Картография местности - Terrain cartography
Картография местности или картографирование рельефа - это изображение формы поверхности Земли на карте с использованием одного или нескольких из нескольких разработанных методов. Рельеф или рельеф является важным аспектом физической географии , и поэтому его изображение представляет собой центральную проблему в картографическом дизайне , а в последнее время - в географических информационных системах и геовизуализации .
Профили холмов
Самая древняя форма рельефного изображения в картографии, профили холмов - это просто изображения гор и холмов в профиль, помещенные соответствующим образом на обычно мелкомасштабных (широкая зона покрытия) картах. Сегодня они редко используются, разве что как часть «античного» стиля.
Физико-графическая иллюстрация
В 1921 году А. К. Лобек опубликовал «Физиографическую диаграмму Соединенных Штатов» , в которой использовалась усовершенствованная версия техники профиля холма для иллюстрации распределения форм рельефа на мелкомасштабной карте. Эрвин Райс развил, стандартизировал и обучил этой технике, которая использует обобщенную текстуру для имитации форм рельефа на большой площади. Комбинация профиля холма и затененного рельефа, этот стиль представления местности одновременно идиосинкразичен своему создателю - часто раскрашенный вручную - и полезен для иллюстрации геоморфологических закономерностей.
План косой рельеф
Совсем недавно Том Паттерсон разработал компьютерную технику картографирования местности, вдохновленную работами Райса, получившую название план косой рельеф . Этот инструмент начинает с закрашенного рельефного изображения, затем смещает пиксели на север пропорционально их высоте. В результате горы «встают» и «перекрываются» элементами на севере, так же, как профили холмов. Некоторым зрителям эффект легче увидеть, чем другим.
Hachures
Hachures , впервые стандартизованный австрийским топографом Иоганном Георгом Леманном в 1799 году, представляет собой форму штриховки с использованием линий. Они показывают ориентацию склона, а по своей толщине и общей плотности дают общее ощущение крутизны. Поскольку они не являются числовыми, они менее полезны для научных исследований, чем контуры, но могут успешно передавать весьма конкретные формы местности. Они особенно эффективны при отображении относительно невысокого рельефа, например холмов. Он был стандартом на топографических картах Германии вплоть до 20 века.
Было предпринято несколько попыток воссоздать этот метод с использованием цифровых данных ГИС, но результаты были неоднозначными.
Контурные линии
Во- первых , разработанный во Франции в 18 - м веке, контурные линии (или изогипсы) являются изолинии одинаковой высоты. Это наиболее распространенный способ количественной визуализации высоты, знакомый по топографическим картам .
Большинство национальных съемок 18-го и начала 19-го веков не фиксировали рельеф на всей территории покрытия, а рассчитывали только точечные отметки в точках съемки. Геологическая служба США (USGS) топографическая съемка карты включена контур представление рельефа, и поэтому карты , которые показывают облегчение, особенно с точным представлением возвышения, стала называть топографическими картами (или «топографической» картой) в Соединенных Штатах , и использование распространилось по всему миру.
На картах, выпущенных Swisstopo , цвет контурных линий используется для обозначения типа грунта: черный - для голых скал и осыпей , синий - для льда и подводных контуров, коричневый - для земли, покрытой землей.
Контуры Танака (рельефа)
Танака (рельеф) Контуры метод представляет собой метод , предназначенный для освещения контурных линий для того , чтобы помочь визуализировать местности. Линии выделяются или затемняются в зависимости от их отношения к источнику света на северо-западе. Если изображаемый объект будет затенять часть контурной линии, этот контур будет представлен черной полосой. В противном случае склоны, обращенные к источнику света, были бы представлены белыми полосами.
Этот метод был разработан профессором Танакой Китиро в 1950 году, но эксперименты с ним были проведены еще в 1870 году, но без особого успеха из-за технологических ограничений в печати. Результирующий ландшафт на этом этапе представлял собой изображение в градациях серого. Картограф Бертольд Хорн позже создал программное обеспечение для цифрового создания Контур Танаки, а Патрик Кеннелли, другой картограф, позже нашел способ добавить цвет к этим картам, сделав их более реалистичными.
У этого метода есть ряд проблем. Исторически сложилось так, что технология печати плохо воспроизводила контуры Танаки, особенно белые линии на сером фоне. Этот метод также требует очень много времени. Кроме того, террасный вид не выглядит привлекательным или точным на некоторых типах местности.
Гипсометрические оттенки
Гипсометрические оттенки (также называемые тонировкой слоя, тонировкой возвышения, окраской возвышения или гизометрической окраской) - это цвета, помещенные между линиями изолиний для обозначения высоты . Эти оттенки показаны в виде цветных полос в градуированной схеме или в виде цветовой схемы, применяемой к самим контурным линиям; любой метод считается типом изарифмической карты . Гипсометрическое тонирование карт и глобусов часто сопровождается аналогичным методом батиметрического тонирования, чтобы передать различия в глубине воды.
Затененный рельеф
Затененный рельеф или затенение холмов реалистично показывает форму местности, показывая, как трехмерная поверхность будет освещена точечным источником света. Эта тень обычно следует условности верхнего левого освещения , в котором источник света находится вблизи верхний левый угла карты. Если карта ориентирована так, чтобы север был вверху, в результате кажется, что свет исходит с северо-запада. Хотя это нереалистичное освещение в северном полушарии, использование южного источника света может вызвать мультистабильные иллюзии восприятия , при которых топография кажется перевернутой.
Растушеванный рельеф традиционно рисовали углем , аэрографом и другими средствами художника. Швейцарский картограф Эдуард Имхоф широко известен как мастер техники и теории ручного затенения холмов. Затененный рельеф сегодня почти исключительно создается компьютером на основе цифровых моделей рельефа (ЦМР). Математическая основа аналитической отмывки состоит в том, чтобы вычислить нормаль к поверхности в каждом месте, а затем вычислить угол между этим вектором и вектором, указывающим на освещение, с использованием точечного произведения ; чем меньше этот угол, тем больше света получает это место. Однако в большинстве программных реализаций используются алгоритмы, сокращающие эти вычисления. Этот инструмент доступен во множестве ГИС и графических программ, включая Photoshop , QGIS , GRASS GIS или расширение ArcMap Spatial Analyst.
Хотя эти относительно простые инструменты сделали штриховой рельеф почти повсеместным на картах, многие картографы остались недовольны продуктом и разработали методы улучшения его внешнего вида, в том числе следующие:
Затенение с подсветкой
Вклад Имхофа включал многоцветный подход к затенению, с пурпурным в долинах и желтым на вершинах, что известно как «освещенное затенение». Освещение сторон местности, обращенных к источнику света, желтыми цветами обеспечивает большую реалистичность (поскольку прямой солнечный свет более желтый, а окружающий свет более синий), усиливает ощущение трехмерности ландшафта и делает карту более выразительной. эстетично и артистично. Была проделана большая работа по цифровому воспроизведению работ Эдуарда Имхофа , что в некоторых случаях было довольно успешным.
Разнонаправленное затенение
Распространенной критикой компьютерной аналитической отмывки является ее резкий, искусственный вид, при котором склоны, обращенные к свету, сплошно белые, а откосы, обращенные в сторону, сплошные черные. Райс назвал это «пластиковым затенением», а другие говорили, что это похоже на лунный пейзаж. Одно из решений - включить несколько направлений освещения, чтобы имитировать эффект окружающего освещения, создавая гораздо более реалистичный вид продукта. Для этого было предложено несколько методов, в том числе использование программного обеспечения географических информационных систем для создания нескольких закрашенных рельефных изображений и их усреднения, использование программного обеспечения для трехмерного моделирования для визуализации местности и специальных программных инструментов для имитации естественного освещения с использованием до сотен отдельных изображений. источники. Этот метод оказался наиболее эффективным для очень пересеченной местности при средних масштабах от 1: 30 000 до 1: 1 000 000.
Отображение текстуры / рельефа
Можно сделать местность более реалистичной, имитируя трехмерный вид не только голой поверхности земли, но и элементов, покрывающих эту поверхность, таких как здания и растения. Отображение текстуры или рельефное отображение - это метод, адаптированный из компьютерной графики, который добавляет слой затененной текстуры к заштрихованному рельефу поверхности, имитирующему внешний вид местного земного покрова. Эту текстуру можно сгенерировать несколькими способами:
- Замена текстуры : копирование, абстрагирование и объединение изображений земного покрова, полученных с помощью дистанционного зондирования.
- Генерация текстуры : создание смоделированного слоя рельефа земного покрова в ГИС, такого как случайное разбросание «деревьев», а затем создание этого затененного рельефа.
- Измерение высоты : использование методов дистанционного зондирования с высоким разрешением, особенно лидара и дронов , для прямого или косвенного (посредством фотограмметрии ) измерения высоты и / или формы элементов земного покрова и затемнения этой поверхности возвышения.
Этот метод наиболее полезен при создании реалистичных карт в относительно большом масштабе, от 1: 5 000 до 1: 50 000.
Смешивание разрешения или столкновение
Одна из проблем с затененным рельефом, особенно в малых масштабах (1: 500 000 или меньше), заключается в том, что эта техника очень хороша для визуализации местного (высокочастотного) рельефа, но не может эффективно отображать более крупные детали. Например, пересеченная местность холмов и долин покажет столько же или больше вариаций, чем большая гладкая гора. Повышение разрешения - это гибридный метод, разработанный картографом NPS Томом Паттерсоном для смягчения этой проблемы. ЦМР с высоким разрешением усредняется с сильно сглаженной версией (т. Е. Со значительно более грубым разрешением). Когда к нему применяется алгоритм отмывки, он дает эффект смешивания мелких деталей исходной модели местности с более широкими элементами, обнаруженными сглаженной моделью. Этот метод лучше всего работает в небольших масштабах и в неизменно тяжелых регионах.
Косой вид
Трехмерный вид (проецируемый на двумерный носитель) поверхности Земли вместе с лежащими на ней географическими объектами. Воображаемые виды городов с воздуха были впервые созданы в позднем средневековье , но эти «виды с высоты птичьего полета» стали очень популярными в Соединенных Штатах в 1800-х годах. Появление ГИС (особенно недавних достижений в области трехмерной и глобальной визуализации) и программного обеспечения для моделирования трехмерной графики сделало создание реалистичных аэрофотоснимков относительно простым, хотя выполнение качественного картографического дизайна на этих моделях остается проблемой.
Карта повышенного рельефа
Это карта, на которой рельеф показан в виде трехмерного объекта. Самый интуитивный способ изобразить рельеф - это имитировать его в масштабе. Изготовленные вручную диорамы могут появиться в Китае в 200 г. до н.э., но массовое производство не было доступным до Второй мировой войны с изобретением пластиковых карт вакуумного формования и компьютеризированной обработки для эффективного создания форм. Обработка также используется для создания больших нестандартных моделей из подложек, таких как пена высокой плотности, и их можно даже раскрасить на основе аэрофотосъемки, поместив струйную печатающую головку на обрабатывающее устройство. С появлением 3D-печати появились гораздо более экономичные средства для создания рельефных карт, хотя большинство 3D-принтеров слишком малы, чтобы эффективно создавать большие диорамы.
Рендеринг
Рендеринг ландшафта охватывает множество методов изображения поверхностей реального или воображаемого мира . Наиболее распространенная визуализация ландшафта - это изображение поверхности Земли . Он используется в различных приложениях, чтобы дать наблюдателю систему координат . Он также часто используется в сочетании с рендерингом объектов, не относящихся к местности, таких как деревья , здания , реки и т. Д.
Есть два основных режима рендеринга ландшафта: нисходящий и перспективный . Рендеринг ландшафта сверху вниз известен на протяжении веков в виде картографических карт. Перспективный рендеринг ландшафта также известен довольно давно. Однако только с появлением компьютеров и компьютерной графики перспективный рендеринг стал мейнстримом.
Состав
_screenshots_(35277781514).jpg)
Типичное приложение для рендеринга ландшафта состоит из базы данных рельефа , центрального процессора (ЦП), выделенного графического процессора (ГП) и дисплея. Программное обеспечение настроено для запуска в исходном местоположении в мировом пространстве . Результатом работы приложения является экранное представление реального мира на дисплее. Программное приложение использует ЦП для идентификации и загрузки данных ландшафта, соответствующих начальному положению, из базы данных ландшафта, затем применяет необходимые преобразования для построения сетки точек, которые могут быть визуализированы графическим процессором, который выполняет геометрические преобразования, создавая объекты пространства экрана ( например, многоугольники ), которые создают изображение, очень напоминающее реальный мир.
Текстура
Есть несколько способов текстурировать поверхность ландшафта. Некоторые приложения выигрывают от использования искусственных текстур, таких как раскраска высот, шахматная доска или другие общие текстуры. Некоторые приложения пытаются воссоздать реальную поверхность в наилучшем виде с помощью аэрофотосъемки и спутниковых снимков .
В видеоиграх , текстура splatting используется для текстуры поверхности местности.
Поколение
Существует множество методов создания поверхностей ландшафта. Основная проблема, решаемая всеми этими методами, - это управление количеством обрабатываемых и визуализируемых полигонов. Можно создать очень подробную картину мира, используя миллиарды точек данных. Однако такие приложения ограничиваются статическими изображениями. В большинстве случаев визуализация ландшафта - это движущиеся изображения, которые требуют, чтобы программное приложение принимало решения о том, как упростить (отбросив или аппроксимировав) исходные данные рельефа. Практически все приложения для рендеринга ландшафта используют уровень детализации для управления количеством точек данных, обрабатываемых ЦП и ГП. Существует несколько современных алгоритмов построения поверхностей местности.
Приложения
Рендеринг ландшафта широко используется в компьютерных играх для представления как поверхности Земли, так и воображаемых миров. В некоторых играх также присутствует деформация ландшафта (или деформируемая местность).
Одно из важных приложений визуализации ландшафта - это системы синтетического зрения . Пилоты, управляющие самолетами, получают большую выгоду от способности видеть поверхность в любое время, независимо от условий за пределами самолета.
Скелетные, структурные или структурные линии
Подчеркивает гидрологический водораздел и водосборные потоки.
Форумы и ассоциации
Изображение рельефа особенно важно в горных районах. Комиссия по горной картографии в Международной картографической ассоциации является самым известным форумом для обсуждения теории и методов для отображения этих областей.
Смотрите также
- Картографическая маркировка
- Графические карты
- Географическое картографирование
- Геометрия клипмапы
- ROAM (оптимально адаптирующаяся сетка в реальном времени)
использованная литература
внешние ссылки
- Shaded Relief , сайт Тома Паттерсона
- Relief Shading , веб-сайт Института картографии ETH Zurich
- Wikipedia Graphic Lab , руководство по созданию карт с закрашенным рельефом с использованием бесплатного программного обеспечения с открытым исходным кодом.
- Рендеринг карты с использованием техники рельефной штриховки в Photoshop
- Виртуальный ландшафтный проект