立虛擬實境的一種方式,就是利用虛擬實境標示語言(virtual reality mark-up language, VRML)進行開發。其所呈現的圖像類似立體地形圖,但是增加了使用者操控的動態展示及互動功能,使用者可以自由旋轉角度,從任意方向和距離觀察地形。受限於現有的網路頻寬和電腦計算速度,這種展示方式在初期的應用有限,然而隨著網路頻寬的提升,這種表現方式的發展潛力不容忽視。

在空中鳥瞰地面是認識地形的一種方式,然而飛機飛行的路徑、時間、高度有種種限制,拜電腦科技之賜,這樣的飛行經驗可以由電腦來模擬。飛行動畫是由一系列的三維(3D)立體圖所構成,以每秒數張至數十張的速率播放,其資料量和計算量的龐大可見一斑。製作飛行動畫時,必須先選擇一條觀景路線,利用電腦模擬飛行來產生路線沿途的連續景象,並且儲存下來成為一動畫檔案,就好像拿攝影機搭飛機拍攝影片一樣。

由於電腦的輔助,地圖已經不再局限於靜態的平面展現,也可以是動態、互動的呈現,使用者可以選擇不同角度、距離來觀察地表資訊。在這樣的展現背後,地圖不再是紙面上的點、線、符號,而是數值資料的結合,我們看到的影像都是一連串0和1的組合。今天的地圖學者,所處理的資訊已遠超過早期所有地圖學者所處理資訊量的總和,舉凡自然環境及人文社經的現象,都可以用地圖來顯現它們的位置及空間分布型態。

資訊時代的地圖

地圖的多元化,讓地圖可以出現在網路、光碟上,對於地圖資訊的傳播更為便捷,要查詢一條通往陌生地方的路徑,上網查詢就可以知道通往目的地的最短路徑。美國一家知名的維他命經銷商,在全美有數千家連鎖店,他們的顧客可以上網查詢住家附近的連鎖店位置,並且可以查詢如何到達這些連鎖店。這樣的功能並不局限在大型的連鎖店,一般的商店也已開始使用。

對於科學研究者而言,地圖的展示功能也在改變,一九九八年時任美國副總統的高爾所公開呼籲推動的「數位地球」概念,乃是要利用先進資訊與網路通訊技術,有效地蒐集、處理與利用這些源源不絕的地球偵察資料,更希望逐步擴及人類所能觀測到的所有其他星球資料,其目的在於建立一個涵蓋全球自然、環境、歷史與文化等各類訊息的虛擬應用空間。

這個數位地球網站的長期目標是要建立一個虛擬環境的界面,提供多元的互動性立體圖像,這項工程必須有大量的地圖資料為基礎。目前這個網站上已經有許多數值格式的地圖資料,供教學及研究運用,對於地圖的教育推廣及傳播有直接的貢獻。

各國政府機構使用地圖的情形日益普遍。日本的國土地理院專門負責地圖製作和供應,產品包括平面地圖和網路上的資料;日本一有火山爆發,他們的國土地理院網站,就會即時顯示火山爆發地區的地形資料,讓民眾可以充分掌握相關地區的資料,使得地圖的運用更為多元化。

目前國科會建構中的數位博物館計畫,即有數個網站利用電子地圖的概念來輔助查詢,包括玄奘西域行、臺灣文化生態地圖博物館、臺灣老照片博物館、淡水河溯源數位博物館等。這些網站的共同特性是,所呈現的資料需要結合座標位置資料,提供讀者以空間位置查詢相關屬性資料的功能,例如在地圖上點選某一個地點,然後由資料庫中找出這一點附近的相片或地圖。

探索地球

資訊時代各項科技的開發,對於地圖學的發展帶來許多新的可能。全球定位系統(GPS)和遙測衛星的發展,讓地圖資料的蒐集更為方便;大小如手機一般的GPS接收器,可以即時將所在地的座標顯示出來,並轉換到電腦中成為地圖資料的來源;太空中的衛星,可以顯示地表的溫度、氣候變化、土地利用型態,猶如空中的千里眼。地圖的內容不再局限於陸地,也可以包括海面下的地形地貌。

地圖資訊可以來自於衛星所拍攝的全世界即時環境狀況,也可以整合長期的地表環境資料,例如來自於大陸北方的沙塵暴,它們的行蹤就可以在美國國家太空總署(NASA)的地球寫真網站上取得。至於每一個颱風的路徑,只要在氣象局的網站上就可以輕易取得,這些不同形式的圖像,呈現了地表的種種訊息,都屬於廣義的地圖。新時代的地圖,可以讓我們坐在家中,就能夠掌握全世界的地理狀況,也可以整合不同時期的資料,真正讓時間和空間的資料結合。

十五、六世紀的西方探險家,藉由地圖的引領,逐步向海外進行探險,每一次的探險結果,則又開拓了他們的領域,並且豐富了地圖的內容。藉由地圖相關科技的發展,二十一世紀的現代人正進行著更大規模的地理探索,這些探索的範圍小到一個社區,大到涵蓋全世界,整合了現在跟過去,也預測著未來。隨著人類對於全球環境變遷的重視,地圖會是我們認識環境、發現地球的有力工具。
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