本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。
几周前，我正在撰写一篇关于爱因斯坦广义相对论的描述，我想将时空弯曲与地球构造板块的运动进行比较。地球表面没有任何固定的坐标，因为地表总是在不断变化。时空也是如此。但那时我想到了：如果没有任何固定的坐标，那么谷歌地图、汽车导航系统和所有其他地图服务如何把你带到你想去的地方呢？想必他们一定不断更新地点的坐标，但如何更新呢？
我本以为我可以快速地在谷歌上搜索到答案，然后继续研究爱因斯坦，但搜索结果却出奇地少。因此，就像我生活中令人沮丧地经常发生的那样，我以为只需30秒就能完成的事情，最终耗费了两天的时间。我发现地理学家、地质学家和大地测量学家建立了一个庞大的基础设施，致力于确保地图的准确性。但他们总是落后于不断变化的地形一步。地质活动可能会在您屏幕上的地图中造成重大误差。
我采访的人之一是美国地质调查局的肯·哈德纳特，他是一位地震研究员（和博主），他建立了一个最早的GPS网络来跟踪板块运动。“假设你正站在一个十字路口的中间，用你的GPS接收器获取你所在位置的坐标，”他说。“你看谷歌地球，你会发现你并没有正好位于十字路口的中间，而是偏移了一定的距离。”有几个因素会产生这些误差。消费级GPS设备的定位不确定性为几米或更多（在谷歌地图中用一个圆圈表示）。鲜为人知的是，地图和卫星图像通常也会有相当程度的错位。“部分原因是GPS硬件限制了精度，部分原因也可能是地理配准的质量，”哈德纳特说。
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一项有趣的，尽管有些过时的2008年研究调查了发达世界31个城市的谷歌地球图像，发现位置误差范围为1到50米。自己做实验并不难。左图显示了我站在后院平台时在谷歌地图上的位置——偏差约为10米，远大于标明的误差圈。当我查看谷歌地球并比较不同日期拍摄的图像时，我发现我的房子跳动幅度高达20米。
从宏观角度来看，这不算什么，但确实会让你对高缩放级别保持警惕。哈德纳特说，他在野外工作中经常看到地图错误。随着技术的进步，我们所有人也会进步。“我们正迅速接近这样一天，人们会期望他们的手持设备能够实时提供厘米级的精度，到那时，当事物不再对齐时，我们会看到很多人挠头，”位于马里兰州银泉市国家大地测量局的德鲁·史密斯说，他是美国首席民用大地测量师——是负责地球精确形状和尺寸的权威人士。
在大多数情况下，错位并不代表真正的地质变化，而是因为将航空或轨道图像放置到经纬度网格上很棘手。图像必须与地面上建立的参考点对齐。为此，NGS维护着一个固定的GPS站点网络，并在过去的两个世纪里，在陆地上散布了测量标记——通常是安装在裸露的基岩、混凝土桥墩和其他固定结构上的金属圆盘。左图显示了我家附近的一个测量标记。但是，地图地面实况验证的过程永远不会完美。此外，测量标记的坐标可能不精确，甚至完全错误。
NGS和其他机构非常不频繁地重新检查测量标记，因此，幸运的是，一个全新的业余爱好者社区——寻宝者——出于乐趣而这样做。“我们不再有钱做的许多事情之一就是派人出去确保这些标记仍然存在，”史密斯说。“寻宝者通过创造一种新的娱乐方式，即外出寻找这些标记，发送了大量的报告……。这对我们保持标记回收的最新状态很有帮助。”
误差也会偷偷溜进来，因为经纬度网格（或“基准”）不是上帝赐予的，而是必须固定在地球形状的模型上。这就是板块构造可以发挥作用的地方。令人困惑的是，美国使用两个独立的基准。大多数地图都基于NGS开发的NAD 83。谷歌地图和GPS则依赖于WGS 84，它由一个平行的军事机构维护，感谢爱德华·斯诺登，我们现在知道该机构拥有相当大的预算。民用基准针对北美境内的测量进行了优化；军用基准牺牲了国内精度以实现全球覆盖。
当NGS引入NAD 83，取代了可追溯到1927年的旧基准时，这相当于地理学版本的从儒略历到格里高利历的转变。如果你当时注意到了，你会发现在1988年12月6日醒来时，你的房子不再位于相同的经纬度上了。这种变化高达100米，反映了更精确的地球形状模型。旧基准的残余仍然存在。你仍然可以看到基于NAD 27的地图。此外，当美国海军在1960年代开发第一个卫星导航系统时，工程师们通过外推旧的北美基准来设置0度经度的位置。直到后来他们才发现，他们绘制的子午线比格林威治皇家天文台历史悠久的首子午线标记向东约100米。（格雷厄姆·多兰在他的网站上讲述了整个复杂的故事，该网站是关于子午线的权威参考。）
NGS及其军事对等部门曾合作对齐各自的基准，但此后这两个系统逐渐分离，导致地图和GPS坐标之间出现不匹配。板块构造是其中一个原因。WGS 84是一个全球标准，不与任何一个板块绑定。本质上，它固定在地球深处。大地测量学家试图将经纬度从任何特定板块的运动中分离出来，他们假设构造板块就像相互啮合的齿轮——一个移动，所有板块都移动——并且，如果你将它们的所有旋转速率相加，它们应该总和为零。不将坐标绑定到一个板块的效果是，测量位置以及基于它们构建的地图会随着时间推移而变化。
相比之下，NAD 83像一张铺在船甲板上的渔网一样，位于北美板块之上。随着板块移动，基准也随之移动。世界其他地区同样有自己的本地基准。这样，驾驶员可以找到方向，测量员可以在完全不了解大规模构造和极地运动的情况下绘制他们的地界线。“大多数测量员和地图制作者都乐于生活在一个板块不移动的世界里，”史密斯解释说。“我们无法解决这个问题，但我们可以修复基准，以便大多数用户不会感受到这种影响……。一般来说，堪萨斯州今年具有特定经纬度的点与10年前或10年后具有完全相同的经纬度……。我们试图使地球保持非动态。”
为了加深基准的差异，NAD 83尚未进行改造以考虑对地球形状和大小的改进认知。“我们目前正在使用一个非常自洽且内部非常精确的系统，但我们知道，例如，NAD 83的(0,0,0)坐标，它应该是地球的中心，偏差了大约两米，”史密斯说。NGS计划在2022年进行更新，这将使大陆上的点移动一米或更多（如本文顶部的图中所示）。
为了让测量员满意所做的权衡是，北美经纬度网格与世界其他地区的同步性越来越差（如左图所示，您可以看到北美板块如何围绕尤卡坦半岛上的一个点旋转）。“世界其他地区”包括南加利福尼亚，它横跨北美板块和太平洋板块。太平洋板块相对于北美其他地区，每年向西北方向蠕动几英寸。板块边界并不清晰，因此实际的移动量以复杂的方式变化。拉霍亚的加州空间参考中心拥有一个跟踪站网络，并定期更新该州参考点的坐标。“这就是测量员随后用来将自己与NAD 83联系起来的东西，”该中心主任耶胡达·博克说。上次更新是在2011年，另一次计划在明年进行。
与史密斯一样，博克表示，更频繁的更新实际上会使事情复杂化：“测量员不喜欢坐标改变，所以这是一种妥协。”对于局部划线来说，这没什么大不了的，但加州高速铁路系统等大型项目必须跟上构造运动。
地震期间事情显然会变得更加有趣。“地震所做的相当于你用剪刀所做的事情，如果你沿着断层线在地图上斜着切开，然后将地图的一侧相对于另一侧滑动，”哈德纳特说。例如，在谷歌地球中，转到棕榈泉以北，靠近1992年兰德斯地震震中的以下坐标：34.189838度，-116.433842度。调出历史图像，比较1989年7月和1994年5月的图像，你会看到沿着从框架左上角到右下角延伸的断层线的横向位移。穿过断层的阿伯丁路的对齐方式发生了明显变化。地震使断层附近的土地位移了几米。
GPS网络甚至可以实时看到地震。这是一个由加州大学伯克利分校的罗尼·格拉彭廷根据日本地理空间信息管理局的数据制作的2011年日本东北地震的震撼视频。震中附近的海岸线水平移动了高达4米。该视频还显示了在日本（乃至全世界）向外扩散的波浪。
对构造活动的调整需要时间才能渗透到地图中。我采访了卡里·克劳恩，她作为美国地质调查局国家地理空间技术运营中心的主任，负责制作户外运动爱好者喜爱的美国地质调查局地形图。她说地图每三年更新一次（即使这个速度也很难在预算削减的情况下维持）。在此期间，地图制作者认为，误差会被地图和GPS设备的不精确性所淹没。未来的地图可能会以更接近实时的速度更新。“我们现在拥有GPS技术，能够更频繁地进行这些微小的调整，”克劳恩说。作为一个依赖谷歌地图出行的人，我对此表示期待。但我内心浪漫的一面更喜欢看到过时的地图。它们永远不会让我们忘记我们星球的活力。
图表由国家大地测量局的迈克尔·丹尼斯提供；屏幕截图和照片由乔治·穆瑟尔提供