Kartografia terenu - Terrain cartography
Kartografia terenu lub mapowanie reliefowe to przedstawienie kształtu powierzchni Ziemi na mapie przy użyciu jednej lub kilku z kilku opracowanych technik. Ukształtowanie terenu lub ukształtowanie terenu jest zasadniczym aspektem geografii fizycznej i jako takie przedstawianie jej stanowi główny problem w projektowaniu kartograficznym , a ostatnio w systemach informacji geograficznej i geowizualizacji .
Profile skoczni
Najstarsza forma przedstawienia reliefowego w kartografii, profile wzgórz to po prostu ilustracje przedstawiające góry i wzgórza z profilu, umieszczane odpowiednio na mapach generalnie małoskalowych (szeroki obszar pokrycia). Obecnie są rzadko używane, z wyjątkiem części „antycznej” stylizacji.
Ilustracja fizjograficzna
W 1921 roku AK Lobeck opublikował A Physiographic Diagram of the United States , wykorzystując zaawansowaną wersję techniki profilu wzgórza do zilustrowania rozmieszczenia form terenu na mapie w małej skali. Erwin Raisz dalej rozwijał, standaryzował i nauczał tej techniki, która wykorzystuje uogólnioną teksturę do imitowania kształtów ukształtowania terenu na dużym obszarze. Połączenie profilu wzgórza i zacienionej rzeźby terenu, ten styl przedstawiania terenu jest jednocześnie charakterystyczny dla swojego twórcy – często ręcznie malowany – i jest wnikliwy w ilustrowaniu wzorów geomorfologicznych .
Zaplanuj ukośną ulgę
Niedawno Tom Patterson opracował wygenerowaną komputerowo technikę mapowania terenu, zainspirowaną pracą Raisza, zwaną reliefem planu skośnego . To narzędzie zaczyna się od cieniowanego obrazu reliefowego, a następnie przesuwa piksele na północ proporcjonalnie do ich wysokości. W efekcie góry „wstają” i „pokrywają” elementy na północy, w taki sam sposób jak profile wzgórz. Niektórzy widzowie są w stanie zobaczyć efekt łatwiej niż inni.
Hachure
Hachures , po raz pierwszy ujednolicone przez austriackiego topografa Johanna Georga Lehmanna w 1799 roku, są formą cieniowania za pomocą linii. Pokazują orientację zbocza, a poprzez swoją grubość i ogólną gęstość dają ogólne poczucie stromości. Będąc nienumerycznymi, są mniej przydatne do badań naukowych niż kontury, ale mogą z powodzeniem komunikować dość specyficzne kształty terenu. Są szczególnie skuteczne w pokazywaniu stosunkowo niskiej rzeźby terenu, takiej jak pagórki. Był to standard na mapach topograficznych Niemiec aż do XX wieku.
Podjęto wiele prób odtworzenia tej techniki przy użyciu cyfrowych danych GIS, z mieszanymi wynikami.
Linie konturowe
Po raz pierwszy opracowane we Francji w XVIII wieku, linie konturowe (lub izohypsy) to izolinie o równej wysokości. Jest to najczęstszy sposób ilościowej wizualizacji wysokości, znany z map topograficznych .
Większość badań krajowych w XVIII i na początku XIX wieku nie odnotowała rzeźby terenu na całym obszarze, obliczając jedynie rzędne punktów w punktach pomiarowych. United States Geological Survey (USGS) Badanie mapy topograficzne zawarte reprezentacji konturu ulgi, a więc mapy, które ulgę show, szczególnie z dokładnym reprezentacji elewacji, zaczęto nazywać mapy topograficzne (lub mapy „topo”) w Stanach Zjednoczonych , a użycie rozprzestrzeniło się na cały świat.
Na mapach produkowanych przez Swisstopo kolor warstwic służy do wskazania rodzaju gruntu: czarny dla nagich skał i piargów , niebieski dla lodu i podwodnych konturów, a brązowy dla terenu pokrytego ziemią.
Kontury Tanaka (relief)
Tanaka (podcięcia) kontury technika jest metoda stosowana do oświetlania linii obrysu, aby, które umożliwiają obserwację terenu. Linie są podświetlane lub cieniowane w zależności od ich relacji do źródła światła na północnym zachodzie. Gdyby ilustrowany obiekt zacieniał fragment linii konturowej, kontur ten byłby reprezentowany przez czarny pasek. W przeciwnym razie zbocza skierowane w stronę źródła światła byłyby reprezentowane przez białe paski.
Metoda ta została opracowana przez profesora Tanakę Kitiro w 1950 roku, ale eksperymentowano z nią już w 1870 roku, z niewielkim powodzeniem ze względu na ograniczenia technologiczne w druku. Powstały teren w tym momencie był obrazem w skali szarości. Kartograf Berthold Horn stworzył później oprogramowanie do cyfrowego tworzenia Tanaka Contours, a Patrick Kennelly, inny kartograf, później znalazł sposób na dodanie koloru do tych map, czyniąc je bardziej realistycznymi.
Istnieje wiele problemów związanych z tą metodą. Historycznie technologia druku nie odwzorowywała dobrze konturów Tanaki, zwłaszcza białych linii na szarym tle. Ta metoda jest również bardzo czasochłonna. Ponadto tarasowy wygląd nie wygląda atrakcyjnie ani dokładnie w niektórych rodzajach terenu.
Odcienie hipsometryczne
Odcienie hipsometryczne (nazywane również kolorowaniem warstw, kolorowaniem elewacji, kolorowaniem elewacji lub kolorowaniem hisometrycznym) to kolory umieszczane między liniami warstwic w celu wskazania wysokości . Te odcienie są pokazane jako pasma koloru w schemacie stopniowanym lub jako schemat kolorów zastosowany do samych linii konturowych; każda metoda jest uważana za rodzaj mapy izarytmicznej . Barwieniem hipsometrycznym map i globusów często towarzyszy podobna metoda barwienia batymetrycznego w celu odzwierciedlenia różnic w głębokości wody.
Cieniowana ulga
Cieniowany relief lub cieniowanie wzgórza pokazuje kształt terenu w realistyczny sposób, pokazując, jak trójwymiarowa powierzchnia byłaby oświetlona punktowym źródłem światła. Te cienie normalnie postępować konwencję górnym rogu oświetlenia , w których źródło światła jest umieszczone w pobliżu lewym górnym rogu mapy. Jeśli mapa jest zorientowana z północą u góry, rezultat jest taki, że światło wydaje się pochodzić z północnego zachodu. Chociaż jest to nierealistyczne oświetlenie na półkuli północnej, użycie południowego źródła światła może powodować wielostabilne złudzenia percepcji , w których topografia wydaje się odwrócona.
Cieniowany relief był tradycyjnie rysowany węglem drzewnym , aerografem i innymi środkami artysty. Szwajcarski kartograf Eduard Imhof jest powszechnie uważany za mistrza techniki i teorii ręcznego cieniowania wzgórz. Cieniowany relief jest dziś prawie wyłącznie generowany komputerowo z cyfrowych modeli terenu (DEM). Matematyczną podstawą analitycznego cieniowania wzgórz jest obliczenie normalnej powierzchni w każdym miejscu, a następnie obliczenie kąta między tym wektorem a wektorem wskazującym na oświetlenie za pomocą iloczynu skalarnego ; im mniejszy ten kąt, tym więcej światła otrzymuje dane miejsce. Jednak większość implementacji oprogramowania korzysta z algorytmów, które skracają te obliczenia. To narzędzie jest dostępne w różnych programach GIS i graficznych, w tym Photoshop , QGIS , GRASS GIS lub rozszerzeniu ArcMap 's Spatial Analyst .
Chociaż te stosunkowo proste narzędzia sprawiły, że cieniowany relief stał się niemal wszechobecny na mapach, wielu kartografów było niezadowolonych z produktu i opracowało techniki poprawiające jego wygląd, w tym:
Podświetlane cieniowanie
Wkład Imhof obejmował wielokolorowe podejście do cieniowania, z fioletami w dolinach i żółcieniami na szczytach, co jest znane jako „podświetlone cieniowanie”. Podświetlenie boków terenu zwróconych w stronę źródła światła kolorami żółtymi zapewnia większy realizm (ponieważ bezpośrednie światło słoneczne jest bardziej żółte, a światło otoczenia jest bardziej niebieskie), wzmacnia wrażenie trójwymiarowości terenu i sprawia, że mapa jest bardziej estetyczne i artystyczne. Wykonano wiele pracy przy cyfrowym odtwarzaniu pracy Eduarda Imhofa , który w niektórych przypadkach odniósł spory sukces.
Wielokierunkowe cieniowanie
Powszechną krytyką generowanego komputerowo analitycznego cieniowania wzgórz jest jego surowy, sztuczny wygląd, w którym zbocza skierowane w stronę światła są jednolicie białe, a zbocza odwrócone są jednolicie czarne. Raisz nazwał to „plastycznym cieniowaniem”, a inni powiedzieli, że wygląda jak księżycowy krajobraz. Jednym z rozwiązań jest włączenie wielu kierunków oświetlenia, aby imitować efekt oświetlenia otoczenia, tworząc znacznie bardziej realistycznie wyglądający produkt. W tym celu zaproponowano wiele technik, w tym wykorzystanie oprogramowania systemów informacji geograficznej do generowania wielu cieniowanych obrazów reliefowych i uśredniania ich razem, korzystania z oprogramowania do modelowania trójwymiarowego do renderowania terenu oraz niestandardowych narzędzi programowych do imitowania naturalnego oświetlenia przy użyciu nawet setek indywidualnych źródła. Stwierdzono, że ta technika jest najskuteczniejsza na bardzo nierównym terenie w średniej skali od 1:30 000 do 1:1 000 000.
Mapowanie tekstur/wypukłości
Możliwe jest uczynienie terenu bardziej realistycznym poprzez naśladowanie trójwymiarowego wyglądu nie tylko gołej powierzchni terenu, ale także elementów ją pokrywających, takich jak budynki i rośliny. Mapowanie tekstur lub mapowanie wypukłości to technika zaadaptowana z grafiki komputerowej, która dodaje warstwę cieniowanej tekstury do cieniowanej rzeźby powierzchni, która imituje wygląd lokalnego pokrycia terenu. Tę teksturę można wygenerować na kilka sposobów:
- Zastępowanie tekstury : Kopiowanie, abstrahowanie i łączenie teledetekcyjnych obrazów pokrycia terenu.
- Generowanie tekstur : tworzenie symulowanej warstwy elewacji pokrycia terenu w GIS, takiej jak losowe rozproszenie „drzew”, a następnie wygenerowanie cieniowanego reliefu tego.
- Pomiar wysokości : przy użyciu technik teledetekcji o wysokiej rozdzielczości, zwłaszcza Lidar i dronów , do bezpośredniego lub pośredniego (poprzez fotogrametrię ) pomiaru wysokości i/lub kształtu cech pokrycia terenu oraz zacienienia powierzchni wzniesienia.
Ta technika jest najbardziej użyteczna przy tworzeniu realistycznych map w stosunkowo dużych skalach, od 1:5000 do 1:50 000.
Rozdzielczość mieszanie lub uderzanie
Jednym z wyzwań związanych z cieniowanym reliefem, szczególnie w małych skalach (1:500 000 lub mniej), jest to, że technika ta jest bardzo dobra w wizualizacji lokalnego reliefu (o wysokiej częstotliwości), ale może nie pokazać efektywnie większych cech. Na przykład nierówny obszar wzgórz i dolin będzie wykazywał taką samą lub większą zmienność niż duża, gładka góra. Podbijanie rozdzielczości to hybrydowa technika opracowana przez kartografa NPS Toma Pattersona w celu złagodzenia tego problemu. DEM o wysokiej rozdzielczości jest uśredniany w wersji mocno wygładzonej (tj. znacznie grubsza rozdzielczość). Zastosowanie do tego algorytmu cieniowania terenu powoduje mieszanie drobnych szczegółów oryginalnego modelu terenu z szerszymi cechami uwydatnionymi przez model wygładzony. Ta technika działa najlepiej na małą skalę iw regionach, które są stale surowe.
Ukośny widok
Trójwymiarowy widok (rzutowany na dwuwymiarowy nośnik) powierzchni Ziemi wraz ze znajdującymi się na niej cechami geograficznymi. Wyimaginowane widoki miast z lotu ptaka zostały po raz pierwszy wyprodukowane w późnym średniowieczu , ale te „widoki z lotu ptaka” stały się bardzo popularne w Stanach Zjednoczonych w XIX wieku. Pojawienie się GIS (zwłaszcza ostatnie postępy w wizualizacji trójwymiarowej i globalnej) oraz oprogramowania do modelowania grafiki trójwymiarowej sprawiło, że tworzenie realistycznych widoków lotniczych jest stosunkowo łatwe, chociaż wykonanie wysokiej jakości projektów kartograficznych na tych modelach pozostaje wyzwaniem.
Mapa wypukłych reliefów
Jest to mapa, na której płaskorzeźba jest pokazana jako obiekt trójwymiarowy. Najbardziej intuicyjnym sposobem zobrazowania reliefu jest naśladowanie go w dużej skali. Ręcznie wykonane dioramy mogą sięgać 200 roku p.n.e. w Chinach, ale masowa produkcja nie stała się dostępna aż do II wojny światowej wraz z wynalezieniem plastikowych map formowanych próżniowo i skomputeryzowaną obróbką w celu wydajnego tworzenia form. Obróbka jest również wykorzystywany do tworzenia dużych modeli niestandardowych z podłoży, takich jak pianka o wysokiej gęstości, a nawet może je pokolorować podstawie fotografii lotniczej umieszczając atramentowej głowicy na urządzeniu do obróbki. Pojawienie się druku 3D wprowadziło znacznie bardziej ekonomiczne sposoby tworzenia map wypukłych, chociaż większość drukarek 3D jest zbyt mała, aby wydajnie produkować duże dioramy.
Wykonanie
Renderowanie terenu obejmuje różne metody przedstawiania powierzchni świata rzeczywistego lub wyimaginowanego . Najczęstszym sposobem renderowania terenu jest przedstawienie powierzchni Ziemi . Jest używany w różnych aplikacjach, aby dać obserwatorowi punkt odniesienia . Jest również często używany w połączeniu z renderowaniem obiektów nie terenowych, takich jak drzewa , budynki , rzeki itp.
Istnieją dwa główne tryby renderowania terenu: renderowanie z góry na dół i renderowanie perspektywiczne . Renderowanie terenu z góry na dół jest znane od wieków w postaci map kartograficznych . Od dłuższego czasu znane jest również renderowanie terenu w perspektywie. Jednak dopiero wraz z pojawieniem się komputerów i grafiki komputerowej renderowanie perspektywiczne stało się głównym nurtem.
Struktura
_screenshots_(35277781514).jpg)
Typowa aplikacja do renderowania terenu składa się z bazy danych terenu , jednostki centralnej (CPU), dedykowanego procesora graficznego (GPU) i wyświetlacza. Aplikacja jest uruchamiana w momencie początkowego położenia w przestrzeni światowej . Wynikiem działania aplikacji jest odwzorowanie rzeczywistego świata na ekranie w przestrzeni ekranu. Aplikacja wykorzystuje procesor do identyfikacji i ładowania danych terenowych odpowiadających początkowej lokalizacji z bazy danych terenu, a następnie stosuje wymagane przekształcenia w celu zbudowania siatki punktów, które mogą być renderowane przez GPU, który dokonuje przekształceń geometrycznych, tworząc obiekty przestrzeni ekranu ( takie jak wielokąty ), które tworzą obraz bardzo przypominający położenie w świecie rzeczywistym.
Tekstura
Istnieje kilka sposobów teksturowania powierzchni terenu. Niektóre aplikacje korzystają z używania sztucznych tekstur, takich jak kolorowanie elewacji, szachownica lub inne tekstury ogólne. Niektóre aplikacje próbują odtworzyć powierzchnię świata rzeczywistego w możliwie najlepszym odwzorowaniu za pomocą zdjęć lotniczych i zdjęć satelitarnych .
W grach komputerowych , tekstury splatting służy do teksturowania powierzchni terenu.
Pokolenie
Istnieje wiele różnych metod generowania powierzchni terenu. Głównym problemem rozwiązywanym przez wszystkie te metody jest zarządzanie liczbą przetwarzanych i renderowanych wielokątów. Możliwe jest stworzenie bardzo szczegółowego obrazu świata przy użyciu miliardów punktów danych. Jednak takie aplikacje ograniczają się do statycznych obrazów. Większość zastosowań renderowania terenu to ruchome obrazy, które wymagają od aplikacji podejmowania decyzji o uproszczeniu (poprzez odrzucenie lub aproksymację) źródłowych danych terenu. Praktycznie wszystkie aplikacje do renderowania terenu wykorzystują poziom szczegółowości do zarządzania liczbą punktów danych przetwarzanych przez CPU i GPU. Istnieje kilka nowoczesnych algorytmów generowania powierzchni terenu.
Aplikacje
Renderowanie terenu jest szeroko stosowane w grach komputerowych do reprezentowania zarówno powierzchni Ziemi, jak i wyimaginowanych światów. Niektóre gry mają również deformację terenu (lub deformowalny teren).
Jednym z ważnych zastosowań renderowania terenu są syntetyczne systemy wizyjne . Piloci latający samolotami czerpią duże korzyści z możliwości widzenia powierzchni terenu przez cały czas, niezależnie od warunków panujących na zewnątrz samolotu.
Linie szkieletowe, strukturalne lub przerwane
Podkreśla hydrologiczny podział odwadniający i cieki zlewni.
Fora i stowarzyszenia
Przedstawienie reliefu jest szczególnie ważne w regionach górskich . Komisja ds Mountain Kartografii z Międzynarodowego Stowarzyszenia Kartograficznej jest najbardziej znanym forum do dyskusji na temat teorii i techniki mapowania tych regionów.
Zobacz też
- Etykietowanie kartograficzne
- Mapy obrazkowe
- Mapowanie geograficzne
- Clipmapy geometrii
- ROAM (optymalnie dopasowująca się siatka w czasie rzeczywistym)
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Shaded Relief , strona internetowa Toma Pattersona
- Relief Shading , strona internetowa Instytutu Kartografii w ETH Zurich
- Wikipedia Graphic Lab , samouczek dotyczący tworzenia cieniowanych map reliefowych przy użyciu bezpłatnego oprogramowania o otwartym kodzie źródłowym
- Renderowanie mapy przy użyciu techniki cieniowania reliefowego w programie Photoshop
- Wirtualny projekt terenu