Картография рельефа или рельефное картографирование — это изображение формы поверхности Земли на карте с использованием одного или нескольких из нескольких разработанных методов. Рельеф или рельеф являются существенным аспектом физической географии , и как таковое его изображение представляет собой центральную проблему в картографическом дизайне , а в последнее время — в географических информационных системах и геовизуализации .
Самая древняя форма изображения рельефа в картографии, профили холмов — это просто иллюстрации гор и холмов в профиль, размещенные соответствующим образом на картах, как правило, небольшого масштаба (широкая область охвата). Сегодня они используются редко, за исключением случаев «античного» стиля.
В 1921 году А. К. Лобек опубликовал «Физиографическую схему Соединенных Штатов» , используя усовершенствованную версию техники профиля холма для иллюстрации распределения форм рельефа на мелкомасштабной карте. [1] Эрвин Райс далее развил, стандартизировал и преподавал эту технику, которая использует обобщенную текстуру для имитации форм рельефа на большой площади. [2] Сочетание профиля холма и затененного рельефа, этот стиль представления местности одновременно является уникальным для его создателя — часто нарисованного вручную — и оказался проницательным для иллюстрации геоморфологических закономерностей.
Совсем недавно Том Паттерсон разработал компьютерную технику для картирования местности, вдохновленную работой Райса, названную Plan Oblique Relief . [3] Этот инструмент начинается с затененного рельефного изображения, затем смещает пиксели на север пропорционально их высоте. Эффект заключается в том, чтобы заставить горы «встать» и «наложиться» на объекты на севере, таким же образом, как профили холмов. Некоторые наблюдатели могут увидеть эффект легче, чем другие.
Штрихи , впервые стандартизированные австрийским топографом Иоганном Георгом Леманном в 1799 году, представляют собой форму штриховки с использованием линий. Они показывают ориентацию склона, а своей толщиной и общей плотностью они обеспечивают общее ощущение крутизны. Будучи нечисловыми, они менее полезны для научного исследования, чем контуры, но могут успешно передавать довольно конкретные формы местности. [2] Они особенно эффективны для отображения относительно низкого рельефа, такого как холмистые местности. Это был стандарт на топографических картах Германии вплоть до 20-го века.
Было предпринято множество попыток воссоздать эту технику с использованием цифровых данных ГИС, но результаты оказались неоднозначными.
Впервые разработанные во Франции в XVIII веке, контурные линии (или изогипсы) являются изолиниями равной высоты. Это наиболее распространенный способ количественной визуализации высоты, известный по топографическим картам .
Большинство национальных обследований XVIII и начала XIX века не регистрировали рельеф по всей площади покрытия, вычисляя только точечные высоты в точках обследования. Топографические карты Геологической службы США (USGS) включали контурное изображение рельефа, и поэтому карты, показывающие рельеф, особенно с точным изображением высоты, стали называться топографическими картами (или картами «топографических» карт) в Соединенных Штатах , и это использование распространилось на международном уровне.
На картах, выпущенных Swisstopo , цвет контурных линий используется для обозначения типа грунта: черный — для голых скал и осыпей , синий — для льда и подводных контуров, а коричневый — для покрытой землей поверхности. [4]
Техника контуров Танака (рельеф) — это метод, используемый для освещения контурных линий с целью визуализации рельефа. Линии выделяются или затеняются в зависимости от их отношения к источнику света на северо-западе. Если иллюстрируемый объект будет затенять 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 экспериментировал с ним еще в 1870 году, с небольшим успехом из-за технологических ограничений в печати. Полученная местность на этом этапе представляла 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 добавлять цвет к этим картам, делая их более реалистичными. [6]
С этим методом связано множество проблем. Исторически сложилось так, что технология печати не очень хорошо воспроизводила контуры Танаки, особенно белые линии на сером фоне. Этот метод также требует много времени. Кроме того, террасный вид не выглядит привлекательным или точным на некоторых типах рельефа. [7]
Гипсометрические оттенки (также называемые послойным оттенком, оттенком возвышения, окраской возвышения или гизометрической окраской) — это цвета, размещенные между контурными линиями для обозначения высоты . Эти оттенки отображаются в виде полос цвета в градуированной схеме или в виде цветовой схемы, применяемой к самим контурным линиям; любой из методов считается типом изарифмической карты . Гипсометрическая тонировка карт и глобусов часто сопровождается аналогичным методом батиметрической тонировки для передачи различий в глубине воды.
Затененный рельеф , или затенение холмов, реалистично отображает форму местности, показывая, как трехмерная поверхность будет освещена точечным источником света. Тени обычно следуют соглашению о верхнем левом освещении , при котором источник света располагается около верхнего левого угла карты. Если карта ориентирована так , что север находится наверху, то в результате кажется, что свет идет с северо-запада. Хотя это нереалистичное освещение в северном полушарии, использование южного источника света может вызвать мультистабильные иллюзии восприятия, при которых топография кажется перевернутой. [8]
Затененный рельеф традиционно рисовался углем , аэрографом и другими художественными средствами. Швейцарский картограф Эдуард Имхоф широко известен как мастер техники и теории ручного затенения холмов. Затененный рельеф сегодня почти исключительно генерируется компьютером из цифровых моделей рельефа (ЦМР). Математическая основа аналитического затенения холмов заключается в вычислении нормали к поверхности в каждом месте, а затем вычислении угла между этим вектором и вектором, указывающим на освещение, с помощью скалярного произведения ; чем меньше этот угол, тем больше освещения получает это место. Однако большинство программных реализаций используют алгоритмы, которые сокращают эти вычисления. Этот инструмент доступен в различных ГИС и графических программах, включая Photoshop , QGIS , GRASS GIS или расширение Spatial Analyst от ArcMap .
Хотя эти относительно простые инструменты сделали затененный рельеф практически повсеместным на картах, многие картографы [ ласковые слова ] были недовольны этим продуктом, [ каким? ] и разработали методы улучшения его внешнего вида, включая следующие:
Вклад Имхофа включал многоцветный подход к затенению, с фиолетовым 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 трехмерной природы местности и делает карту более эстетически приятной и художественной. [9] Большая работа была проделана по цифровому воссозданию работы Эдуарда Имхофа , которая в некоторых случаях была довольно успешной. [10]
Распространенной критикой компьютерного аналитического затенения холмов является его резкий, искусственный вид, в котором склоны, обращенные к свету, сплошные белые, а склоны, обращенные от него, сплошные черные. Райс назвал это «пластиковым затенением», а другие сказали, что это похоже на лунный пейзаж. [2] Одним из решений является включение нескольких направлений освещения для имитации эффекта окружающего освещения, создавая гораздо более реалистично выглядящий продукт. Для этого было предложено несколько методов, включая использование программного обеспечения географических информационных систем для создания нескольких затененных изображений рельефа и их усреднения, использование программного обеспечения для трехмерного моделирования для рендеринга рельефа , [11] и специальных программных инструментов для имитации естественного освещения с использованием до сотен отдельных источников. [12] Этот метод оказался наиболее эффективным для очень пересеченной местности в средних масштабах от 1:30 000 до 1:1 000 000.
Можно сделать ландшафт более реалистичным, имитируя трехмерный вид не только голой поверхности земли, но и объектов, покрывающих эту поверхность, таких как здания и растения. Текстурное картирование или рельефное картирование — это метод, адаптированный из компьютерной графики , который добавляет слой затененной текстуры к затененному рельефу поверхности, который имитирует вид местного земельного покрова. [13] Эту текстуру можно создать несколькими способами:
Этот метод наиболее полезен при создании реалистичных карт относительно крупных масштабов — от 1:5000 до 1:50000.
Одна из проблем с затененным рельефом, особенно в малых масштабах (1:500 000 или меньше), заключается в том, что этот метод очень хорош для визуализации локального (высокочастотного) рельефа, но может неэффективно отображать более крупные особенности. Например, неровная область холмов и долин будет показывать столько же или больше вариаций, чем большая гладкая гора. Повышение разрешения — это гибридный метод, разработанный картографом NPS Томом Паттерсоном для смягчения этой проблемы. [16] ЦМР с высоким разрешением усредняется с сильно сглаженной версией (т. е. значительно более грубым разрешением). Когда к этому применяется алгоритм затенения холмов, он имеет эффект смешивания мелких деталей исходной модели рельефа с более широкими особенностями, выявленными сглаженной моделью. Этот метод лучше всего работает в малых масштабах и в регионах, которые постоянно неровные.
Трехмерный вид (проецируемый на двумерную среду) поверхности Земли вместе с географическими объектами, лежащими на ней. Воображаемые виды городов с воздуха были впервые созданы в конце Средневековья , но эти «виды с высоты птичьего полета» стали очень популярны в Соединенных Штатах в 1800-х годах. Появление ГИС (особенно недавних достижений в области трехмерной и глобальной визуализации) и программного обеспечения для трехмерного графического моделирования сделало создание реалистичных видов с воздуха относительно простым, хотя выполнение качественного картографического дизайна на этих моделях остается проблемой. [17]
Это карта, на которой рельеф показан как трехмерный объект. Самый интуитивный способ изобразить рельеф — это имитировать его в масштабе. Изготовленные вручную диорамы могут датироваться 200 годом до н. э. в Китае, но массовое производство стало доступно только во время Второй мировой войны с изобретением пластиковых карт, формованных методом вакуумного формования , и компьютерной обработки для эффективного создания форм. Механическая обработка также используется для создания больших пользовательских моделей из таких субстратов, как пена высокой плотности, и может даже раскрашивать их на основе аэрофотосъемки, помещая струйную печатающую головку на обрабатывающее устройство. Появление 3D-печати представило гораздо более экономичный способ производства рельефных карт, хотя большинство 3D-принтеров слишком малы для эффективного производства больших диорам. [18]
Рендеринг рельефа охватывает множество методов изображения поверхностей реального или воображаемого мира . Наиболее распространенным рендерингом рельефа является изображение поверхности Земли . Он используется в различных приложениях, чтобы дать наблюдателю систему отсчета . Он также часто используется в сочетании с рендерингом неземных объектов, таких как деревья , здания , реки и т. д.
Существует два основных режима рендеринга рельефа: сверху вниз и перспективный рендеринг. Рендеринг рельефа сверху вниз известен уже много столетий в виде картографических карт. Перспективный рендеринг рельефа также известен уже довольно давно. Однако только с появлением компьютеров и компьютерной графики перспективный рендеринг стал общепринятым.
_screenshots_(35277781514).jpg/1280px-Outerra_(PC)_screenshots_(35277781514).jpg)
Типичное приложение для рендеринга рельефа состоит из базы данных рельефа , центрального процессора (ЦП), выделенного графического процессора (ГП) и дисплея. Программное приложение настроено на запуск в начальном местоположении в мировом пространстве . Выходные данные приложения представляют собой экранное представление реального мира на дисплее. Программное приложение использует ЦП для идентификации и загрузки данных рельефа, соответствующих начальному местоположению из базы данных рельефа, затем применяет требуемые преобразования для построения сетки точек, которые могут быть отрисованы графическим процессором, который выполняет геометрические преобразования, создавая объекты экранного пространства (например, полигоны ), которые создают изображение, очень похожее на местоположение реального мира.
Существует несколько способов текстурирования поверхности рельефа. 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 возможном представлении с помощью аэрофотосъемки и спутниковых снимков .
В видеоиграх для текстурирования поверхности ландшафта используется метод разбрызгивания текстур .
Существует множество методов генерации 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 ограничены статическими изображениями. Большинство применений рендеринга рельефа — это движущиеся изображения, которые требуют от программного обеспечения принятия решений о том, как упростить (отбросив или приблизив) исходные данные рельефа. Практически все приложения рендеринга рельефа используют уровень детализации для управления количеством точек данных, обрабатываемых центральным и графическим процессорами. Существует несколько современных алгоритмов генерации поверхностей рельефа. [19] [20] [21] [22]
Рендеринг рельефа широко используется в компьютерных играх для представления как поверхности Земли, так и воображаемых миров. В некоторых играх также присутствует деформация рельефа (или деформируемый рельеф).
Одно из важных применений рендеринга рельефа местности — это системы синтетического зрения . Пилоты, управляющие самолетами, получают огромную выгоду от возможности видеть поверхность рельефа в любое время, независимо от условий за пределами самолета.
Особое внимание уделяется гидрологическому водоразделу и водораздельным потокам.
Изображение рельефа особенно важно в горных регионах. Комиссия по горной картографии Международной картографической ассоциации является самым известным форумом для обсуждения теории и методов картографирования этих регионов.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )