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[科普中國]-跋山涉水鉆管道,測繪畫圖敲代碼——我們地理信息博士都是斜杠青年!

我是科學(xué)家
原創(chuàng)

大家周末好呀!

有這樣一種博士,他們要么活躍在山野和城區(qū),上山、下水、爬樓梯,元?dú)鉂M滿;要么端坐在屏幕前,遨游在數(shù)據(jù)的海洋里,不知疲倦。他們的專業(yè)脫胎于測量學(xué),卻同時(shí)涉獵數(shù)學(xué)、地理、測繪、遙感、計(jì)算機(jī)等學(xué)科領(lǐng)域。他們與當(dāng)今的物流、電商、交通部門、醫(yī)療部門等等密切合作,為我們的便利生活添磚加瓦。

一起來看看地理信息博士的斜杠PhD養(yǎng)成記吧!

(**專欄中所涉及的內(nèi)容為嘉賓自身的經(jīng)歷,僅供參考,不同院校/專業(yè)/研究方向的博士在研究和生活方面都會(huì)有不同的體驗(yàn)喲**)

地 理信息系統(tǒng)的“前世” 我們這個(gè)專業(yè)實(shí)際上脫胎于測量學(xué),甚至可以說是測量學(xué)的現(xiàn)代形態(tài)——什么是測量學(xué)呢?一句話概括就是將現(xiàn)實(shí)世界的信息采集并加工后,提供給眾人做信息服務(wù),是將地理學(xué)從描述性學(xué)科變成理工科的基石。

舉個(gè)例子,相信大家都背過 “北冥有魚,其名為鯤……”的課文,而這段文字的出處——《山海經(jīng)》就是我國歷史上最著名的地理學(xué)著作之一。

但是這本書里僅僅是用文字做出的描述,配合上一些抽象的插畫,沒有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。但是行軍打仗,只靠這些文字,將領(lǐng)們?cè)趺粗贫ň_作戰(zhàn)計(jì)劃?所以就需要有把文字變成直觀圖像的辦法——那就是地圖。

上面這張古代地圖,就只能算是個(gè)示意圖,你不可能在地圖上看出榆中到靖遠(yuǎn)的距離到底是多少公里,原因就是因?yàn)樗鼪]有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

那么有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的地圖是什么樣的呢?其實(shí)大家小時(shí)候見過的交通旅游圖之類的地圖就是有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的了,它的顯著標(biāo)志就是擁有比例尺。所以在現(xiàn)代地圖上用尺子量一量榆中到靖遠(yuǎn)之間的距離,再按照比例尺放大,就能得到現(xiàn)實(shí)世界中榆中到靖遠(yuǎn)的大致距離。

在現(xiàn)代地圖上可以通過比例尺快速獲得榆中到靖遠(yuǎn)之間的大致距離。

那么地圖是怎么被賦予數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的呢?這就要?dú)w功于數(shù)學(xué)和測量學(xué)了。想必大家學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的時(shí)候都有學(xué)過數(shù)學(xué)映射,我們將現(xiàn)實(shí)世界的地理元素理解成集合A,將地圖理解成集合B,這兩個(gè)集合之間擁有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,且在A中各個(gè)元素之間的相對(duì)位置的關(guān)系,也會(huì)在B中被表現(xiàn)出來。

那么問題來了,現(xiàn)實(shí)世界中各個(gè)元素之間的相對(duì)位置關(guān)系,我們?cè)趺粗滥??答案就是通過測量手段獲取。舉個(gè)例子,假設(shè)你正在讀這篇文章的手機(jī)屏幕是矩形的,我說從你手機(jī)屏幕左下角的矩形頂點(diǎn)開始算,向右上方37度,5厘米處看一下,那么你憑眼睛就能大概找出來,如果借助量角器和尺子,你還能找到相當(dāng)精確的點(diǎn)。那么我現(xiàn)在換一個(gè)說法,還以剛才的點(diǎn)作為原點(diǎn),以你手機(jī)屏幕底邊為X軸,以手機(jī)屏幕左側(cè)邊為Y軸,找出坐標(biāo)點(diǎn)(X軸4cm,Y軸3cm)。發(fā)現(xiàn)了嗎,這兩個(gè)點(diǎn)其實(shí)是同一個(gè)點(diǎn)。

測量其實(shí)就是這樣,建立自己的坐標(biāo)系,然后從已知的位置出發(fā),通過距離、角度等數(shù)據(jù)去推算未知元素在坐標(biāo)系里面的位置,在現(xiàn)實(shí)世界中,坐標(biāo)的位置還有一個(gè)高度Z軸。知道了現(xiàn)實(shí)世界中各種地理元素的坐標(biāo),然后按照一定的數(shù)學(xué)公式計(jì)算,再將這些地理元素標(biāo)注到地圖相應(yīng)的位置,就完成了地圖的繪制(測繪就是如此概括測量與繪圖的)。

而這種對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)公式就叫做地圖投影,并且不同的地圖投影下,相同的地理元素們?cè)诓煌貓D上的位置也是有所不同的。篇幅所限這里就不做展開了。

一種地圖投影。

說起來,現(xiàn)實(shí)世界中除了位置信息外還有其它很多信息。比如一棟大樓,它不僅有位置的信息,還有材質(zhì),內(nèi)部構(gòu)造,住戶,施工單位,物業(yè)維護(hù)等等,這些信息要如何表現(xiàn)在地圖中呢?

(一棟大樓的材質(zhì),內(nèi)部構(gòu)造,住戶等等信息要如何表現(xiàn)在地圖中呢?圖片來源:Pixabay)

而以往的地圖的確是很難表現(xiàn)出來這些林林總總的信息的,理由很簡單——紙張有限畫不下。所以這棟樓的其它信息就只好交由別的部門登記造冊(cè)了。

地理信息系統(tǒng)的“今生” 直到上個(gè)世紀(jì)90年代,計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)突飛猛進(jìn),一些先行者們開始嘗試用計(jì)算機(jī)來繪制地圖,取代原先的手工繪圖。然后他們又開始嘗試將計(jì)算機(jī)圖形與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián),點(diǎn)擊某個(gè)圖形查詢的時(shí)候,除了位置信息之外,數(shù)據(jù)庫里儲(chǔ)存的其它信息也可以被查詢到,比如上面說的大樓里面的內(nèi)部結(jié)構(gòu),住戶,甚至某個(gè)住戶家里幾口人,工作單位等大家想得到和想不到信息里面都能儲(chǔ)存并查詢。

比如這張圖上點(diǎn)擊監(jiān)測站的點(diǎn),就可以查詢工業(yè)污染、生活污染等信息。地理元素的信息收集的越詳細(xì),數(shù)據(jù)量就越大,那么這海量的數(shù)據(jù)怎么管理?另外這些數(shù)據(jù)又有什么價(jià)值?這就是我的專業(yè)——地理信息系統(tǒng)要解決的問題。

所以我們專業(yè)平時(shí)干的事情,就是 戶外作業(yè)出去用測繪手段采集數(shù)據(jù),然后回來將數(shù)據(jù)繪圖并錄入數(shù)據(jù)庫,再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理,最后得出成果 。

這是我們的工作流程示意圖,由下向上。

這位同行在使用全站儀測繪。

這位同行正在使用GPS接收機(jī)采集數(shù)據(jù)。

各式各樣的數(shù)據(jù)都要輸入數(shù)據(jù)庫。

然后與代碼和BUG死磕。

最后就做出了一套管理地理信息的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。

地理信息系統(tǒng)可以做什么? 這些成果很多,手機(jī)導(dǎo)航只能算冰山一角,但這其中也牽扯了數(shù)字地圖的測繪,道路信息及商場、停車場、加油站、車站等其它地理數(shù)據(jù)的錄入數(shù)據(jù)庫及管理,導(dǎo)航路線的數(shù)學(xué)計(jì)算,而這一切都是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

除了這些,我們能做的事情還有很多,比如與人臉識(shí)別技術(shù)結(jié)合,可以在數(shù)字城市中繪制犯罪分子的行動(dòng)路線及時(shí)間;與公共衛(wèi)生部門合作,可以檢測傳染病流行趨勢(shì);與軍方合作,可以進(jìn)行信息化指揮系統(tǒng)建設(shè);與電商合作,可以直觀反映 哪里的人剁手最嚴(yán)重 區(qū)域購買力與購買偏好;與物流合作,可以直觀反映貨運(yùn)信息;如果所有的行業(yè)都跟我們合作,那么合作的產(chǎn)物就是傳說中的物聯(lián)網(wǎng)。

(地理信息系統(tǒng)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供支持。圖片來源:Pixabay)

我曾經(jīng)的一些師兄畢業(yè)之后去了阿里巴巴寫代碼,如今各位雙十一剁手,某貓,某寶查看自己寶貝物流信息的時(shí)候,那一個(gè)可愛的小車車在地圖上劃出的一道道軌跡,搞不好就有我?guī)熜謳熃愕墓?;國家某部委使用的某可視化管理系統(tǒng),就是我們專業(yè)某院士牽頭設(shè)計(jì)的;各個(gè)城市的道路通行狀況管理系統(tǒng)是我們專業(yè)設(shè)計(jì)的;

學(xué)習(xí)GIS專業(yè)有何挑戰(zhàn)? 作為應(yīng)用型交叉學(xué)科,GIS專業(yè)的特點(diǎn)但可以干的事情很多,根據(jù)側(cè)重不同,在同一個(gè)專業(yè)內(nèi)突破的方向可是千差萬別。

不過,學(xué)習(xí)這個(gè)專業(yè)也要面臨一些很尷尬的問題,那就是:寫代碼,我們不如計(jì)算機(jī)軟件學(xué)出身的人;搞測繪,我們比不過大地測量系出身的人;建數(shù)學(xué)模型,數(shù)學(xué)系簡直是吊打我們;比地理,自然地理學(xué)和人文地理學(xué)都比我們更深入,所以有時(shí)候就業(yè)的時(shí)候我們這個(gè)專業(yè)的學(xué)生就比較尷尬。

有句話說的好,不想當(dāng)廚子的裁縫,不是好司機(jī)。 原先地理學(xué)和測繪學(xué)不能解決的海量數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)可視化問題,我們能解決;計(jì)算機(jī)對(duì)地理知識(shí)隔行如隔山的困難我們沒有 。所以在解決地理問題的時(shí)候,側(cè)重地不同,今后的方向也就會(huì)非常不同。

比如側(cè)重計(jì)算機(jī)圖形學(xué),就可以將原本抽象的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)變成直觀的圖表,甚至是動(dòng)畫;側(cè)重測繪學(xué),就可以分析地理元素的空間分布規(guī)律;側(cè)重地理學(xué),就可以研究地理元素的時(shí)間分布規(guī)律;側(cè)重?cái)?shù)學(xué),就可以實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的新陳代謝算法,自動(dòng)更新。凡此種種,不一而足。

我為什么選擇GIS專業(yè)? 我自己選擇這個(gè)專業(yè),一是興趣使然,二是受父輩影響。家父是一位學(xué)者,受他的影響,我從小就有較強(qiáng)的好奇心和求知欲,喜歡探索新方法,而高中時(shí)期由喜歡計(jì)算機(jī)技術(shù),所以本科報(bào)考了計(jì)算機(jī)專業(yè)。本科快畢業(yè)的時(shí)候覺得如果僅僅當(dāng)個(gè)碼農(nóng)視野太窄,于是跨專業(yè)報(bào)考了GIS,并在這個(gè)過程中學(xué)習(xí)了測繪學(xué)和地理學(xué)的知識(shí)。

對(duì)于一個(gè)好讀書不求甚解的我來說,這種涉獵面廣泛的專業(yè)蠻對(duì)胃口的。于是,碩士時(shí)候偏向數(shù)據(jù)可視化,到了博士階段,又向定量分析方面進(jìn)發(fā)。

這種不斷有新鮮感的感覺蠻不錯(cuò)的,但是想要鉆精確實(shí)有相當(dāng)?shù)碾y度,而且對(duì)精力要求很大。我曾經(jīng)有一段時(shí)間每天睡眠時(shí)間不足三四個(gè)小時(shí),結(jié)果重病一場,差點(diǎn)丟了小命。做學(xué)問很辛苦,一點(diǎn)不夸張,但是成就感也是不小的。

好了,就說這么多,馬上又要到考研的日子了,最后祝愿每一個(gè)正在讀研和準(zhǔn)備讀研的同學(xué)都能保護(hù)好頭發(fā),身體健康,學(xué)業(yè)順利。

作者名片

編輯:Yuki

排版:小爽

題圖來源:pixabay