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 , самая древняя форма изображения рельефа в картографии, представляют собой просто изображения гор и холмов в профиль, размещенные соответствующим образом на картах небольшого масштаба (с широкой областью охвата). Сегодня они используются редко, за исключением «антикварного» стиля.
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] Сочетание профиля холма и затененного рельефа, этот стиль изображения местности одновременно является уникальным для своего создателя (часто нарисованным вручную) и оказывается полезным для иллюстрации геоморфологических закономерностей.
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 , 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 отображении 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.
Изолинии (или изогипсы) , впервые разработанные во Франции в 18 веке, представляют собой изолинии одинаковой высоты. Это наиболее распространенный способ количественной визуализации высоты, знакомый по топографическим картам .
В большинстве национальных исследований 18-го и начала 19-го веков 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]
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 (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.
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 заштрихованный рельеф почти повсеместным на картах, многие картографы [ ласковые слова ] были недовольны этим продуктом, [ каким? ] и разработали методы улучшения его внешнего вида, в том числе следующие:
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]
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 изображений затененного рельефа и их усреднения, использование программного обеспечения для трехмерного моделирования для визуализации ландшафта [11] и специальных программных инструментов для имитации естественного освещения с использованием до сотни отдельных источников. [12] Этот метод оказался наиболее эффективным для очень пересеченной местности при 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 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:
Этот метод наиболее полезен при создании реалистичных карт относительно больших масштабов, от 1:5 000 до 1:50 000.
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.
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]
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 ландшафта охватывает множество методов изображения поверхностей реального или воображаемого мира . Наиболее распространенным рендерингом ландшафта 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.
_screenshots_(35277781514).jpg/1280px-Outerra_(PC)_screenshots_(35277781514).jpg)
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.
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.
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]
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.
Особое внимание уделяется гидрологическим дренажным водоразделам и водоразделам.
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.
