Изображение рельефа на картах с помощью цветовой и светотеневой пластики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изображение рельефа на картах с помощью цветовой и светотеневой пластики

Комплексная цель модуля - ознакомить студентов с основными способами цветовой и светотеневой пластики изображения рельефа на общегеографических и тематических картах. Освоение компьютерных технологий цветовой и светотеневой пластики.

Сущность цветовой пластики. Гипсометрические шкалы

Приемы оформления, зрительно создающие восприятие объемности, трехмерности и глубины пространства, относятся к пластическим способам изображения. Применение этого художественного приема особенно эффективно при оформлении рельефа на географических картах, когда создается зрительное восприятие объемности положительных и отрицательных форм рельефа.

Задача оформления рельефа - получение на карте выразительного представления о формах и типах рельефа, расчлененности поверхности, вертикальной зональности и т.п.

Предпосылками подхода к графическому выражению рельефа являются географические знания общих законов строения рельефа и изучение конкретной изображаемой территории. При создании гипсометрической карты определенного масштаба и назначения разрабатывают шкалу ступеней высот и глубин с постоянными или переменными интервалами сечения рельефа - гипсометрическую шкалу. Ее наглядность, пластический эффект обеспечивается применением цветовой пластики, на основе которой строят цветовую шкалу послойной окраски по ступеням высот и глубин.

Цветовые гипсометрические шкалы должны удовлетворять определенным условиям. Главные из них:

1) логическая последовательность изменения цветовых характеристик по ступеням высот;

2) постепенность перехода цвета в ступенях;

3) более четкое выделение цветом качественных рубежей в рельефе (высотных зон суши или зон глубин океана);

4) общая цветовая гармония шкалы, создающая впечатление

5) цельности, единой поверхности рельефа;

Построение цветовых шкал рельефа, создание в них пластичности восприятия, объемности, впечатления глубины и возрастания высоты ступеней во многом зависят от правильного использования и учета взаимодействия основных характеристик цвета. Закономерно построенные цветовые ряды шкал, обеспечивающие плавность переходов ступеней и одновременно их четкую различимость между собой, подчинены влиянию психофизического закона зрительного восприятия.

Выбор цветовой гаммы гипсометрических шкал конкретных карт зависит от: масштаба; назначения и типа карт; особенностей рельефа территории; площади ее охвата; характера использования карт.

Детальность гипсометрической шкалы (число интервалов сечения, применение шкал с постоянной или переменной высотой сечения, характер изменения цветовых параметров) связаны с масштабом, назначением и типом карты.

На общегеографических картах, предназначенных для средней школы, интервалы сечения обычно разрежены, а на общегеографических картах научно-справочного назначения шкалы сечения рельефа строят более подробными, но для обеспечения наглядности послойной окраски число цветовых ступеней по сравнению с общим количеством ступеней в шкале принимается значительно меньшим.

На выбор цветовых шкал влияют особенности рельефа территории и площадь ее охвата. Цветовая шкала, построенная по принципу увеличения светлоты с высотой, наиболее эффективная для рельефа горных районов Для районов с равнинным и среднегорным рельефом, а также территорий значительного охвата с большим разнообразием высотных зон целесообразны шкалы, строящиеся по принципу возрастания насыщенности и теплоты цвета с высотой

Таблица - Соотношение общего числа интервалов сечения рельефа и цветовых ступеней гипсометрических шкал

Рис. Гипсометрические шкалы: а- зелено-коричневая; б - возрастающей насыщенности и теплоты цвета с высотой; в - осветляющая с высотой; г - шкала глубин

Характер использования карты (настольная или стенная, демонстрационная) определяет специфику оформления цветовой шкалы: яркие и насыщенные тона применяются для стенных карт и, наоборот, мягкие цветовые переходы оттенков одного цвета для настольных карт.

Принципы построения гипсометрических шкал

Развитие гипсометрического метода изображения рельефа, создание мелкомасштабных гипсометрических карт повлекли разработку многообразных цветовых шкал, основанных на различных принципах их построения.

Гипсометрическая шкала представляет собой цветовой ряд, построенный по определенным принципам. Все цветовые шкалы подразделяются на шкалы однородных и смешанных рядов.

Шкалы однородных цветовых рядов строят по цветовому тону и светлоте.

Построение шкалы по цветовому тону - переход от холодных цветов к теплым при постоянной светлоте и насыщенности в ступенях. Впервые такая шкала была разработана в конце XIX в. для венского издательства «Фрейтаг». Ее цветовой строй - мало насыщенный ряд голубовато-зеленых, охристо-желтых, оранжевых и красных цветов. Шкала отличается высокой светлотой и хорошо сочетается со светотеневым оформлением рельефа. В этой шкале в начале XX в. издавались карты во многих странах.

Шкалы, изменяющиеся по светлоте, строят по принципам постепенного понижения светлоты с высотой (чем выше, тем темнее) и, наоборот, осветления с высотой (чем выше, тем светлее) без увеличения насыщенности.

Применением утемняющейся с высотой шкалы, состоящей из желто-коричневого, коричневого и темно-коричневого цветов, было положено начало научно обоснованного оформления рельефа послойной окраской.

Осветляющиеся шкалы строят по принципу осветления ступеней с высотой при постоянной насыщенности.

Шкалы смешанных цветовых рядов строят изменением двух или трех цветовых параметров. При этом можно получить весьма разнообразные гипсометрические шкалы. Наиболее распространенными и часто применяемыми на отечественных и зарубежных картах являются следующие типы шкал. светотеневой пластика рельеф карта

Зелено-коричневые шкалы (см. рис. 30) использовалась во многих картографических произведениях, в частности на Гипсометрической карте СССР масштаба 1: 5 000 000 (1938), гипсометрических картах Большого Советского атласа мира (1937), ряде учебных стенных карт, изданных в 30-е годы и др.

Спектральные шкалы. Слабый пластический эффект традиционных зелено-коричневых шкал побудил к замене темно-коричневого цвета в верхних ступенях шкалы оранжево-красными и красными. При этом применение достаточно чистых желтых и светлых коричневых тонов обеспечили хорошую пластичность в изображении рельефа (см. рис. 30б). В отображении низменностей насыщенный зеленый цвет заменен более мягкими осветленными зелеными тонами. Такая шкала, которую условно можно назвать спектральной, получила широкое применение в оформлении рельефа многих современных карт на Гипсометрической карте СССР масштаба 1:2 500 000 (1959), Атласе мира (1967, 1999), атласе «Природа и ресурсы мира» (1999), Атласе России (1998), многих учебных картах и атласах.

Многоцветные осветляющиеся шкалы (см. рис. 30в). В группе многоцветных шкал заслуживают внимания шкалы увеличивающейся кверху светлоты с постоянной или изменяющейся насыщенностью. Правильно построенная по принципу осветления шкала при совмещении с отмывкой дает хорошие результаты по своей живописности, пластике, отображению типов и расчлененности рельефа. Эти шкалы широко применялись в оформлении рельефа на учебных школьных картах. Осветляющиеся шкалы особенно целесообразны для географических районов с горным рельефом. В различной цветовой гамме они были применены в сочетании с отмывкой на картах высших учебных заведений горных районов, в частности на карте «Памир и Тянь-Шань», Армянской ССР и др.

Рис. Цветная аналитическая отмывка горного рельефа

Построение многоцветных шкал возможно с осветлением цветов к обоим концам шкалы. Такой принцип построения использован Скворцовым на большой мозаичной карте СССР, находящейся в Эрмитаже (г. Санкт-Петербург). Выразительны и наглядны по своей пластике шкалы с двойным переломом по насыщенности и светлоте: нижние ступени (равнины) даются традиционным зеленым цветом с осветлением вверх, средние (возвышенности, низкие и средние горы) - увеличением насыщенности цвета с высотой, а верхние ступени (высокие горы) - вновь резким осветлением цвета. Этот способ впервые был применен на картах рельефа Атласа СССР (1934). Шкалы с таким принципом построения применяются и на современных картах.

Батиметрические шкалы. Для показа рельефа морского дна применяются традиционные одноцветные шкалы голубого цвета возрастающей с глубиной насыщенности и понижением светлоты. Возросшая изученность рельефа дна океана, издание новейших карт и атласов океанов с подробным изображением типов и форм рельефа побудили к разработке и применению многоцветных шкал, наглядно и пластично отображающих характерные зоны глубин и их специфические формы. Экспериментальные работы в этом направлении начаты в связи с созданием новых серий карт для высших учебных заведений.

Впервые многоцветная шкала рельефа морского дна принята на стенной Орографической карте мира масштаба 1:15000000 (1983). Для всей гаммы в целом характерно общее понижение светлоты с глубиной.

Использование многоцветной шкалы в оформлении рельефа дна океана значительно усиливает наглядность и выразительность карты, что особенно важно при чтении карты с расстояния, т.е. ее использовании как стенной, демонстрационной.

Современная изученность рельефа дна океанов делает возможным создание единой многоцветной взаимосвязанной шкалы суши и моря.

Сущность светотеневой пластики

К способам, позволяющим создать объемное, пространственное изображение рельефа на плоскости, относится также и светотеневая пластика. Получение объемного изображения основано на принципах изобразительного искусства.

Светотень - система тональных переходов от светлого к темному. Степень светлоты, плавность или резкость границ светотени зависят от особенностей рельефа местности.

Элементы светотени: свет, собственная тень, падающая тень, полутень, тени в углублениях, рефлекс, блик.

Рис. Элементы светотени: а - свет (1), собственная тень(2), падающая тень (3); б - рассеивание и отражение света в углублениях; в - схема рефлекса в вертикальной плоскости.

Свет - участок, освещенный источником и максимально отражающий свет в сторону наблюдателя.

Собственная тень - неосвещенная часть предмета, контур тени во многом передает форму объекта.

Падающая тень - тень, отбрасываемая предметом на соседние объекты. Падающая тень может в разной степени закрывать освещенные поверхности. Контуры ее определяются направлением лучей света, формой предмета, отбрасывающего тень, и положением поверхности, на которую падает тень. В рельефе падающая тень создает ощущение отступания формы.

Полутень - участок, где свет падает под большим углом. Тени в углублениях - темные места, где свет теряется из-за многократных его отражений; в результате ослабления света в отрицательных формах рельефа тени становятся интенсивнее.

Рефлекс - освещение отраженными лучами соседних предметов. Отраженный свет всегда слабее направленного вследствие поглощения. Изобразительные свойства рефлекса состоят в том, что он передает объемность форм, закрытых собственной тенью, и создает общий эффект объемности изображаемого рельефа.

Блик - направленное отражение света от гладкой поверхности.

Особенности светотеневого изображения, характер распределения элементов светотени в рельефе связаны с направлением света и условиями освещения. Наиболее эффективным является направление света, не совпадающее с лучом зрения наблюдателя; при этом на формах четко проявляются все элементы светотени.

В практике светотеневого изображения применяют отвесное освещение, при котором источник света направлен под углом 90° к горизонтальной плоскости, и косое (боковое), где источник света занимает промежуточное положение между отвесным и горизонтальным.

Рис. Схема освещенности поверхностей: а - отвесное; б - косое (боковое) освещение

При отвесном освещении распределение света и тени зависит от крутизны склонов, т.е. чем больше угол наклона поверхности к горизонту, тем меньше угол падения луча света и, соответственно, ее освещенность. При угле наклона 90° поверхности полностью закрыты тенью. Здесь действует принцип: «чем круче, тем темнее».

На рисунке видно, что при отвесном освещении большая часть поверхности является полуосвещенной (за исключением горизонтальной). При этом наблюдается слишком слабая контрастность света и тени и это не создает отчетливого восприятия специфики форм горного рельефа. Применение отвесного освещения дает хорошие результаты для изображения холмисто-эрозионного рельефа.

При косом освещении в практике оформления карт наибольшее применение получило светотеневое изображение рельефа. Косое освещение дает резкие контрасты света и тени, подчеркивая тем самым направление крупных орографических структур и их расчлененность.

Но этот метод не дает правильного отображения крутизны склонов; увеличение тени с высотой носит условный характер. Интенсивность светотени и ее объективное распределение на поверхности могут быть определены через освещенность, пропорциональную косинусу угла между направлением светового луча и нормалями к поверхности.

Получив значения освещенности в разных точках поверхности, построив изофоты (линии равной освещенности), можно дать правильное распределение светотеней на различных элементах рельефа. Но трудоемкость подобной работы делает ее малореальной. Использование средств автоматизации позволяет разработать более рациональные методы выполнения светотеневого изображения рельефа на географических картах.

При использовании косого (бокового) освещения необходимо определить азимутальное направление света, учитывая, что источник света, подобно солнцу, меняет не только высоту, но и положение относительно сторон горизонта. На рисунке рельеф морского дна показан при юго-восточном освещении.

Рис. Изображение рельефа дна Атлантического океана перспективным способом в сочетании со светотенью (Национальное географическое общество США, 1968)

Однако в картографической практике принято северо-западное освещение. Это связано с традиционным и наиболее удобным положением источника света при чтении, черчении и т.п., когда свет падает слева (или сверху). Такое постоянство направления световых лучей упрощает нанесение теней. Наибольшая пластичность при северо-западном освещении достигается при высоте источника света около 30°.

Комбинированное освещение сочетает в себе принципы отвесного и косого освещений, а также воздушной перспективы. Суть последнего состоит в изменении цвета, понижении четкости и контрастности предмета с его удалением от глаза наблюдателя под влиянием воздушной дымки (мутные среды).

Широкий диапазон изменения направления света при комбинированном освещении позволяет сохранить большее географическое подобие рельефа. Но в практике оформления комбинированное освещение используется редко ввиду сложности учета всех светотеневых изменений отвесного и косого освещения на многообразных формах рельефа.

Графические и компьютерные приемы светотеневого изображения

Для получения светотеневого изображения используют различные графические приемы: штрихи, тушевку, отмывку, фоторельеф (фотография с рельефной модели), освещенные горизонтали.

Их применение обусловлено развитием техники картоиздания.

До середины XIX в. единственным способом печатания карт была гравюра, которая допускала лишь воспроизведение штрихового рисунка. Использовались два принципа построения штрихов:

1) штрихи крутизны строились по принципу отвесного освещения поверхности земли. Вычерчивание штрихов производилось, по правилу «чем круче, тем темнее».

2) теневые штрихи строились по принципу косого (бокового) освещения.

Самый известный опыт использования теневых штриховых -«Топографическая карта Швейцарии» масштаба 1:100 000, которая до сих пор является шедевром художественного исполнения рельефа.

С введением литографии (в середине XIX в.) освоен в печати способ светотеневого изображения рельефа - отмывка кистью или тушевка карандашом. Он является наиболее распространенным способом в оформлении рельефа на современных картах.

Тушевка - средство художественного непрерывного полутонового изображения. Совершенствование технологии создания карт, использование прозрачных пластиков в составительских работах при изготовлении полутоновых оригиналов значительно расширило применение тушевки в картографическом производстве. Практика воспроизведения рельефа в печати, изготовленного этим способом, показала хорошее качество и подтвердила его рациональность.

Отмывка - наиболее выразительный прием светотеневого изображения карт. Изображение может быть ахроматическим и цветным. На географических картах отмывка используется как самостоятельный способ изображения рельефа в основном на мелкомасштабных картах (общегеографических и тематических), а также на туристских картах разных масштабов.

Для повышения точности и пластичности изображения рельефа применяют сочетание отмывки с горизонталями и послойной окраской, что особенно эффективно на общегеографических картах горных территорий.

При этом читаемость рельефа во многом зависит от выбора цветовой шкалы послойной окраски.

Рис. Аналитическая отмывка горного рельефа в сочетании с послойной окраской (в осветляющей шкале)

Шкалы, построенные по принципу: «чем круче, тем темнее» в сочетании с отмывкой, дают небольшой пластический эффект и, кроме того, из-за низкой светлоты в верхних ступенях снижают читаемость других элементов содержания карты. Поэтому для совместного применения с отмывкой разрабатывают цветовые шкалы с постоянной светлотой, обеспечивая прозрачность цветов во всей шкале.

Светотеневое изображение рельефа на карте можно получить фотографированием рельефной модели местности - фоторельефом.

Фоторельеф может быть основным содержанием карты с незначительным нанесением других элементов. В других случаях фотография с рельефной модели впечатывается в карту с тематическим содержанием и служит его основой.

При пластическом оформлении рельефа при отображении его горизонталями (изобатами) используют два приема:

1) изменение толщины линий горизонталей на освещенных и затененных склонах (тонкие линии на освещенных, утолщенные - на затененных). Линии разной толщины создают эффект распределения света и тени, усиливают наглядность изображения.

2) оформление горизонталей в два цвета по принципу косого освещения: белый -- на освещенных склонах, черный - на затененных с плавным изменением толщины линий в зависимости от направления светового луча. Этот способ получил название - освещенные горизонтали (изобаты).

Впервые его применил японский картограф И. Танака для отображения рельефа дна Тихого океана. Оформление белым цветом освещенных и синим - затененных участков рельефа на голубом фоне окраски моря создает наилучший пластический эффект и отражает реалистическую картину многообразия форм и типов рельефа морского дна.

Способ освещенных изобат нашел широкое применение на многих современных картах рельефа дна Мирового океана и Атласов океанов.

К другим художественным приемам относится перспективное изображение рельефа, применяемое ранее на старинных картах и вновь появившееся на современных в виде наглядных перспективных изображений типов рельефа.

Рис. Перспективные знаки морфологических ландшафтов

1 - ледники (глетчеры); 2 - высокогорье; 3 - высокогорья альпийские; 4 - среднегорья; 5 - холмистые области; 6- омоложенные горы; 7 - остаточная равнина (пенеплен); 8 - остаточная равнина, подвергшаяся омоложению; 9 - лессовые области; 10 - моренный ландшафт; 11 - друмлины; 12 - фьорды; 13 - аллювиальная подгорно-веерная равнина; 14 - куэсты; 15 - плато, омоложенные в аридных условиях; 16 - вулканы.

Перспективный способ используется также на современных картах для оформления рельефа морского дна, где он в сочетании со светотенью создает хорошую пластичность и наглядность в передаче крупных структур и отдельных форм рельефа.

Географические принципы светотеневого изображения рельефа

Отмывка как один из методов изображения рельефа должна отвечать общим требованиям, предъявляемым к его отображению на географических картах. Эти требования базируются на научно разработанных методах и приемах составления рельефа, основанных на глубоких географических знаниях территории, в частности структуры земной коры, рельефообразующих факторов, характера развития рельефа и т.п. Важным этапом являются подготовительные работы, цель которых состоит в географическом изучении картографируемой территории, выявлении главных орографических направлений, общей картины рельефа, особенностей морфологии его типов и отдельных форм.

Основной результат подготовительных работ - составление орографической схемы в масштабе будущего оригинала карты с кратким описанием. Содержание орографической схемы зависит от характера рельефа территории. Такая схема особенно важна для выполнения отмывки горных районов, где рельеф имеет сложное строение. Орографическая схема (рис. 37а) обеспечивает:

1) сохранение географического правдоподобия рельефа на карте (направление горных хребтов, их протяженность, степень расчленения, относительные высоты);

2) правильное отображение типа рельефа и его крупных форм;

3) выявление закономерностей и характера распределения светотени (резкость границ света и тени, плавность переходов, интенсивность тени и т.д.) для отображения характерных черт рельефа территории.

Светотеневой способ изображения рельефа используется главным образом на мелкомасштабных картах (мельче масштаба 1:1000000). Исключение составляют обзорно-топографическая карта масштаба 1:500000, где рельеф показан сочетанием горизонталей, послойной окраски и отмывки, некоторые зарубежные топографические карты, а также туристские, где рельеф дается с большим обобщением. На картах мелкого масштаба ставится задача отображения крупных типов и форм рельефа. Их можно объединить в два комплекса: равнинный и рельеф гор и плоскогорий.

Наибольшую сложность представляет отмывка горного рельефа, имеющего большее разнообразие типов, структуры и характера расчленения. Многие типы горного рельефа (например, горные хребты, нагорья, плоскогорья, горноостанцовый рельеф, куэсты), вулканический рельеф требуют различного подхода в их оформлении отмывкой, когда светотенью передаются массивность и монолитность крупных орографических единиц.

Рис. 37. Орографическая схема, составленная для отмывки рельефа (а), Наиболее интенсивные тени даются у гребней острые скалистые гребни показывают линией зубчатого рисунка при резком разграничении света и тени. направление структурных линий хребтов: 1 - главные, 2 - средние, 3 - небольшие, 4 - хребты с острыми гребнями, 5 - хребты с асимметричными склонами, 6 - глубоко врезанные долины с крутыми склонами. Отмывка рельефа того же района (б).

Вулканический рельеф близок к форме конических поверхностей. При северо-западном освещении наибольший контраст света и тени создается у вершины вулкана. Подножие освещенного склона обычно подтеняется за счет влияния воздушной перспективы, а подножие теневого склона соответственно слегка осветляется. Куэсты представляют собой асимметричные гряды наклонной моноклинальной структуры, у которых один склон крутой, другой - пологий. Интенсивностью светотени подчеркивается асимметрия гряд и характерная для них параллельность. При сильном поперечном расчленении куэст важно сохранить наглядность направления основных структурных линий. Резкой сменой света и тени передается большая крутизна скалистых участков и обрывов.

Равнинный рельеф в изображении отмывкой не представляет трудности. Для равнинно-эрозионного рельефа более целесообразно, например, использование отвесного освещения, при этом тени дают лишь в эрозионных формах (овраги, балки; долины), подчеркивая степень расчленения, а остальные формы не показывают.

Рис. Отмывка эрозионного рельефа равнин

Плоскогорья с плосковершинным характером поверхности при их изображении отмывкой должны сохранить свою специфику. При этом необходимо отобразить расчлененность поверхности (трещины, разломы, уступы) и характер склонов. В этом случае применяется дополнительно отвесное освещение.

Отмывку моренно-холмистого рельефа производят при, косом освещении, причем светотенью передают все формы (склоны террас, овраги - интенсивной тенью, холмы - мягкими полутонами, обрисовывающими их округлую форму). Такой прием отмывки эффективен для карт крупного масштаба, позволяющий в деталях выразить особенности поверхности, тип рельефа.

Компьютерные технологии светотеневой пластики

С внедрением средств автоматизации в картографическое производство стали развиваться цифровые методы светотеневого оформления рельефа, получившие название аналитической отмывки.

Основой для создания аналитической отмывки является цифровая модель рельефа (ЦМР). В ГИС приняты две основные формы хранения ЦМР: триангуляционная (TIN) и сеточная (GRID).

Триангуляционная модель представляет собой набор произвольно расположенных точек со значениями высот в них вместе со структурой триангуляции, построенной по этим точкам (как правило, это триангуляция Делоне). Поверхность в этой модели представляется в виде многогранника, т.е. на каждом треугольнике это линейная функция, которая, как известно, определяется однозначно по трем точкам в пространстве. Областью определения триангуляционной модели является выпуклая оболочка множества исходных точек.

Сеточная модель представляет собой матрицу значений высот в узлах регулярной прямоугольной сетки на плоскости. Областью определения такой модели является прямоугольник. Расстояния между узлами сетки по горизонтали и вертикали называют шагом сетки. Для создания цифровых моделей рельефа используется специализированное программное обеспечение, которое может быть самостоятельным или входить отдельным модулем в какую-либо ГИС. Исходными данными для моделирования служат значения высот в отдельных точках, полученные путем полевых измерений или фотограмметрическими методами, либо горизонтали, оцифрованные с топографических карт. Для цифрового графического представления аналитической отмывки используется растровое изображение в черно-белой шкале. Стандартным является формат, в котором используется 8 бит (1 байт) для кодировки цвета в одном пикселе, что позволяет отобразить 256 оттенков серого цвета. Как правило, размер результирующего растрового изображения может быть выбран пользователем произвольно, исходя из предполагаемого устройства вывода (дисплей или печатающее устройство), хотя некоторые программы, работающие с сеточными ЦМР, позволяют создавать изображение только того же размера, что и цифровая модель.

Существующие на настоящий момент методы аналитической отмывки можно разделить на четыре основных класса, пронумерованных по возрастанию сложности реализующих их алгоритмов с:

1) единственным постоянным источником освещения;

2) несколькими постоянными источниками освещения разной интенсивности;

3) несколькими постоянными источниками освещения, интенсивность которых для каждой точки поверхности меняется в

4) зависимости от экспозиции склона в этой точке;

5) единственным источником освещения, положение которого локально изменяется согласно карте структурных линий (хребтов и тальвегов).

В большинстве ГИС и программ для автоматизированного картографирования используется только простейший первый метод, представляющий собой непосредственную реализацию модели освещенности Ламберта. Параметром здесь является вектор направления на источник освещения, который задается, как правило, с помощью горизонтального (азимут) и вертикального углов. Азимут может отсчитываться либо от направления на север по часовой стрелке (как принято в геодезии), либо от направления на восток против часовой стрелки (как принято в математике). В дальнейшем при указании значений азимута будет использоваться математический способ. Вертикальный угол принимает значения от 0° до 90°. Значение вертикального угла 90° соответствует отвесному освещению. Чаще всего используют значения 135° для азимута и 45° - для вертикального угла. На рисунке приведен пример аналитической отмывки с этими параметрами, а на рисунке- при отвесном освещении. Процесс создания аналитической отмывки выглядит следующим образом. Вначале вычисляют вектор нормали к поверхности для каждой точки растра, затем направление на источник света и определяют косинус угла между ними. Следует заметить, что для всех точек направление на источник света остается постоянным, а положение нормали меняется. Построение для обеих форм представления ЦМР проводится одинаково, за исключением вычисления вектора нормали, где требуется найти частные производные от функции, задающей поверхность.

Метод с одним постоянным источником освещения позволяет хорошо отражать крупные формы рельефа, однако он имеет существенные недостатки. Хребты и тальвеги, простирающиеся вдоль направления на источник, слабо подчеркнуты тенью, в то время как те же элементы, простирающиеся в перпендикулярном направлении, оттенены слишком сильно. Устранить или уменьшить эти недостатки можно простейшим способом - использовать в модели не один, а несколько постоянных источников освещения. Сначала значения интенсивности отраженного света подсчитываются для каждого источника отдельно, а итоговое значение интенсивности получается как их взвешенная сумма. Это соответствует тому, как если бы источники освещения имели разную интенсивность (мощность).

Рис. Аналитическая отмывка рельефа

а - косое освещение с одним постоянным источником; азимут 135є, вертикальный угол 45є; б - отвесное освещение с одним постоянным источником; в - косое освещение с тремя постоянными источниками; азимуты 210є, 135є, 60є; вертикальные углы 45є; веса 1, 2, 1; г - комбинация косого (а) и отвесного (б) освещения с весами 2 и 1.

На рис. приведен пример аналитической отмывки с тремя источниками освещения. Основной источник расположен по азимуту 135° и имеет вес (или мощность) два. Другие два источника расположены по обе стороны от основного на угловом расстоянии 75°, т.е. по азимутам 210° и 60°, и имеют вес единица. Вертикальные углы всех источников равны 45°. Неплохие результаты обычно дает комбинация косого и отвесного освещения, когда один источник имеет азимут 135°, вертикальный угол 45° и вес два, а второй имеет вертикальный угол 90°, азимут произвольный и вес единица. Второй источник в такой комбинации подчеркивает крутые склоны вне зависимости от их экспозиции. Пример аналитической отмывки с такими параметрами приведен на рис. 39г. При использовании модели с несколькими источниками необходимо учитывать, что из-за вычисления взвешенных средних контрастность изображения может существенно уменьшиться.

Существует метод, позволяющий улучшить качество отмывки за счет использования при вычислении окончательной интенсивности не постоянных, а переменных весов, которые зависят от экспозиции склона в каждой точке. В оригинальном варианте этого метода используется четыре источника освещения с азимутами 225°, 180°, 135°, 90° и вертикальным углом 30°. Веса источников определяются по формуле w(i) = sin²(a - t(i)), где угол a - экспозиция склона, t(i) - азимут (i)-го источника, w(i) - вес (i)-го источника. Метод с использованием локальной вариации весов позволяет хорошо отразить мелкие формы рельефа. Крупные формы при таком подходе выражены менее четко, чем в предыдущих методах.

Наиболее сложным является метод, в котором положение единственного источника освещения изменяется согласно карте структурных линий рельефа (хребтов и тальвегов). В этом методе делается попытка непосредственно применить методы ручной отмывки, описанные ранее. В отличие от предыдущих способов, где процесс аналитической отмывки выполняется автоматически и участие картографа сводится только к подбору параметров, способ локальной вариации азимута источника освещения требует от картографа создания карты структурных линий. Этот этап также может быть автоматизирован, благодаря разработке программ, позволяющих строить структурные линии по цифровой модели рельефа.

В дополнение к описанным четырем методам, при создании аналитической отмывки используют еще некоторые дополнительные эффекты.

Эффект воздушной перспективы. Простейшим способом создания эффекта воздушной перспективы является нелинейное преобразование вычисленных тем или иным методом значений интенсивности как функции высоты. Для регионов с малыми высотами контрастность изображения уменьшается, а для регионов с большими высотами - увеличивается.

Цветная аналитическая отмывка. Для создания этого эффекта три матрицы интенсивности, рассчитанные для разных постоянных источников освещения, рассматриваются как интенсивности трех цветовых компонент - красной, зеленой и синей, в результате чего получается цветное растровое изображение. Цветная аналитическая отмывка хорошо отражает мелкие формы рельефа.

Увеличение контрастности. Такой эффект может быть достигнут как за счет увеличения вертикального масштаба при вычислении нормали к поверхности, так и с помощью любых программ для обработки растровых изображений, например Adobe Photoshop. При создании аналитической отмывки метод и параметры следует подбирать индивидуально для каждого конкретного участка. Для улучшения качества можно использовать комбинации перечисленных методов и дополнительные эффекты.

Изображение аналитической отмывки в серых тонах может быть совмещено цифровым способом с цветовым фоном карты, и в частности, с послойной окраской. Значения в пикселах растра трактуются при этом как коэффициенты уменьшения яркости в соответствующих точках цветового фона.

Размещено на Allbest.ru