Geländekartographie - Terrain cartography

Topografische USGS- Karte von Stowe, Vermont mit Höhenlinien in 20-Fuß-Intervallen

Geländekartographie oder Reliefkartierung ist die Darstellung der Form der Erdoberfläche auf einer Karte unter Verwendung einer oder mehrerer von mehreren entwickelten Techniken. Gelände oder Relief sind ein wesentlicher Aspekt der Physischen Geographie und als solche stellt ihre Darstellung ein zentrales Problem bei der kartographischen Gestaltung und neuerdings auch bei geographischen Informationssystemen und der Geovisualisierung dar .

Hügelprofile

Aus einer Karte von Hispaniola von 1639 von Johannes Vingboons , die die Verwendung von Hügelprofilen zeigt

Die älteste Form der Reliefdarstellung in der Kartographie, Hügelprofile, sind einfache Darstellungen von Bergen und Hügeln im Profil, die entsprechend auf im Allgemeinen kleinmaßstäblichen Karten (großer Erfassungsbereich) platziert werden. Sie werden heute selten verwendet, außer als Teil eines "antiken" Stylings.

Physiographische Darstellung

Ausschnitt von Raisz' 1941er Karte des Nordwestens der Vereinigten Staaten, die seinen Stil der Landschaftsdarstellung zeigt.

Im Jahr 1921 veröffentlichte AK Lobeck A Physiographic Diagram of the United States , in dem eine fortgeschrittene Version der Hügelprofiltechnik verwendet wurde, um die Verteilung von Landformen auf einer Karte mit kleinem Maßstab zu veranschaulichen. Erwin Raisz entwickelte, standardisierte und lehrte diese Technik, die mit generalisierter Textur Landformen großflächig nachahmt . Eine Kombination aus Hügelprofil und schattiertem Relief, dieser Stil der Geländedarstellung ist gleichzeitig für seinen Schöpfer idiosynkratisch – oft handgemalt – und findet sich bei der Darstellung geomorphologischer Muster aufschlussreich .

Schrägrelief planen

Webversion von Pattersons Physical Map of the Coterminous United States mit schrägem Planrelief . Beachten Sie das Aussehen der Rocky Mountains in der Full-Size-Version.

In jüngerer Zeit entwickelte Tom Patterson eine computergenerierte Technik zur Kartierung von Gelände, die von Raisz' Arbeit inspiriert wurde, genannt plan schräges Relief . Dieses Werkzeug beginnt mit einem schattierten Reliefbild und verschiebt dann die Pixel proportional zu ihrer Höhe nach Norden. Der Effekt besteht darin, dass Berge auf die gleiche Weise wie Hügelprofile im Norden "aufstehen" und "überlagern". Einige Betrachter können den Effekt leichter erkennen als andere.

Schraffuren

Dufourkarte von Bern (1907); Dies ist eine schattierte Hachure-Karte.

Schraffuren , erstmals 1799 vom österreichischen Topographen Johann Georg Lehmann standardisiert, sind eine Form der Schattierung durch Linien. Sie zeigen die Neigungsrichtung und vermitteln durch ihre Dicke und Gesamtdichte ein allgemeines Gefühl von Steilheit. Da sie nicht numerisch sind, sind sie für eine wissenschaftliche Vermessung weniger nützlich als Konturen, können jedoch sehr spezifische Geländeformen erfolgreich kommunizieren. Sie sind besonders effektiv bei der Darstellung relativ geringer Reliefs, wie z. B. sanfter Hügel. Es war bis ins 20. Jahrhundert ein Standard auf topografischen Karten Deutschlands.

Es gab mehrere Versuche, diese Technik mit digitalen GIS-Daten nachzubilden, mit gemischten Ergebnissen.

Umriss

Höhenlinien (oder Isohypsen) wurden erstmals im 18. Jahrhundert in Frankreich entwickelt und sind Isolinien gleicher Höhe. Dies ist die gebräuchlichste Methode zur quantitativen Darstellung von Höhen und ist von topografischen Karten bekannt .

Die meisten Landesvermessungen des 18. und frühen 19. Jahrhunderts erfassten nicht das Relief im gesamten Erfassungsbereich, sondern berechneten nur Punkthöhen an Vermessungspunkten. Die United States Geological Survey (USGS) topographische Übersichtskarten Darstellung von Reliefkontur enthalten und bilden so die zeigt , Erleichterung, vor allem mit dem genauen Darstellung von Höhen kam topographische Karten genannt werden (oder „Topo“ Karten) in den Vereinigten Staaten , und die Verwendung hat sich international verbreitet.

Siegfried-Karte des Berninapasses (1877) mit schwarzen, blauen und braunen Höhenlinien im 30-Meter-Abstand

Auf den von Swisstopo erstellten Karten wird die Farbe der Höhenlinien verwendet, um die Art des Bodens anzuzeigen: Schwarz für kahlen Fels und Geröll , Blau für Eis- und Unterwasserkonturen und Braun für erdbedeckten Boden.

Tanaka (Relief) Konturen

Die Tanaka-(Relief-)Konturentechnik ist eine Methode zur Beleuchtung von Konturlinien, um das Gelände sichtbar zu machen. Linien werden je nach ihrer Beziehung zu einer Lichtquelle im Nordwesten hervorgehoben oder schattiert. Wenn das dargestellte Objekt einen Abschnitt der Konturlinie schattieren würde, würde diese Kontur mit einem schwarzen Band dargestellt. Andernfalls würden Neigungen, die der Lichtquelle zugewandt sind, durch weiße Bänder dargestellt.

Diese Methode wurde 1950 von Professor Tanaka Kitiro entwickelt, aber bereits 1870 mit wenig Erfolg aufgrund technologischer Einschränkungen beim Drucken experimentiert. Das resultierende Terrain an dieser Stelle war ein Graustufenbild. Der Kartograph Berthold Horn entwickelte später eine Software zur digitalen Produktion von Tanaka-Konturen, und Patrick Kennelly, ein anderer Kartograph, fand später eine Möglichkeit, diesen Karten Farbe hinzuzufügen, um sie realistischer zu machen.

Bei dieser Methode gibt es eine Reihe von Problemen. In der Vergangenheit hat die Drucktechnologie die Tanaka-Konturen nicht gut reproduziert, insbesondere die weißen Linien auf grauem Hintergrund. Auch diese Methode ist sehr zeitaufwendig. Außerdem wirkt das terrassierte Erscheinungsbild in manchen Geländearten nicht ansprechend oder akkurat.

Hypsometrische Tönungen

Hypsometrische Tönungen (auch als Ebenentönung, Höhentönung, Höhenfärbung oder hysometrische Färbung bezeichnet) sind Farben, die zwischen Höhenlinien platziert werden , um die Höhe anzuzeigen . Diese Tönungen werden als Farbbänder in einem abgestuften Schema oder als auf Konturlinien selbst angewendetes Farbschema dargestellt ; Beide Methoden werden als eine Art isarithmischer Karte betrachtet . Die hypsometrische Tönung von Karten und Globen wird oft von einer ähnlichen Methode der bathymetrischen Tönung begleitet, um Unterschiede in der Wassertiefe zu vermitteln.  

Schattiertes Relief

Oben: Karte des Lake Mead- Gebiets.
Unten: die gleiche Karte mit Sonnenschutz.

Das schattierte Relief oder die Schummerung zeigt die Form des Geländes auf realistische Weise, indem es zeigt, wie die dreidimensionale Oberfläche von einer Punktlichtquelle beleuchtet würde. Die Schatten folgen normalerweise der Konvention der oberen linken Beleuchtung, bei der die Lichtquelle in der Nähe der oberen linken Ecke der Karte platziert wird. Wenn die Karte mit Norden oben ausgerichtet ist, scheint das Licht aus Nordwest zu kommen. Obwohl dies auf der Nordhalbkugel eine unrealistische Beleuchtung ist, kann die Verwendung einer südlichen Lichtquelle zu multistabilen Wahrnehmungsillusionen führen , bei denen die Topographie invertiert erscheint.

Schattierte Reliefs wurden traditionell mit Kohle , Airbrush und anderen Künstlermedien gezeichnet . Der Schweizer Kartograph Eduard Imhof gilt als Meister der manuellen Schummerungstechnik und -theorie. Schattierte Reliefs werden heute fast ausschließlich computergeneriert aus digitalen Höhenmodellen (DEM). Die mathematischen Grundlagen der analytischen Schummerungen ist , die berechnen Oberflächennormalen an jedem Standort, berechnen dann den Winkel zwischen dem Vektor und dem Vektor auf die Beleuchtung zeigt die Verwendung von Dot Produkt ; je kleiner dieser Winkel ist, desto mehr Beleuchtung erhält dieser Ort. Die meisten Softwareimplementierungen verwenden jedoch Algorithmen, die diese Berechnungen verkürzen. Dieses Werkzeug ist in einer Vielzahl von GIS- und Grafiksoftware verfügbar, einschließlich Photoshop , QGIS , GRASS GIS oder der Erweiterung Spatial Analyst von ArcMap .

Während diese relativ einfachen Werkzeuge schattierte Reliefs in Karten fast allgegenwärtig gemacht haben, waren viele Kartographen mit dem Produkt unzufrieden und haben Techniken entwickelt, um das Erscheinungsbild zu verbessern, darunter die folgenden:

Beleuchtete Beschattung

Zu den Beiträgen von Imhof gehörte ein mehrfarbiger Ansatz zur Schattierung mit Purpur in Tälern und Gelb auf Gipfeln, der als "beleuchtete Schattierung" bekannt ist. Das Beleuchten der der Lichtquelle zugewandten Seiten des Geländes mit gelben Farben bietet mehr Realismus (da direktes Sonnenlicht gelber und Umgebungslicht blauer ist), verstärkt das Gefühl der dreidimensionalen Natur des Geländes und macht die Karte mehr ästhetisch ansprechend und künstlerisch. Es wurde viel Arbeit in die digitale Nachbildung der Arbeit von Eduard Imhof investiert , die in einigen Fällen ziemlich erfolgreich war.

Multidirektionale Beschattung

Zion National Park , Utah , zeigt die Wirkung multidirektionaler Schummerung. Links: eine Lichtquelle, Standard-Nordwest-Azimut; Mitte: Durchschnitt von zwei Lichtquellen, Nordwest + Vertikal; Rechts: Durchschnittlich 32 Lichtquellen aus allen Richtungen, aber konzentriert im Nordwesten, jeweils mit zusätzlichen Schatten. Beachten Sie die abnehmende Kahlheit, den zunehmenden Realismus und die zunehmende Klarheit der Klippen, Schluchten und Berge in diesem Gebiet mit über 1.000 m lokalem Relief.

Eine häufige Kritik an der computergenerierten analytischen Schummerung ist ihr strenges, künstliches Aussehen, bei dem die dem Licht zugewandten Pisten durchgehend weiß und die abgewandten Pisten durchgehend schwarz sind. Raisz nannte es "Plastikschattierung", und andere haben gesagt, dass es wie eine Mondlandschaft aussieht. Eine Lösung besteht darin, mehrere Beleuchtungsrichtungen zu integrieren, um den Effekt der Umgebungsbeleuchtung zu imitieren, wodurch ein viel realistischer aussehendes Produkt entsteht. Hierfür wurden mehrere Techniken vorgeschlagen, darunter die Verwendung von Software für geographische Informationssysteme zum Erzeugen mehrerer schattierter Reliefbilder und deren gemeinsamer Mittelung, die Verwendung von 3D-Modellierungssoftware zum Rendern des Geländes und benutzerdefinierte Softwaretools zur Nachahmung der natürlichen Beleuchtung mit bis zu Hunderten von Personen Quellen. Diese Technik hat sich für sehr unwegsames Gelände in mittleren Maßstäben von 1:30.000 bis 1:1.000.000 als am effektivsten erwiesen.

Textur-/Bump-Mapping

Karte des Crater-Lake-Nationalparks , Oregon , mit Textur-Mapping, um die Vegetationsdecke subtil anzuzeigen

Es ist möglich, das Gelände realistischer aussehen zu lassen, indem das dreidimensionale Aussehen nicht nur der kahlen Landoberfläche, sondern auch der diese Landoberfläche bedeckenden Merkmale wie Gebäude und Pflanzen imitiert wird. Textur-Mapping oder Bump-Mapping ist eine von der Computergrafik adaptierte Technik , die dem schattierten Oberflächenrelief eine Schicht schattierter Textur hinzufügt, die das Aussehen der lokalen Landbedeckung imitiert. Diese Textur kann auf verschiedene Arten erzeugt werden:

  • Textursubstitution : Kopieren, Abstrahieren und Zusammenführen von Fernerkundungsbildern der Landbedeckung.
  • Texturgenerierung : Erstellen einer simulierten Höhenschicht der Landbedeckung im GIS, z. B. einer zufälligen Streuung von "Bäumen", und dann Generieren eines schattierten Reliefs davon.
  • Höhenmessung : Die Verwendung feiner Auflösung Fern Techniken Abfühlen, insbesondere Lidar und Drohnen , um direkt oder indirekt (durch Photogrammetrie ) Messen der Höhe und der Form oder der Bodenbedeckung Merkmale und Farbton, der Höhenoberfläche.

Diese Technik ist am nützlichsten, um realistische Karten in relativ großen Maßstäben von 1:5.000 bis 1:50.000 zu erstellen.

Auflösung Mixing oder Bumping

Eine Illustration der Auflösungsstoßtechnik des schattierten Reliefs, Bitterroot Mountains und Salmon River , Montana / Idaho . Links: 200 m Auflösung schattiertes Relief, Mitte: schattiertes Relief nach 7000 m Glättungsfilter, rechts: 65%/35% Mischung. Das Originalbild sieht einheitlich zerklüftet aus, während das rechte die größeren Berge und Schluchten betont.

Eine Herausforderung bei schattiertem Relief, insbesondere bei kleinen Maßstäben (1:500.000 oder weniger), besteht darin, dass die Technik bei der Visualisierung lokaler (Hochfrequenz-)Reliefs sehr gut ist, größere Merkmale jedoch möglicherweise nicht effektiv zeigen kann. Beispielsweise zeigt ein zerklüftetes Gebiet mit Hügeln und Tälern genauso viel oder mehr Variation als ein großer, glatter Berg. Resolution Bumping ist eine Hybridtechnik, die vom NPS- Kartografen Tom Patterson entwickelt wurde, um dieses Problem zu mildern. Ein DHM mit feiner Auflösung wird mit einer stark geglätteten Version (dh deutlich gröberer Auflösung) gemittelt. Wenn der Schummerungsalgorithmus darauf angewendet wird, hat er den Effekt, dass die feinen Details des ursprünglichen Geländemodells mit den breiteren Merkmalen des geglätteten Modells vermischt werden. Diese Technik funktioniert am besten in kleinen Maßstäben und in Regionen, die durchweg rau sind.

Schrägansicht

1618 schräge Karte von Paris von Claes Jansz. Visscher .

Eine dreidimensionale Ansicht (projiziert auf ein zweidimensionales Medium) der Erdoberfläche zusammen mit den darauf ruhenden geografischen Merkmalen. Imaginäre Luftaufnahmen von Städten wurden erstmals im späten Mittelalter hergestellt , aber diese "Vogelperspektiven" wurden in den Vereinigten Staaten im 19. Jahrhundert sehr beliebt . Das Aufkommen von GIS (insbesondere die jüngsten Fortschritte in der 3D- und globalen Visualisierung) und 3D-Grafikmodellierungssoftware hat die Erstellung realistischer Luftbilder relativ einfach gemacht, obwohl die Ausführung von qualitativ hochwertigem kartografischem Design auf diesen Modellen eine Herausforderung bleibt.

Reliefkarte

Handgefertigte Reliefkarte der Hohen Tatra im Maßstab 1:50 000

Dies ist eine Karte, in der das Relief als dreidimensionales Objekt dargestellt ist. Die intuitivste Art, Relief darzustellen, besteht darin, es maßstabsgetreu nachzuahmen. Handgefertigte Dioramen kann stammen aus 200BCE in China, aber die Massenproduktion nicht zur Verfügung stehen , bis Zweiten Weltkrieg mit der Erfindung des vakuumgeformten Kunststoffkarten und computerisiert Bearbeitungsformen zu schaffen , effizient. Die maschinelle Bearbeitung wird auch verwendet, um große benutzerdefinierte Modelle aus Substraten wie High-Density-Schaum zu erstellen und sie sogar basierend auf Luftaufnahmen zu färben, indem ein Tintenstrahldruckkopf auf dem Bearbeitungsgerät platziert wird. Das Aufkommen des 3D-Drucks hat eine viel wirtschaftlichere Methode zur Herstellung von Reliefkarten eingeführt, obwohl die meisten 3D-Drucker zu klein sind, um große Dioramen effizient herzustellen.

Rendering

aufrecht = 1,3 STL 3D-Modell des Geländes von Penang Island basierend auf ASTER Global DEM- Daten

Terrain-Rendering umfasst eine Vielzahl von Methoden zur Darstellung realer oder imaginärer Weltoberflächen . Die häufigsten Terrain - Rendering ist die Darstellung der Erde ‚s Oberfläche. Es wird in verschiedenen Anwendungen verwendet, um einem Beobachter einen Bezugsrahmen zu geben . Es wird auch oft in Kombination mit dem Rendern von Nicht-Gelände-Objekten wie Bäumen , Gebäuden , Flüssen usw. verwendet.

Es gibt zwei Hauptmodi des Terrain-Rendering: Top-Down- und Perspektiv- Rendering. Top-Down-Terrain-Rendering ist seit Jahrhunderten aus kartografischen Karten bekannt. Auch das perspektivische Terrain-Rendering ist seit geraumer Zeit bekannt. Jedoch erst mit dem Aufkommen von Computern und Computergrafik wurde das perspektivische Rendering zum Mainstream.

Struktur

Eine in Outerra gerenderte Landschaft

Eine typische Terrain-Rendering-Anwendung besteht aus einer Terrain- Datenbank , einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), einer dedizierten Grafikverarbeitungseinheit (GPU) und einer Anzeige. Eine Softwareanwendung ist so konfiguriert, dass sie am Anfangsort im Weltraum startet . Die Ausgabe der Anwendung ist eine Bildschirmraumdarstellung der realen Welt auf einer Anzeige. Die Softwareanwendung verwendet die CPU, um Geländedaten entsprechend der ursprünglichen Position aus der Geländedatenbank zu identifizieren und zu laden, und wendet dann die erforderlichen Transformationen an, um ein Netz von Punkten zu erstellen, das von der GPU gerendert werden kann, die geometrische Transformationen vervollständigt und Bildschirmraumobjekte erstellt ( wie Polygone ), die ein Bild erzeugen, das dem Standort der realen Welt sehr ähnlich ist.

Textur

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten , um Textur der Geländeoberfläche. Einige Anwendungen profitieren von der Verwendung künstlicher Texturen wie Höhenfarben, Schachbrettmuster oder andere generische Texturen. Einige Anwendungen versuchen, die reale Oberfläche mithilfe von Luftaufnahmen und Satellitenbildern bestmöglich darzustellen .

In Videospielen wird Textur-Splatting verwendet, um die Geländeoberfläche zu texturieren .

Generation

Es gibt eine Vielzahl von Methoden, um Geländeoberflächen zu erzeugen. Das Hauptproblem, das durch all diese Methoden gelöst wird, ist die Verwaltung der Anzahl der verarbeiteten und gerenderten Polygone. Mit Milliarden von Datenpunkten ist es möglich, ein sehr detailliertes Bild der Welt zu erstellen. Solche Anwendungen sind jedoch auf statische Bilder beschränkt. Die meisten Anwendungen des Geländerenderings sind bewegte Bilder, bei denen die Softwareanwendung Entscheidungen darüber treffen muss, wie die Quellgeländedaten vereinfacht (durch Verwerfen oder Annähern) werden. Praktisch alle Terrain-Rendering-Anwendungen verwenden den Detailgrad , um die Anzahl der von CPU und GPU verarbeiteten Datenpunkte zu verwalten. Es gibt mehrere moderne Algorithmen zum Erzeugen von Geländeoberflächen.

Anwendungen

Terrain-Rendering wird häufig in Computerspielen verwendet , um sowohl die Erdoberfläche als auch imaginäre Welten darzustellen. Einige Spiele haben auch eine Geländeverformung (oder verformbares Gelände).

Eine wichtige Anwendung des Terrain-Rendering ist in synthetischen Bildverarbeitungssystemen . Piloten, die Flugzeuge fliegen, profitieren stark von der Fähigkeit, die Geländeoberfläche jederzeit unabhängig von den Bedingungen außerhalb des Flugzeugs zu sehen.

Skelett-, Struktur- oder Bruchlinien

Betont hydrologische Entwässerungsscheide und Wassereinzugsgebiete.

Foren und Verbände

In Bergregionen ist die Reliefdarstellung besonders wichtig . Die Commission on Mountain Cartography der International Cartographic Association ist das bekannteste Forum zur Diskussion von Theorien und Techniken zur Kartierung dieser Regionen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links