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数学科普知识是什么啊?

归档日期:06-16       文本归类:多光谱图像      文章编辑:爱尚语录

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  在科学技术高速发展的今天,人类对自己居住的地球面貌已愈来愈清楚明白。但是,人们对地球到底是什么样子的认识,是经历了相当漫长的过程的。

  古代,由于科学技术不发达,对地球的样子曾流传过许各传说和神话,人类只能通过简单的观察和想象来认识地球。例如,中国的古人观察到 “天似穹窿”,就提出了“天圆地方”的说法。西方的古人按照自己所居住的陆地为大海所包围,就认为“地如盘状,浮于无垠海洋之上”。大约从公元前8世纪开始,希腊学者们试图通过自然哲学来认识地球。到公元前6世纪后半叶,毕达哥拉斯提出了地为圆球的说法。又过了两个世纪之后,亚里士多德根据月食等自然现象也认识到大地是球形,并接受其老师柏拉图的观点,发表了“地球”的概念,但都没有得到可靠的证明。

  直到公元前 3世纪,亚历山大学者埃拉托色尼首创子午圈弧度测量法,实际测量纬度差来估测地圆半径,最早证实了“地圆说”。稍后,我国东汉时期的天文学家张衡在《浑仪图注》中对“浑天说”作了完整的阐述,也认识到大地是一个球体。但在其天文著作《灵宪》中又说天圆地平。这些都说明当时人们对地球形状的认识还是很不明晰的。

  从公元 6世纪开始,西方在宗教桎梏之下,人们不但不继续沿着认识物质世界的道路迈步前进,反而倒退了。相反,中国的科学技术这时却在迅速发展。公元8世纪的20年代,唐朝高僧一行派太史监南宫说在河南平原进行了弧度测量,其距离和纬差都是实地测量的,这在世界尚属首次。并由此得出地球子午线公里 ,比现代精确值大 21公里 。之后,阿拉伯也于 9世纪进行了富有成果的弧度测量。由此确认大地是球形的。但由于那时人类的活动范围很有限,其真实形状都没有得到实践检验。直到400多年前的1522年,航海家麦哲伦率领船队从西班牙出发,一直向西航行,经过大西洋、太平洋和印度洋,最后又回到了西班牙,才得以事实证明,地球确确实实是一个球体。

  但是,人类对地球的认识并未就此结束。随着科学技术的发展和大地测量学科的形成与丰富,人们观测和认识地球形状的方法和手段越来越多。三角测量、重力测量、天文测量等等都是重要手段。近代科学家牛顿曾仔细研究了地球的自转,得出地球是赤道凸起,两极扁平的椭球体,形状像个桔子。到 20世纪50年代末期,人造地球卫星发射成功,通过卫星观测发现,南北两个半球是不对称的。南极离地心的距离比北极短 40米 。因此,又有人把地球描绘成梨形。

  以上,对地球的认识,仍是根据局部资料和间接手段得来的。如果人们能远远地站在地球之外看地球那该多好! 1969年7月20日 ,美国登月宇宙飞船 “阿波罗”11号的宇航员登上月球的时候,就看到了带蓝色的浑圆的地球,有如在地球上观月亮一样。科学家们根据以往资料和宇航员拍下的像片,认为最好把地球看作是一个“不规则的球体”。

  至此,人类对地球形状的认识是否完成了呢?还没有。这是因为地球实在太大了!而且无时无刻都在不停地运转着、变化着。

  国家基础地理信息系统是以形成数字信息服务的产业化模式为目标,通过对各种不同技术手段获取的基础地理信息进行采集、编辑处理、存贮,建成多种类型的基础地理信息数据库,并建立数据传输网络体系,为国家和省(市、自治区)各部门提供基础地理信息服务。它是一个面向全社会各类用户、应用面最广的公益型地理信息系统。是一个实用化的、长期稳定运行的信息系统实体。是我国国家空间数据基础设施( NSDI)的重要组成部分,是国家经济信息系统网络体系中的一个基础子系统。

  国家基础地理信息数据库是存储和管理全国范围多种比例尺、地貌、水系、居民地、交通、地名等基础地理信息,包括栅格地图数据库、矢量地形要素数据库、数字高程模型数据库、地名数据库和正射影像数据库等。国家测绘局 1994年建成了全国1:100万地形数据库(注:含地名)、数字高程模型数据库, 1:400万地形数据库等;1998年完成全国1:25万地形数据库、数字高程模型和地名数据库建设;1999年建设七大江河重点防范区1:1万数字高程模型(DEM)数据库和正射影像数据库;2000年建成全国1:5万数字栅格地图数据库;2002年建成全国1:5万数字高程模型(DEM)数据库,并更新了全国1:100万和1:25万地形数据库;2003年建成1:5万地名数据库、土地覆盖数据库、 TM卫星影像数据库。现正在建立 全国1:5万矢量要素数据库、正射影像数据库等。各省正在建立本辖区1:1万地形数据库、数字高程模型(DEM)数据库、正射影像数据库、数字栅格地图数据库等,并正在进行省、市级基础地理信息系统及其数据库的设计和试验研究。

  地形数据库是空间型的 GIS数据库。它是将国家基本比例尺地形图上各类要素包括水系、境界、交通、居民地、地形、植被等按照一定的规则分层、按照标准分类编码,对各要素的空间位置、属性信息及相互间空间关系等数据进行采集、编辑、处理建成的数据库。根据国家基础地理信息系统总体设计,国家级地形数据库的比例尺分为1:100万、1:25万和1:5万三级。省级地形数据库的比例尺分为1:25万、1:5万和1:1万三级。

  全国 1:400万地形数据库,是在1:100万地形数据库基础上,通过数据选取和综合派生的。数据内容包括主要河流(5级和5级以上)、主要公路、所有铁路、居民地(县和县级以上)、境界(县和县级以上)及等高线:100万地形数据库的主要内容包括:测量控制点、水系、居民地、交通、境界、地形、植被等。

  该数据库利用 1:100万比例尺地形图分版二底图作为数据源,执行《国土基础信息数据分类与编码》(GB/T 13923-92)国家标准。

  全国 1:25万地形数据库共分水系、居民地、铁路、公路、境界、地形、其他要素、辅助要素、坐标网以及数据质量等十四个数据层。

  全国 1:5万矢量要素数据库是由水系、等高线、境界、交通、居民地等大类的核心地形要素构成的数据库,其中包括地形要素间的空间关系及相关属性信息。

  该数据库采用高斯克吕格投影,1980西安坐标系和1985国家高程基准,按6°分带。

  地名数据库是空间定位型的关系数据库。它是将国家基本比例尺地形图上各类地名注记包括居民地、河流、湖泊、山脉、山峰、海洋、岛屿、沙漠、盆地、自然保护区等名称,连同其汉语拼音及属性特征如类别、政区代码、归属、网格号、交通代码、高程、图幅号、图名、图版年度、更新日期、 X坐标、Y坐标、经度、纬度等录入计算机建成的数据库。它与地形数据库之间通过技术接口码连接,可以相互访问,也可以作为单独的关系型数据库运行。

  全国 1:25万地名数据库是一个空间定位型的关系数据库,其主要内容是1:25万地形图上各类地名信息及与其相关的信息,如汉语拼音、行政区划、坐标、高程和图幅信息等。

  该数据库设计了地名信息、行政区划信息、图幅信息、图幅与政区关系、地名类别对照、行政区划与政区代码对照六个表。前四个表为基本信息表,后两个表为辅助信息表。

  全国 1:5万地名数椐库是以最新版的1:5万地形图作为基础工作图,采用内业与有重点的实地核查相结合的地名更新方法,充分利用民政部门提供的全国及省级行政区划简册、地名录(志)、地 名普(补)查图等地名资料,以及最新的测绘成果,进行了全国范围建制村以上地名数据的核查与采集。共核查、采集1:5万地形图地名数据500多万条,数据量为1.2GB,更新地名近140万条,占全部地名的26.4%。数据库中县以上地名数据的现势性达到2002年底,街道办事处、镇、乡及建制村达到2000年底,其中9个省采用2001年撤乡并镇后的资料。

  数字高程模型数据库是空间型数据库。它是将定义在平面 X、Y域(或理想椭球体面j、l)按照一定的格网间隔采集地面高程而建立的规则格网高程数据库,简称DEM。它可以利用已采集的矢量地貌要素(等高线、高程点或地貌结构线)和部分水系要素作为原始数据,进行数学内插获得。也可以利用数字摄影测量方法,直接从航空摄影影像采集。其中,陆地和岛屿上格网的值代表地面高程,海洋区域内的格网的值代表水深。

  全国 1:100万数字高程模型数据库利用1万多幅1:5万和1:10万地形图,按照28.125×18.750(经差×纬差)的格网间隔,采集格网交叉点的高程值,经过编辑处理,以1:50万图幅为单位入库。原始数据的高程允许最大误差为10 -20米 。利用该数据内插国内任一点高程值的中误差,如下表所示:

  用于生成全国 1:25万数字高程模型的原始数据包括等高线、高程点、等深线、水深点和部分河流、大型湖泊、水库等。采用不规则三角网模型(TIN)内插获得

  全国 1:25万数字高程模型以高斯-克吕格投影和地理坐标分别存储。高斯-克吕格投影的数字高程模型数据,格网尺寸为 100m × 100m 。以图幅为单元,每幅图数据均按包含图幅范围的矩形划定,相邻图幅间均有一定的重迭。地理坐标的数字高程模型数据,格网尺寸为 3″×3″,每幅图行列数为1201×1801,所有图幅范围都为大小相等的矩形。

  1:5万数字高程模型利用全数字方法生产。部分采用1:5万数据库数据、采用ARC/INFO软件的TIN和GRID模块,生成 25米 × 25米 格网形式的全国 1:5万DEM。存储格式为ARC/INFO GRID。

  采用 6°分带的高斯克-吕格投影,1980西安坐标系和1985国家高程基准。

  数字栅格地图数据库是空间型数据库。它是已经出版的地图经过扫描、几何校正、色彩校正和编辑处理后,建成的栅格数据库。该数据库可管理 DRG的数据目录,支持数据分发。库体中存储和检索的最小单位一般是图幅,可按图幅/区域进行管理。

  全国 1:5万DRG数据库在空间上包含19000多幅1:5万地形图数据,覆盖整个国土范围约70~80%。

  正射影像数据库是空间型数据库。它是由各种航空航天遥感数据或扫描得到的影像数据经过辐射校正、几何校正,并利用数字高程模型进行投影差改正处理产生的正射影像,有时附之以主要居民地、地名、境界等矢量数据,构成的影像数据库。影像可以是全色的、彩色的,也可以是多光谱的。影像数据可以采用压缩方式存储以节约存储空间。其比例尺系列与地形数据库相一致。

  1:5万数字正射影像数据库是将扫描数字化的航空像片的影像数据,经逐像元进行几何改正,按标准1:5万图幅范围裁切和镶嵌生成的数字正射影像集而构建的空间影像数据库。其影像数据是按照1:2.5万地形图的精度进行生产,地面分辨率为 1米 ,同时具有地图几何精度和影像特征的图像。

  土地覆盖数据库是利用全国陆地范围 2000年前后接收的Landsat卫星遥感影像采集的,共计752幅(1:25万分幅),数据量约为12GB。土地分6个一级类和24个二级类,采用6度带高斯投影,包括栅格和矢量两种数据格式。数据库采用基于ORACLE 8i的ArcSDE和ArcMap平台进行管理,可满足检索、查询、浏览和分发服务的需求。

  航天航空影像数据库是利用各种航天航空遥感数据或扫描得到的影像数据为数据源而设计构建的空间影像数据库,其具有多时间分辨率、多光谱分辨率、多空间分辨率、多灰度分辨率等特征。

  航空影像数据库的内容包括航片扫描影像库、航片预览影像库、航片定位数据库和航摄文档参数数据库。数据库包括我国 50年代以来航空摄影资料,扫描精度不低于4μm。目前数据库正在建设中。

  卫星影像数据库就是利用遥感卫星对地观测的影像数据数据源,经加工处理、整合集成而形成的空间影像数据库。目前 TM卫星正射影像数据库业已建成,其数据源为LandSat7卫星ETM+传感器所获取的 15米 分辨率的全色影像数据和 30米 分辨率的多光谱影像数据,共包括覆盖全国陆域范围的 522景影像。正在建设的SPOT卫星正射影像数据库数据源为SPOT全色波段数据( 10米 分辨率)的覆盖全国陆域(除新疆和西藏的少数荒漠地区)的卫星影像数据。

  稍有中国近代史常识的人都知道有个叫利马窦的外国传教土。利马窦( 1552~1610年)原名玛太奥?利奇MatteoRICCi),意大利人。明朝万历十年(1582年),30岁的利玛窦受耶稣会的派遣来中国传教。利玛窦除了传教以外,还对西方的一些科学技术进行了传播。那么他在传播测绘、地理知识方面究竟有些什么贡献呢?

  一是绘制世界地图。他是第一个把西方的地图测绘技术和近代地图传播到中国的西方人。万历十一年( 1583年),利玛窦为了引起中国人的注意,在广东肇庆新盖的“仙花寺”内第一次把《万国全图》挂了出来。他给前来观看的人讲解,一边说、一边指点着地图,听讲的人都觉得非常新奇,想不到世界这么大。这幅图打开了人们的眼界,使中国人第一次看到了整个世界的缩影。《万国全图》上标有经纬度,绘成东、西两半球,陆地、海洋、南北极、赤道,都画得比较清楚。文字说明标在地图边缘,对各地自然环境、物产、社会风貌都有介绍。肇庆知府王伟看到这幅地图后,要求刻印,利玛窦表示同意。刻印前,他又把《万国全图》放大了,重绘纬度,图名改为《山海舆地图》,图上增加了适合中国人看的注释。这就是用中文刻印的第一张世界地图。后来,这张地图不断被翻印或摹绘,从万历十二年(1584年)至万历三十六年(160年)的25年间,竟刻印、摹绘了12次,流传很广。

  二是测量经纬度。利玛窦在来中国途中就沿途测量经纬度,在赤道处观测南北极与地平交角。他在北京、南京、杭州、广州、西安等地测量所得的经纬度相当准确,从而能修订出新图。用经纬度定位是由利氏介绍给中国人的。

  三是译定地名。由利氏的世界地图首创汉译的地名至今仍袭用的有:地球、南北极、北极圈、赤道、经纬线、亚细亚、地中海、尼罗河、罗马、古巴、牙卖加、加拿大、北冰洋、大西洋等。

  四是传播新地理知识。利氏将 15世纪、16世纪航海探险中发现的新地域均绘在图上,介绍给中国,过去中国人对西洋地理知识,至多仅达北非、西欧。此时已达南北美洲、非洲南部和大洋中的很多岛国。

  明太祖朱元璋于 1368年推翻元朝,建立明政权。明初洪武年间,进行了统一全国的战争,把元军的残余势力赶到了蒙古高原一带。但是,退居大漠以北的元人企图卷土重来,不断向南进犯。到了明朝后期,东北地区的清军强大起来,开始觊觎关内。因此明朝大修长城,设立边关,加强边防。在整军备战的过程中,总体上处于守势的明军绘制了多种用于防备的边防图。明代中期,倭寇的侵扰日益猖獗,东部沿海特别是东南沿海地区深受其害。为了抗击倭寇,用于加强海防的筹海图和江防图的绘制也颇受重视。这些边防图、海防图、江防图可以统称为战备图。明代战备图在一定程度上反映了明代军事制图的状况。

  明朝前期,修筑了嘉峪关到山海关的万里长城。沿长城东西一线的险要地带建立了辽东、蓟州、宣府、大同、太原、榆林、固原、宁夏、甘肃九个边防重镇,合称九边。九边图是明代陆地边防图的主要图种,流传下来的《九边图》《九边图论》《九边图志》较多。《明会典》记载了一幅《镇戍总图》和九幅《九边图》(边镇分幅图)。

  《镇戍总图》上绘有方格网,方向为上北下南,全国重要军镇的相对位置比较准确。《九边图》中各镇地图基本采用写景的绘制手法,突出军事要素。

  隆庆年间( 1567年—1572年),兵部尚书霍冀绘著了《九边图说》。之后,孙应元根据新资料,对《九边图说》作了补充修改。该图说“每镇有总图,以统其纲,有分图,以析其目”,可谓纲举目张。先图后说,一图一说,图说结合,边关形势一览在目,能够更加深入地了解九边防卫的细节,比如阵地的位置及其主次、攻守方向及其难易程度、驻军人数等。

  更值得注意的是,一些全国性地图不仅包含军事险要等内容,还有独立的边镇分图。比如明代杰出的制图学家罗洪先绘制的著名地图集《广舆图》就包含边防图。《广舆图》除了有一幅幅面大的总图外,还有分图百余幅,分为七类,其中包括九边类、诸边类、属国类等。这些地图对于了解与谋划边疆地区的防御作战无疑是重要的。崇祯八年( 1635年),在兵部职方主事陈祖绶的主持下,绘制了《皇明职方地图》。此图由兵部组织绘制,其军事色彩更加浓厚。

  元朝末年,国势渐衰,倭寇乘机劫掠我沿海地区。明初,倭寇又乘天下未定之机,肆虐我沿海。同时,葡萄牙、西班牙、荷兰的殖民者相继侵犯广东、福建、澎湖列岛和台湾,海防形势十分严峻。适应加强海防建设和整军备战的需要,海域测量受到重视,多种筹海(海防)图应运而生。其中以著名学者郑若曾编绘的《万里海防图论》和《筹海图编》最为著名。

  《万里海防图论》在明代的海防图籍中居首要地位,影响很大,后来海防图籍中的地图,多以他的海防图为蓝本。《筹海图编》是郑若曾在他原先绘制的《海防一览图》和《万里海防图论》的基础上精心编绘而成的。《筹海图编》图论结合,有 8开纸大小的地图114幅,首卷有1幅《舆地全图》,作为全书的统揽。72幅《沿海山沙图》是最多的种类,图上详细绘制了从广东、福建、浙江、江苏、山东到辽东沿海一线的海防设施,包括卫所、堡寨、烽堠、巡检司等,以及沿海岛礁等概略地形。卷二绘有《日本国图》《日本入寇图》各一幅,详细描绘了倭寇来犯的路线处重要地点还进行了标注。卷三到卷七,分别绘制了从广东到辽东沿海州府的地图。应该说,《筹海图编》及其多种海防图成为部署海防和谋划御敌的重要依据。据学者研究,颇具影响的兵书———茅元仪所著《武备志》刊载的《海防图》,就是源于《筹海图编》。

  还需要一提的是郑和七次下西洋绘制的《郑和航海图》。此图绘制了南京以下长江段、我国东海和南海直至印度洋波斯湾的航路以及沿海地形。原图采用写景法呈 “一”字展绘,收入《武备志》后改为从右至左顺序绘成40幅,其中国内18幅,国外22幅。图上标示了港湾、江河入海口、岛屿、礁石、浅滩、沙洲、沿岸城镇、卫所等设防地点以及可供导航用的山峰、塔、寺院、桥梁、旗杆等显著物标。陆上详细注记地名、国名等共500多个,水域中标绘航线条。此图对于研究西方殖民者的入侵路线,加强南海与东海的海防有重要的参考价值。此图被收入《武备志》,也说明了其军事价值。

  明嘉靖年间,海防废弛,守卫海疆的士兵流失过半,从事海外贸易的海商大贾勾结倭寇到沿海劫掠,甚至沿长江进犯扬州、南京,朝廷为之震惊。于是从嘉靖二十五年( 1546年)开始,明政府整治海防,开展抗倭斗争。在这种背景下,编绘了《筹海图编》的郑若曾又开始编绘长江防御图与太湖防御图。他带着两个儿子遍访江南的江防情况,写了著名的《江南经略》,其中包括46幅《江防图》和29幅《湖防图》,这些地图是明代江南江河湖泊(太湖)战备图的集中代表。

  郑若曾所绘《江防图》的范围主要为长江下游,西起今江西瑞昌县,沿江而下,东到长江口的金山卫,这个范围也是倭寇进犯可能到达的地方。《江防图》幅面为 16开纸大小,对江岸具有导航意义的山峰、寺院、塔楼等采用写景绘图法。图上重点描述军事要素,包括江防设施、哨所驻地、各营防区范围及其界线、倭寇出没路线等。图上注记文字较多,除了地名、山名、港名、寺名之外,还标注了防区的起止地点,不同巡司间的距离,巡逻水军的兵员多少、舰只数量、巡逻周期等。南京以东江段的地图更为详细。《江防图》被收入《武备志》。

  太湖地处江南,是倭寇从水路容易进犯的地区。郑若曾在《江南经略》中绘制的《湖防图》也被收入《武备志》。湖防图有 1幅8开纸大小的《太湖全图》和28幅16开纸大小的《太湖沿边设备之图》。前者描绘了太湖的全景,后者详细描绘了沿太湖周边的港渎及其防备情况。有资料统计,图上共有港渎等约250处,其中湖5个,渎104个,港101个,另有溪、浦、口、泾、门约40处。

  明代战备图为谋划边防、海防提供了不可或缺的资料。总体上看,明代的战备图属于中国古代 “制图六体”范畴的测绘传统。我们知道,计里画方是最典型的中国古代制图传统,从留存下来的战备图实物看(有的在刻绘过程中略去了方格线),大都采用了此种绘图方法,如《镇戍总图》上的方格网。地形、地物特别是具有军事意义的标志物,在战备图上除了采用符号表示外,许多采用了写景绘图法。比如海水,在海防图上大多用波纹线或鱼鳞纹表示;山脉则用凸起的山峰表示。而写景绘图法是古代常用的绘图方法。明代末期,来华传教的利玛窦带来了西方的测绘技术。西方测绘技术对明代的制作有所影响,但其带来的冲击直到清代才明显地显现出来。

  目测距离,就是根据视力、目标清晰程度和实践经验来判定距离。目测距离的基本方法有比较法和判断法。

  (l)比较法。就是把要测距离与某段已知距离(如电线杆距离、已测距离或自己熟悉的 100米 、 200米 、 500米 ……等基本距离)相比较以求出距离。也可将要测的距离折半或分成若干段,分段比较,推算全长。

  (2)判断法。就是根据目标的清晰程度来判断距离。在正常视力和气候条件下,可以分辨的目标距离可参考下表。但因各人的视力不同,使用此表时应根据自己的经验灵活掌握。

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