本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。
幾周前，我正在撰寫一篇關於愛因斯坦廣義相對論的描述，我想將時空彎曲與地球構造板塊的運動進行比較。地球表面沒有任何固定的座標，因為地表總是在不斷變化。時空也是如此。但那時我想到了：如果沒有任何固定的座標，那麼谷歌地圖、汽車導航系統和所有其他地圖服務如何把你帶到你想去的地方呢？想必他們一定不斷更新地點的座標，但如何更新呢？
我本以為我可以快速地在谷歌上搜索到答案，然後繼續研究愛因斯坦，但搜尋結果卻出奇地少。因此，就像我生活中令人沮喪地經常發生的那樣，我以為只需30秒就能完成的事情，最終耗費了兩天的時間。我發現地理學家、地質學家和大地測量學家建立了一個龐大的基礎設施，致力於確保地圖的準確性。但他們總是落後於不斷變化的地形一步。地質活動可能會在您螢幕上的地圖中造成重大誤差。
我採訪的人之一是美國地質調查局的肯·哈德納特，他是一位地震研究員（和博主），他建立了一個最早的GPS網路來跟蹤板塊運動。“假設你正站在一個十字路口的中間，用你的GPS接收器獲取你所在位置的座標，”他說。“你看谷歌地球，你會發現你並沒有正好位於十字路口的中間，而是偏移了一定的距離。”有幾個因素會產生這些誤差。消費級GPS裝置的定位不確定性為幾米或更多（在谷歌地圖中用一個圓圈表示）。鮮為人知的是，地圖和衛星影像通常也會有相當程度的錯位。“部分原因是GPS硬體限制了精度，部分原因也可能是地理配準的質量，”哈德納特說。
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一項有趣的，儘管有些過時的2008年研究調查了發達世界31個城市的谷歌地球影像，發現位置誤差範圍為1到50米。自己做實驗並不難。左圖顯示了我站在後院平臺時在谷歌地圖上的位置——偏差約為10米，遠大於標明的誤差圈。當我檢視谷歌地球並比較不同日期拍攝的影像時，我發現我的房子跳動幅度高達20米。
從宏觀角度來看，這不算什麼，但確實會讓你對高縮放級別保持警惕。哈德納特說，他在野外工作中經常看到地圖錯誤。隨著技術的進步，我們所有人也會進步。“我們正迅速接近這樣一天，人們會期望他們的手持裝置能夠即時提供釐米級的精度，到那時，當事物不再對齊時，我們會看到很多人撓頭，”位於馬里蘭州銀泉市國家大地測量局的德魯·史密斯說，他是美國首席民用大地測量師——是負責地球精確形狀和尺寸的權威人士。
在大多數情況下，錯位並不代表真正的地質變化，而是因為將航空或軌道影像放置到經緯度網格上很棘手。影像必須與地面上建立的參考點對齊。為此，NGS維護著一個固定的GPS站點網路，並在過去的兩個世紀裡，在陸地上散佈了測量標記——通常是安裝在裸露的基岩、混凝土橋墩和其他固定結構上的金屬圓盤。左圖顯示了我家附近的一個測量標記。但是，地圖地面實況驗證的過程永遠不會完美。此外，測量標記的座標可能不精確，甚至完全錯誤。
NGS和其他機構非常不頻繁地重新檢查測量標記，因此，幸運的是，一個全新的業餘愛好者社群——尋寶者——出於樂趣而這樣做。“我們不再有錢做的許多事情之一就是派人出去確保這些標記仍然存在，”史密斯說。“尋寶者透過創造一種新的娛樂方式，即外出尋找這些標記，傳送了大量的報告……。這對我們保持標記回收的最新狀態很有幫助。”
誤差也會偷偷溜進來，因為經緯度網格（或“基準”）不是上帝賜予的，而是必須固定在地球形狀的模型上。這就是板塊構造可以發揮作用的地方。令人困惑的是，美國使用兩個獨立的基準。大多數地圖都基於NGS開發的NAD 83。谷歌地圖和GPS則依賴於WGS 84，它由一個平行的軍事機構維護，感謝愛德華·斯諾登，我們現在知道該機構擁有相當大的預算。民用基準針對北美境內的測量進行了最佳化；軍用基準犧牲了國內精度以實現全球覆蓋。
當NGS引入NAD 83，取代了可追溯到1927年的舊基準時，這相當於地理學版本的從儒略曆到格里高利曆的轉變。如果你當時注意到了，你會發現在1988年12月6日醒來時，你的房子不再位於相同的經緯度上了。這種變化高達100米，反映了更精確的地球形狀模型。舊基準的殘餘仍然存在。你仍然可以看到基於NAD 27的地圖。此外，當美國海軍在1960年代開發第一個衛星導航系統時，工程師們透過外推舊的北美基準來設定0度經度的位置。直到後來他們才發現，他們繪製的子午線比格林威治皇家天文臺歷史悠久的首子午線標記向東約100米。（格雷厄姆·多蘭在他的網站上講述了整個複雜的故事，該網站是關於子午線的權威參考。）
NGS及其軍事對等部門曾合作對齊各自的基準，但此後這兩個系統逐漸分離，導致地圖和GPS座標之間出現不匹配。板塊構造是其中一個原因。WGS 84是一個全球標準，不與任何一個板塊繫結。本質上，它固定在地球深處。大地測量學家試圖將經緯度從任何特定板塊的運動中分離出來，他們假設構造板塊就像相互齧合的齒輪——一個移動，所有板塊都移動——並且，如果你將它們的所有旋轉速率相加，它們應該總和為零。不將座標繫結到一個板塊的效果是，測量位置以及基於它們構建的地圖會隨著時間推移而變化。
相比之下，NAD 83像一張鋪在船甲板上的漁網一樣，位於北美板塊之上。隨著板塊移動，基準也隨之移動。世界其他地區同樣有自己的本地基準。這樣，駕駛員可以找到方向，測量員可以在完全不瞭解大規模構造和極地運動的情況下繪製他們的地界線。“大多數測量員和地圖製作者都樂於生活在一個板塊不移動的世界裡，”史密斯解釋說。“我們無法解決這個問題，但我們可以修復基準，以便大多數使用者不會感受到這種影響……。一般來說，堪薩斯州今年具有特定經緯度的點與10年前或10年後具有完全相同的經緯度……。我們試圖使地球保持非動態。”
為了加深基準的差異，NAD 83尚未進行改造以考慮對地球形狀和大小的改進認知。“我們目前正在使用一個非常自洽且內部非常精確的系統，但我們知道，例如，NAD 83的(0,0,0)座標，它應該是地球的中心，偏差了大約兩米，”史密斯說。NGS計劃在2022年進行更新，這將使大陸上的點移動一米或更多（如本文頂部的圖中所示）。
為了讓測量員滿意所做的權衡是，北美經緯度網格與世界其他地區的同步性越來越差（如左圖所示，您可以看到北美板塊如何圍繞尤卡坦半島上的一個點旋轉）。“世界其他地區”包括南加利福尼亞，它橫跨北美板塊和太平洋板塊。太平洋板塊相對於北美其他地區，每年向西北方向蠕動幾英寸。板塊邊界並不清晰，因此實際的移動量以複雜的方式變化。拉霍亞的加州空間參考中心擁有一個跟蹤站網路，並定期更新該州參考點的座標。“這就是測量員隨後用來將自己與NAD 83聯絡起來的東西，”該中心主任耶胡達·博克說。上次更新是在2011年，另一次計劃在明年進行。
與史密斯一樣，博克表示，更頻繁的更新實際上會使事情複雜化：“測量員不喜歡座標改變，所以這是一種妥協。”對於區域性劃線來說，這沒什麼大不了的，但加州高速鐵路系統等大型專案必須跟上構造運動。
地震期間事情顯然會變得更加有趣。“地震所做的相當於你用剪刀所做的事情，如果你沿著斷層線在地圖上斜著切開，然後將地圖的一側相對於另一側滑動，”哈德納特說。例如，在谷歌地球中，轉到棕櫚泉以北，靠近1992年蘭德斯地震震中的以下座標：34.189838度，-116.433842度。調出歷史影像，比較1989年7月和1994年5月的影像，你會看到沿著從框架左上角到右下角延伸的斷層線的橫向位移。穿過斷層的阿伯丁路的對齊方式發生了明顯變化。地震使斷層附近的土地位移了幾米。
GPS網路甚至可以即時看到地震。這是一個由加州大學伯克利分校的羅尼·格拉彭廷根據日本地理空間資訊管理局的資料製作的2011年日本東北地震的震撼影片。震中附近的海岸線水平移動了高達4米。該影片還顯示了在日本（乃至全世界）向外擴散的波浪。
對構造活動的調整需要時間才能滲透到地圖中。我採訪了卡里·克勞恩，她作為美國地質調查局國家地理空間技術運營中心的主任，負責製作戶外運動愛好者喜愛的美國地質調查局地形圖。她說地圖每三年更新一次（即使這個速度也很難在預算削減的情況下維持）。在此期間，地圖製作者認為，誤差會被地圖和GPS裝置的不精確性所淹沒。未來的地圖可能會以更接近即時的速度更新。“我們現在擁有GPS技術，能夠更頻繁地進行這些微小的調整，”克勞恩說。作為一個依賴谷歌地圖出行的人，我對此表示期待。但我內心浪漫的一面更喜歡看到過時的地圖。它們永遠不會讓我們忘記我們星球的活力。
圖表由國家大地測量局的邁克爾·丹尼斯提供；螢幕截圖和照片由喬治·穆瑟爾提供