Картография местности
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 как таковое его изображение представляет собой центральную проблему картографического дизайна , а в последнее время и географических информационных систем и геовизуализации .
Профили холмов [ править ]
самая древняя форма изображения рельефа в картографии, Профили холмов, представляют собой просто иллюстрации гор и холмов в профиль, размещенные соответствующим образом на картах небольшого масштаба (с широкой областью охвата). Сегодня они используются редко, за исключением как часть «античного» стиля.
Физиографическая иллюстрация [ править ]
В 1921 году А. К. Лобек опубликовал «Физиографическую диаграмму Соединенных Штатов» , используя усовершенствованную версию метода профиля холма для иллюстрации распределения форм рельефа на мелкомасштабной карте. [1] Эрвин Райс развил, стандартизировал и обучил этой технике, которая использует обобщенную текстуру для имитации форм рельефа на большой площади. [2] Сочетая профиль холма и затененный рельеф, этот стиль изображения местности одновременно является уникальным для своего создателя (часто нарисованным вручную) и оказывается полезным для иллюстрации геоморфологических закономерностей.
План косого рельефа [ править ]
Совсем недавно Том Паттерсон разработал компьютерную технику картографирования местности, вдохновленную работой Райса, названную планом наклонного рельефа . [3] Этот инструмент начинается с затененного рельефного изображения, затем смещает пиксели к северу пропорционально их высоте. В результате горы «поднимаются» и «накладываются» на северные объекты точно так же, как и профили холмов. Некоторым зрителям эффект увидеть легче, чем другим.
Штриховка [ править ]
Штриховка , впервые стандартизированная 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 создают общее ощущение крутизны. Будучи нечисловыми, они менее полезны для научных исследований, чем контуры, но могут успешно передавать вполне конкретные формы местности. [2] Они особенно эффективны при изображении относительно низкого рельефа, например холмистой местности. Это был стандарт топографических карт Германии вплоть до 20 века.
Было предпринято множество попыток воссоздать эту технику с использованием цифровых данных ГИС, но результаты оказались неоднозначными.
Контурные линии [ править ]
(или изогипсы) , впервые разработанные во Франции в 18 веке, Изолинии представляют собой изолинии одинаковой высоты. Это наиболее распространенный способ количественной визуализации высоты, знакомый по топографическим картам .
18-го и начала 19-го веков В большинстве национальных исследований рельеф не фиксировался на всей территории охвата, рассчитывались только высотные отметки в точках съемки. Карты топографической съемки Геологической службы США (USGS) включали контурное изображение рельефа, и поэтому карты, показывающие рельеф, особенно с точным представлением высоты, стали называться топографическими картами (или «топографическими» картами) в Соединенных Штатах , и использование распространилось по всему миру.
На картах Swisstopo цвет контурных линий используется для обозначения типа грунта: черный для голых скал и осыпей , синий для льда и подводных контуров и коричневый для покрытой землей земли. [4]
Контуры Танаки (рельеф) [ править ]
Техника контуров Танака (рельеф) — это метод, используемый для освещения контурных линий, чтобы помочь визуализировать местность. Линии выделяются или затеняются в зависимости от их отношения к источнику света на северо-западе. Если иллюстрируемый объект затеняет часть контурной линии, этот контур будет представлен черной полосой. В противном случае склоны, обращенные к источнику света, будут представлены белыми полосами.
Этот метод был разработан профессором Танакой Китиро в 1950 году, но эксперименты с ним проводились еще в 1870 году, но без особого успеха из-за технологических ограничений печати. В результате ландшафт на этом этапе представлял собой изображение в оттенках серого. [5] Картограф Бертольд Хорн позже создал программное обеспечение для цифрового создания контуров Танаки, а Патрик Кеннелли, другой картограф, позже нашел способ добавить цвет к этим картам, сделав их более реалистичными. [6]
Этот метод имеет 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, на некоторых типах местности террасный вид выглядит непривлекательно и неаккуратно. [7]
Гипсометрические оттенки [ править ]
Гипсометрические оттенки (также называемые тонировкой слоев, тонировкой высот, окраской высот или гизометрической окраской) — это цвета, помещаемые между горизонталями для обозначения высоты . Эти оттенки отображаются в виде цветных полос на градуированной схеме или в виде цветовой схемы, применяемой к самим контурным линиям; любой метод считается разновидностью Изарифмической карты . Гипсометрическая тонировка карт и глобусов часто сопровождается аналогичным методом батиметрической тонировки для передачи различий в глубине воды.
Заштрихованный рельеф [ править ]
Внизу: та же карта с штриховкой от солнца.
Затененный рельеф , или затенение холмов, реалистично показывает форму местности, показывая, как трехмерная поверхность будет освещена точечным источником света. Тени , обычно следуют схеме освещения в верхнем левом углу при которой источник света размещается рядом с верхним левым углом карты. Если карта ориентирована севером вверху, в результате кажется, что свет исходит с северо-запада. Хотя это нереальное освещение для северного полушария, использование южного источника света может вызвать иллюзии мультистабильного восприятия , при которых топография кажется перевернутой. [8]
Заштрихованный рельеф традиционно рисовался углем , аэрографом и другими художественными средствами. Швейцарский картограф Эдуард Имхоф широко известен как мастер техники и теории ручной штриховки. Заштрихованный рельеф сегодня почти исключительно создается компьютером на основе цифровых моделей рельефа (DEM). Математической основой аналитической отмывки холмов является вычисление нормали к поверхности в каждом месте, а затем вычисление угла между этим вектором и вектором, указывающим на освещение, с использованием скалярного произведения ; чем меньше этот угол, тем больше освещения получает это место. Однако в большинстве реализаций программного обеспечения используются алгоритмы, которые сокращают эти вычисления. Этот инструмент доступен в различных ГИС и графических программах, включая Photoshop , QGIS , GRASS GIS или расширение ArcMap Spatial Analyst.
Хотя эти относительно простые инструменты сделали затененный рельеф почти повсеместным на картах, многие картографы [ ласковые слова ] остались недовольны товаром, [ который? ] и разработали методы улучшения его внешнего вида, в том числе следующие:
Освещенная тень [ править ]
Вклад Имхофа включал многоцветный подход к затенению, с фиолетовыми в долинах и желтыми на вершинах, который известен как «освещенная штриховка». Подсветка 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 местности, делает карту более эстетично и художественно. [9] Была проделана большая работа по воссозданию в цифровом формате работ Эдуарда Имхофа , которая в некоторых случаях оказалась довольно успешной. [10]
Разнонаправленное затенение [ править ]
Распространенной критикой компьютерной аналитической отмывки холмов является ее резкий, искусственный вид, при котором склоны, обращенные к свету, имеют сплошной белый цвет, а склоны, обращенные в сторону, - сплошной черный. Райс назвал это «пластиковой тенью», а другие говорили, что это похоже на лунный пейзаж. [2] Одним из решений является использование нескольких 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 затененных изображений рельефа и их усреднения, использование программного обеспечения для трехмерного моделирования для визуализации местности . [11] и специальные программные инструменты для имитации естественного освещения с использованием до сотен отдельных источников. [12] Было обнаружено, что этот метод наиболее эффективен для очень пересеченной местности при средних масштабах от 1:30 000 до 1:1 000 000.
Наложение текстур/выпуклостей [ править ]
Можно сделать местность более реалистичной, имитируя трехмерный вид не только голой поверхности земли, но и элементов, покрывающих эту поверхность, таких как здания и растения. Наложение текстур или рельефное наложение — это метод, адаптированный из компьютерной графики , который добавляет слой затененной текстуры к затененному рельефу поверхности, имитирующему внешний вид местного растительного покрова. [13] Эту текстуру можно создать несколькими способами:
- Замена текстуры : копирование, абстрагирование и объединение полученных с помощью дистанционного зондирования . изображений земного покрова, [14]
- Генерация текстур : создание смоделированного слоя рельефа земного покрова в ГИС, например, случайного разброса «деревьев», а затем создание на его основе затененного рельефа. [15]
- 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 затенения этой поверхности возвышения.
Этот метод наиболее полезен при создании реалистичных карт относительно больших масштабов, от 1:5 000 до 1:50 000.
Смешение или увеличение разрешения [ править ]
Одна из проблем с затененным рельефом, особенно в небольших масштабах (1:500 000 или меньше), заключается в том, что этот метод очень хорош для визуализации локального (высокочастотного) рельефа, но может не эффективно отображать более крупные элементы. Например, пересеченная местность с холмами и долинами будет иметь такое же или даже большее разнообразие, чем большая гладкая гора. Повышение разрешения — это гибридный метод, разработанный картографом NPS Томом Паттерсоном для решения этой проблемы. [16] ЦМР с высоким разрешением усредняется с сильно сглаженной версией (т. е. со значительно более грубым разрешением). Когда к этому применяется алгоритм отмывки холмов, он смешивает мелкие детали исходной модели местности с более широкими особенностями, выявленными сглаженной моделью. Этот метод лучше всего работает в небольших масштабах и в регионах с постоянной пересеченной местностью.
Косой вид [ править ]
Трехмерный вид (проецируемый на двумерную среду) поверхности Земли вместе с лежащими на ней географическими объектами. Воображаемые виды городов с воздуха впервые были созданы в позднем средневековье , но эти «виды с высоты птичьего полета» стали очень популярны в Соединенных Штатах в 1800-х годах. Появление ГИС (особенно последних достижений в области трехмерной и глобальной визуализации) и программного обеспечения для трехмерного графического моделирования сделало создание реалистичных аэрофотоснимков относительно простым, хотя выполнение качественного картографического дизайна на этих моделях остается проблемой. [17]
Карта рельефа [ править ]
Это карта, на которой рельеф показан как трехмерный объект. Самый интуитивный способ изображения рельефа — это его имитация в масштабе. Диорамы ручной работы, возможно, датируются 200 годом до нашей эры в Китае, но массовое производство стало доступным только во время Второй мировой войны, когда были изобретены пластиковые карты, формованные в вакууме , и компьютеризированная обработка для эффективного создания форм. Механическая обработка также используется для создания больших индивидуальных моделей из таких материалов, как пенопласт высокой плотности, и даже может окрашивать их на основе аэрофотоснимков, помещая струйную печатающую головку в обрабатывающее устройство. Появление 3D-печати привело к появлению гораздо более экономичных способов создания карт с рельефом, хотя большинство 3D-принтеров слишком малы для эффективного производства больших диорам. [18]
Рендеринг [ править ]
Рендеринг ландшафта охватывает множество методов изображения реального или воображаемого мира поверхностей . Наиболее распространенным местности рендерингом является изображение поверхности Земли . Он используется в различных приложениях, чтобы дать наблюдателю систему отсчета . Он также часто используется в сочетании с рендерингом объектов, не являющихся местностью, таких как деревья , здания , реки и т. д.
Существует два основных режима рендеринга ландшафта: рендеринг сверху вниз и перспективный рендеринг. Рендеринг местности сверху вниз известен на протяжении веков как картографические карты. Перспективный рендеринг ландшафта также известен довольно давно. Однако только с появлением компьютеров и компьютерной графики перспективный рендеринг стал обычным явлением.
Структура [ править ]
Типичное приложение для рендеринга ландшафта состоит из базы данных ландшафта , центрального процессора (ЦП), специального графического процессора (ГП) и дисплея. Программное приложение настроено на запуск в исходном месте в мировом пространстве . Результатом работы приложения является экранное представление реального мира на дисплее. Программное приложение использует ЦП для идентификации и загрузки данных о местности, соответствующих исходному местоположению, из базы данных ландшафта, затем применяет необходимые преобразования для построения сетки точек, которая может быть отображена с помощью графического процессора, который завершает геометрические преобразования, создавая объекты экранного пространства ( такие как полигоны ), которые создают картинку, очень напоминающую местоположение реального мира.
Текстура [ править ]
Существует несколько способов текстурирования поверхности местности. Некоторые приложения получают преимущества от использования искусственных текстур, таких как раскраска рельефа, шахматная доска или другие общие текстуры. Некоторые приложения пытаются воссоздать реальную поверхность в наилучшем возможном виде с помощью аэрофотосъемки и спутниковых изображений .
В видеоиграх текстурирование поверхности используется для текстурирования поверхности местности.
Поколение [ править ]
Существует большое разнообразие методов создания поверхностей рельефа. Основная проблема, решаемая всеми этими методами, — управление количеством обработанных и визуализированных полигонов. Можно создать очень подробную картину мира, используя миллиарды точек данных. Однако такие приложения ограничиваются статичными изображениями. Большинство применений рендеринга ландшафта — это движущиеся изображения, которые требуют от программного приложения принятия решений о том, как упростить (отбрасывая или аппроксимируя) исходные данные ландшафта. Практически все приложения для рендеринга ландшафта используют уровень детализации для управления количеством точек данных, обрабатываемых процессором и графическим процессором. Существует несколько современных алгоритмов генерации поверхностей рельефа. [19] [20] [21] [22]
Приложения [ править ]
Рендеринг ландшафта широко используется в компьютерных играх для представления как поверхности Земли, так и воображаемых миров. В некоторых играх также присутствует деформация ландшафта (или деформируемый ландшафт).
Одним из важных применений рендеринга ландшафта являются системы синтетического зрения . Пилоты, управляющие самолетами, получают большую выгоду от возможности всегда видеть поверхность местности, независимо от условий снаружи самолета.
Скелетные, структурные линии разрывные или
![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, дополнив это . ( июнь 2014 г. ) |
Особое внимание уделяется гидрологическим дренажным водоразделам и водоразделам.
Форумы и ассоциации [ править ]
Изображение рельефа особенно важно в горных районах. Комиссия по горной картографии Международной картографической ассоциации — самый известный форум для обсуждения теории и техники картографирования этих регионов.
См. также [ править ]
- Картографическая маркировка
- Иллюстрированные карты
- Геомипмэппинг
- Геометрические вырезки
- ROAM (оптимально адаптирующаяся сетка в реальном времени)
Ссылки [ править ]
- ^ Лобек, AK (1921) Физиографическая диаграмма Соединенных Штатов , AJ Nystrom & Co., цифровое сканирование в коллекции карт Дэвида Рамси, список № 7129.000
- ^ Перейти обратно: а б с Раис, Эрвин (1948). Общая картография (2-е изд.). МакГроу-Хилл. стр. 103–123.
- ^ Дженни, Бернхард; Паттерсон, Том (2007). «Представляем план косого рельефа» (PDF) . Картографические перспективы (57): 21–40. дои : 10.14714/CP57.279 .
- ^ Swisstopo, Обычные знаки. Архивировано 28 мая 2008 г. в Wayback Machine .
- ^ Основы картографии. Мисра Р.П. и А. Рамеш. Концептуальное издательство. 1989. стр. 389-390.
- ^ Патрик Кеннелли и А. Джон Кимерлинг (2001) Модификации метода освещенных контуров Танаки, картография и географическая информатика, 28:2, 111-123.
- ^ "ИЗОБРАЖЕНИЕ РЕЛЬЕФА (МЕСТНОСТИ)". Лаборатория ГИС UNBC: ГИС и дистанционное зондирование. Университет Северной Британской Колумбии, Интернет. 28 сентября 2013 г.
- ^ Эдуард Имхоф (01 июня 2007 г.). Картографическое рельефное представление . Эсри ISBN 978-1-58948-026-1 .
- ^ Дженни, Бернхард; Хурни, Лоренц (2006). «Затенение цветового рельефа в швейцарском стиле, модулируемое высотой и воздействием освещения». Картографический журнал . 43 (3): 198–207. Бибкод : 2006CartJ..43..198J . дои : 10.1179/000870406X158164 .
- ^ Том Паттерсон, «Увидьте свет: как создать освещенный затененный рельеф в Photoshop 6.0», http://www.shadedrelief.com/illumination/ (по состоянию на 30 октября 2017 г.).
- ^ Хаффман, Дэниел П. (2014) Затененный рельеф в Blender , 9-й семинар ICA по горной картографии
- ^ Кеннелли, Дж., и Стюарт, Дж. (2006). Модель равномерного освещения неба для улучшения затенения местности и городских территорий. Картография и географическая информатика, 33 (1), 21–36. https://doi.org/10.1559/152304006777323118 .
- ^ Блинн, Джеймс Ф. «Моделирование морщинистых поверхностей» , Компьютерная графика, Том. 12 (3), стр. 286–292 SIGGRAPH -ACM (август 1978 г.)
- ^ Паттерсон, Том (2002). «Как стать реальностью: размышления о новом облике карт Службы национальных парков» . Картографические перспективы (43): 43–56. дои : 10.14714/CP43.536 .
- ^ Найберт, Джеффри (2000). «Использование изображений дистанционного зондирования для текстурирования тонированного рельефа слоя» . Картографические перспективы (36): 93. doi : 10.14714/CP36.827 .
- ^ Паттерсон, Том., «Увеличение разрешения GTOPO30 в Photoshop: как сделать высокие горы более разборчивыми», http://www.shadedrelief.com/bumping/bumping.html (по состоянию на 24 сентября 2012 г.)
- ^ Паттерсон, Том (2005). «Взгляд поближе: руководство по просмотру культурных и исторических объектов Службы национальных парков с высоты птичьего полета» . Картографические перспективы (52): 59–75. дои : 10.14714/CP52.379 .
- ^ Адамс, Аарон (июль 2019 г.). Сравнительная оценка удобства использования трехмерных печатных моделей местности в дополненной реальности и двумерных топографических карт . Университет штата Нью-Мексико . Проверено 17 апреля 2022 г. - через ProQuest.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Стюарт Дж. (1999), «Быстрое вычисление горизонта во всех точках местности с помощью приложений видимости и затенения», Транзакции IEEE по визуализации и компьютерной графике 4 (1).
- ^ Башков Е., Зори С., Суворова И. (2000), «Современные методы визуального моделирования окружающей среды», в Simulationstechnik, 14. Симпозиум в Гамбурге SCS, стр. 509-514. Европа БВБА, Гент, Бельгия,
- ^ Башков Е.А., Зори С.А. (2001), «Визуальное моделирование земной поверхности с помощью алгоритма расчета быстрого горизонта», В «Моделировании и визуализации», стр. 203-215. Институт моделирования и графики, Магдебург, Германия
- ^ Рузинур Че Мат и Норани Нордин, «Алгоритм рендеринга силуэтов с использованием метода векторизации на основе топографических карт Кедах», Материалы 2-й Национальной конференции по компьютерной графике и мультимедиа (CoGRAMM'04), Селангор, декабрь 2004 г. https://s3.amazonaws.com /academia.edu.documents/30969013/449317633605827_1.pdf?AWSAccessKeyId=AKIAIWOWYYGZ2Y53UL3A&Expires=1505553957&Signature=7GA1T7nvGM5BOhLQ0OCELIKVYbY%3D&response-content-disposition=in строка%3B%20имя_файла%3D3D_Silhouette_Rendering_Algorithms_using.pdf [ мертвая ссылка ]
Внешние ссылки [ править ]
- Shaded Relief , веб-сайт Тома Паттерсона
- Рельефная штриховка , веб-сайт Института картографии ETH Zurich.
- Wikipedia Graphic Lab , руководство по созданию карт рельефа с затенением с использованием бесплатного программного обеспечения с открытым исходным кодом.
- Рендеринг карты с использованием техники рельефной штриховки в Photoshop.
- Проект виртуальной местности
- Подводный рельеф