Совершенствование изображения рельефа на мелкомасштабных картах

Ковалева, Ольга Владимировна

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование изображения рельефа на мелкомасштабных картах"

На правах рукописи

Ковалева Ольга Владимировна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ РЕЛЬЕФА НА МЕЛКОМАСШТАБНЫХ КАРТАХ

25.00.33 - Картография

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 НОЯ 2012

МОСКВА-2012

005055181

Работа выполнена на кафедре оформления и издания карт

Московского государственного университета геодезии и картографии

(МИИГАиК)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Верещака Тамара Васильевна

Официальные оппоненты: Флегонтов Александр Валентинович,

доктор технических наук, профессор, ООО «Телепроводник», директор по научной работе

Котова Татьяна Викторовна, кандидат географических наук, Научно-исследовательская лаборатория комплексного картографирования Географического Факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Производственное картосоставительское

объединение «Картография»

Защита состоится « » СУо}ь2012 г. в час.

на заседании диссертационного совета Д.212.143.01

при Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, Москва, Гороховский пер., д. 4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии.

Автореферат разослан « Х- » НХ^^ср^^ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Краснопевцев Б. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Среди элементов содержания мелкомасштабных карт рельеф — один из важнейших. Он в значительной степени определяет характер и размещение компонентов ландшафта, напрямую связан с другими элементами содержания общегеографических и тематических карт.

В последние годы в связи с внедрением в картографию ГИС-технологий оформление мелкомасштабных карт выполняется с использованием светотеневого изображения рельефа в сочетании с гипсометрической окраской. Ученые работают над автоматизацией и объективизацией процесса аналитической отмывки рельефа. Сведения о рельефе включаются в базы данных ГИС различного назначения.

В практическом использовании ГИС первостепенное значение приобретает грамотная визуализация информации, во многом определяющая ценность и информативность карт. При изображении рельефа и его восприятии важны не только сохранение характерного внешнего облика, генетических различий форм, региональных особенностей конкретных районов, но и эстетическая привлекательность. Это достигается в большой степени оформлением карты, неформальным применением изобразительных средств. В настоящее время проблема входит в число приоритетных и актуальных областей исследования картографов.

Цель и задачи диссертации. Целью исследования является совершенствование изображения рельефа на мелкомасштабных картах как актуального направления развития теории и практики оформления картографических произведений. Достижению поставленной цели было подчинено решение следующих задач:

- анализ научных исследований и практического опыта изображения рельефа;

- выявление факторов, определяющих выбор методов и способов изображения рельефа;

- систематизация требований к гипсометрической окраске рельефа в соответствии с теорией цветовой пластики; исследования цветовых рядов;

- разработка научных основ и методики проектирования гипсометрических шкал для мелкомасштабных карт;

- разработка современной классификации гипсометрических и батиметрических шкал и практических рекомендаций по их использованию;

- исследование результатов совместного применения различных методов оформления рельефа; разработка шкал нового типа;

- анализ наследия школ художественного оформления карт;

- разработка и выполнение авторских иллюстраций.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является рельеф земной поверхности и морского дна. Предмет исследования -картографическое изображение рельефа и методика создания достоверных и эстетически привлекательных картографических произведений.

Методы исследования. Диссертационное исследование строится на системном картографическом подходе, опирается на теоретико-методологические основы картографирования, отраженные в трудах ученых и картографических произведениях. Методологической базой исследований являются также общие принципы картографического моделирования, теории цветоведения, теневого и цветового изображения рельефа, достижений цифровых компьютерных технологий. Для оценки результатов научных исследований используются эксперименты, сравнительный визуальный анализ.

Состояние и изученность проблемы. Проблема изучена по изданным картографическим произведениям и опубликованным работам в области оформления карт. В наиболее полном объеме проблема раскрыта в первой главе диссертации и кратко, применительно к различным аспектам исследования, - в остальных главах. В работе использованы труды отечественных и зарубежных специалистов в области оформления карт: П. А. Скворцова, П. К. Колдаева, Н. Н. Лосякова, А. С. Толстоухова, швейцарских картографов: Г. Гюгера, К. Имфельда, Г. Кюммерли, Ф. Беккера, Э. Имгофа; родоначальника панорамных карт австрийского картографа Г. Беранна; X. Шелтона, Т. Патгерсона (США) и других.

На защиту выносятся:

1. Классификация методов и способов изображения рельефа на мелкомасштабных картах в историко-технологическом плане. Ключевые понятия «метод» и «способ» изображения рельефа и их обоснование.

2. Научные основы проектирования гипсометрических и батиметрических шкал, их классификация. Перцептивный и аналитический подходы к проектированию.

3. Методика проектирования гипсометрических и батиметрических шкал мелкомасштабных карт.

4. Шкалы нового типа как результат интеграции методов гипсометрической окраски и аналитической отмывки рельефа.

5. Авторские иллюстрации: гипсометрические (батиметрические) шкалы, оригиналы и фрагменты карт.

Научная новизна. Предлагаемая диссертация — первое обобщающее исследование в области использования изобразительных средств при картографировании рельефа в новом актуальном аспекте, учитывающем компьютерные технологии и классический опыт оформления карт.

Оригинальные научные результаты состоят в следующем:

1. Определены и обоснованы понятия «метод» и «способ» изображения рельефа на картах.

2. Разработана классификация методов и способов на основе анализа технологий создания карт, определявших их возникновение и развитие.

3. Установлены факторы, влияющие на выбор методов и способов изображения рельефа.

4. Выявлены недостатки и направления совершенствования изображения рельефа способом гипсометрической окраски. Сформулированы требования к гипсометрическим шкалам в соответствии с теорией цветовой пластики и авторскими экспериментами по моделированию пластических эффектов в одиночных и многоступенных фигурах.

5. Разработана классификация гипсометрических и батиметрических шкал. Предложены рекомендации по их использованию.

6. Обоснован выбор параметров цветовых характеристик ступеней шкал на основе исследования цветовых рядов.

7. Предложены перцептивный и аналитический подходы к проектированию гипсометрических шкал. Показаны достоинства и недостатки каждого.

8. Разработана методика проектирования гипсометрических и батиметрических шкал на основе интегрированного перцептивно-аналитического подхода.

9. Установлены и методически отработаны в иллюстрациях рекомендации и приемы по повышению качества аналитической отмывки, в том числе в ее сочетании со штриховкой и текстурами. Предложен новый тип гипсометрических шкал на основе интеграции аналитической отмывки с гипсометрической окраской.

10. Выполнены авторские иллюстрации по каждому виду разработок, включая тему живописного оформления карт.

Все перечисленные результаты получены на основе изучения и обобщения научных исследований, классического и современного опыта оформления карт и атласов. Разработки, изложенные в диссертации, представляют также итоги многолетней производственной и педагогической работы автора по художественному оформлению карт, рисунку, живописи, композиции, компьютерному дизайну карт, изданных отдельно и в атласах научно-справочного и популярного характера.

Практическая значимость работы непосредственно связана с удовлетворением практических потребностей в информационном обеспечении разнообразных областей деятельности человека (экономики, экологии, науки, образования, туризма и др.) обзорными мелкомасштабными картами, обладающими свойствами достоверности, наглядности, легкого и доступного восприятия, высокой степенью эстетической привлекательности.

Не менее важна работа и для самих картографов, картографического производства, т. к. представленные разработки и рекомендации позволят повысить уровень оформления вновь создающихся картографических произведений. Предложения автора по совершенствованию изображения рельефа применимы к любой из существующих технологий. Более того, они ставят задачу обеспечения грамотного восприятия изображения рельефа перед разработчиками новых компьютерных технологий.

По теме диссертации автором разработаны и читаются спецкурсы «Художественное оформление карт», «Основы рисунка, живописи и композиции». Результаты исследований внедрены также в учебный процесс при преподавании курсов «Оформление карт» и «Компьютерная графика в оформлении карт», используются в курсовом и дипломном проектировании, а также в научно-исследовательской работе студентов, включая их доклады на конференциях разного уровня, подготовленных под руководством автора.

6

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и опубликованы в виде докладов на научно-технических конференциях: «Международная научно-техническая конференция, посвященная 230-летию основания МИИГАиК», Москва, 2009 г.; «Международная научно-техническая конференция, посвященная 175-летию высшего геодезического образования», Москва, 2010 г.; Международная конференция ««ИнтерКарто-ИнтерГИС 17». Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт». Барнаул - Денпасар, 2011 г.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 10 работах автора, из которых 4 — в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников; содержит 137 страниц текста, 4 таблицы, 16 формул, 152 рисунка, 2 приложения. Список использованной литературы состоит из 109 наименований, в т. ч. 26 иностранных. Общий объем диссертации 218 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи исследований, научная новизна и значение работы.

Первая глава посвящена историческому обзору методов и способов изображения рельефа на картах, который проведен с учетом технологических условий производства и формы представления картографической продукции. Обращено внимание как на сами методы и способы изображения рельефа, так и на технологии , с появлением которых они были связаны. Под способом изображения рельефа предложено понимать комплекс изобразительных средств для отображения рельефа на карте, учитывающих существующие на определенный момент технологии получения, визуализации и воспроизведения информации о поверхности Земли и отвечающих требованиям географического соответствия. Методом изображения рельефа

В последующем изложении будут сохраняться приведенные здесь начертание, жирность и межбуквенные интервалы в шрифтах для различения способов, методов и технологий.

Эдуард Имгоф. Карта Эвереста

для школьного атласа, 1982-76,1:100 ООО.

Генрих Цезарь Беранн. "Панорамная карта Национального парка Денали. 1986-95.

предложено считать совокупность способов, сходных по изобразительным средствам и результату визуализации.

Решением проблемы повышения наглядности и выразительности рельефа на мелкомасштабных картах занимались многие ученые-картографы на протяжении нескольких столетий (рис. 1).

императорски* войск в Швейцарии, і /аа г.

"ПетрАлексеевич Скворцов живописная карта Европейской части СССР. 1956

Рис. 1 - Работы выдающихся картографов в области изображения рельефа Историко-технологические условия применения способов картографирования рельефа наглядно передает схема на рис. 2.

Совместный анализ изобразительных средств и технологий позволил разработать общую авторскую классификацию методов и способов изображения рельефа (рис. 3). Классификация открыта для расширения и дополнений.

Сх

л

и и

в

п

и

ВЕД

н и

РУКОПИСНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ (вплоть до 16 в.)

Г~ ГРАВЮРА

КСИЛОГРАФИЯ (10.)

РЕЗЦОВАЯ ГРАВЮРА ПО МЕТАЛЛУ (серед. )]•.) ОФОРТ (нач. 16 е.)

ЛИТОГРАФИЯ ФОТОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

(конец 18 - начало 20 е.) РАСТРИРОВАНИЯ ФОТОИЗОБРАЖЕНИЙ, ПОЛИГРАФИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ (середина 20 в.)

Я К А Р Т

ЭКРАННАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ (конец 20 в.)

Ы

И

Н И

- ШТРИХОВОЙ СПОСОБ -ЖИВОПИСНЫЙ СПОСОБ

- СПОСОБЫ ШТРИХОВ [вплоть Оо 13 е )

- СПОСОБ ИЗОГИПС (конец 18 в.) •СПОСОБ ОТМЕТОК ВЫСОТ

- СПОСОБ ЛИНЕЙНЫХ ЗНАКОВ

• СПОСОБ ВНЕМАСШТАБНЫХ ЗНАКОВ

-СПОСОБ ТУШЕВКИ - СПОСОБ ГИПСОМЕТРИЧЕСКОЙ

-СПОСОБ ОТМЫВКИ -СПОСОБ АЭРОГРАФИИ

- ФОТОРЕЛЬЕФ

- ВПЕЧАТКА ФОТОИЗОБРАЖЕНИЙ -СПОСОБ АРЕАЛОВ

- СПОСОБ КАЧЕСТВЕННОГО ФОНА

- СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ФОНА

- СПОСОБ ЗЕРКАЛЬНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

- ПАРАЛЛАКС-СТЕРЕОГРАММЫ

- ГОЛОГРАММЫ

- АНАГЛИФИЧЕСКИЙ СПОСОБ

- МЕТОД ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ

- МЕТОД ЗНАКОВ ДВИЖЕНИЯ

1_L

• АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОТМЫВКА

- СПОСОБЫ. ОТНОСЯЩИЕСЯ К МЕТОДАМ:

- ИНТЕРАКТИВНОМУ

- СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОМУ (м исключением аошедших

• предыдущую группу)

- ДИНАМИЧЕСКИХ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И АНИМАЦИИ

Т Е X Н О Л О Г И и О Б Р А Б О т к и и С ход н ы X д А Н Н Ы X

1 РУЧНЫЕ 1 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ 1 МАШИННЫЕ 1 КОМПЬЮТЕРНЫЕ

Т Е X Н О Л О Г и и П О Л У Ч Е н и Я и с ход н Ы X д А Н Н Ы X

ГЛАЗОМЕРНАЯ СЪЕМКА

Т

ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СЪЕМКА

Т

АЭРОФОТОСЪЕМКА

Т

КОСМИЧЕСКАЯ СЪЕМКА,

ддз

Рис. 2 - Историко-технологические условия возникновения и развития способов изображения рельефа

УСЛОВНО-ПЕРСПЕКГИВНЫИ МЕТОД

/ \

ШТРИХОВОЙ живописный "СПОСОБ СПОСОБ

► штриховка в сочетании с ручной окраской - физиографический способ

МЕТОД ШТРИХОВКИ /_\

( способы, использующие')

г

— ШТРИХИ

КРУТИЗНЫ

/ \

полученные теневые аналитическим i

путем ♦

штриховка скал

т

точки {

способ экхерта

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ " КАРТОГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ*

• СПОСОБ ОТМЕТОК 8ЫСОТ

- СПОСОБ ЛИНЕЙНЫХ ЗНАКОВ

. СПОСОБ АРЕАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ ГРУНТОВ ■ СПОСОБ КАЧЕСТВЕННОГО «ОНА

• СПОСОБ ВНЕМАСШТАБНЫХ УСЛОВНЫХ ЗНАКОВ

• СПОСОБ ЗНАКОВ ДВИЖЕНИЯ

• СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ФОНА

• группа способов условно приравнена к методу

ІЯ ФОТОРЕЛЬЕФ

МЕТОД ТЕНЕВОЙ ПЛАСТИКИ

способы на основе »отоиэовражений

ВПЕЧАТХА ФОТО-

5 ^

аналитические^

способы j ♦

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОТМЫВКА

ИЗОБРАЖЕНИЙ t с использование« «уикции )

(«отомри) l». отражательной способности

i > инсоляции ¡освещенности)

МЕТОД, ОСНОВАННЫЙ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ

РЕЛЬЕФНОЙ МОДЕЛИ ♦

РЕАЛЬНОЕ ТРЕХМЕРНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ

РЕЛЬЕФА (рельефные КАРТЫ ИГПОБКЫ1

("горизонтальными) ГИПСОМЕТРИЧЕСКИЙ / МЕТОД ^ СПОСОБ СПОСОБ

МЕТОДЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ПРИНЦИПЕ СЕЧЕНИЯ ПЛОСКОСТЯМИ^

" І _

^НАКЛОННЫшГ)

(^вертигальныииз (аппроксииацші многогранниками)

МЕТОД НАКЛОННЫХ МЕТОД ВЕРТИКАЛЬНЫХ

-ИЗОГИЛС - простые » освещенные „ переменной

толщины „ различных

цветов «• смещенные

ГИПСОМЕТРИЧЕСКОЙ ОКРАСКИ

(ГИПСОМЕТРИЧЕСКИЕ ¿КАЛЫ** IСТУПЕНЧАТЫЕ И ГРАДИЕНТНЫЕ \

^—Г^

I-?—г

і 1

2 as

5 5° £ ї =

ПРОФИЛЕН / \

* полная классификация гипсометрических шкал приведена в главе 3

ПРОФИЛЕН

<L X

say їдш <х

Вї5 I?

Ї58 S§8

Is Єї

■s г £

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ. АХСОНОЫЕТРИЧЕСИЕ И ПРОЧИЕ ТРЕХУЕРНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ РЕЛЬЕФА

[в тон ЧИСЛЕ • на гартах-ланораиах)

МЕТОД НЕРЕГУЛЯРНОЙ ТРИАНГУЛЯЦИИ

—ИНТЕРАКТИВНЫЙ МЕТОД

- ИНТЕРАКТИВНОЕ ВЫДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТОВ РЕЛЬЕФА

- ИНТЕРАКТИВНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЛЬЕФА

- ИНТЕРАКТИВНОЕ МАСШТАБИРОВАНИЕ

- ИНТЕРАКТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

[—СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД

. СПОСОБ ПЕРЕКРЕСТНОГО ВЗГЛЯДА (Cross-Eye)

► СПОСОБ ЗЕРКАЛЬНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИИ {Mirror Split)

- АНАГЛИФИЧЕСКИЙ СПОСОБ

- СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ

- СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИИ

- ЧЕРЕССТРОЧНЫЙ СПОСОБ (Interlaced)

> СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕРЕОИЗОБРАЖЕНИЯ НА АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКОМ ДИСПЛЕЕ

- СПОСОБ ВИРТУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕАЛЬНОСТИ

- СПОСОБ ПАРАЛЛАКС-СТЕРЕОГРАММЫ

- ТОПОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ

|—МЕТОД ДИНАМИЧЕСКИХ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И АНИМАЦИИ ДИНАМИКА РЕЛЬЕФА (РАЗВИТИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ) МУЛЬТИМАСШТАБНОСТЬ .ОБЛЕТ ТЕРРИТОРИИ», ВРАЩЕНИЕ ЗЕМЛИ ПРИВЛЕЧЕНИЕ ВНИМАНИЯ (ВЫДЕЛЕНИЕ КОНТУРОМ. ЦВЕТНОЙ ЗАЛИ8КОИ, ЗНАКАМИ. МЕРЦАНИЕМ И ДР.)

Рис. 3 — Классификация методов и способов изображения рельефа на мелкомасштабных картах

Большинству современных карт свойственен комбинированный подход к изображению рельефа. Яркий пример - живописный, или ландшафтный, способ оформления карт, при котором изображение рельефа, выполненное в градиентной гипсометрической шкале с цветной отмывкой, дополняется различными текстурами, имитирующими ландшафт (мелкие формы рельефа, растительный покров и грунты).

В диссертации все методы и способы изображения рельефа в разных исторических условиях представлены иллюстрациями рукописных и изданных карт - всего 57 иллюстраций, в их числе 7 авторских.

Вторая глава раскрывает факторы, влияющие на выбор методов и способов изображения рельефа. Обоснованы следующие группы:

• Географические. Характеризуют рельеф с позиции географического правдоподобия в противовес «геометрическому» подходу, недооценивающему необходимость углубленного изучения картографом изображаемого объекта.

• Картографические. Обусловлены типом создаваемой карты: ее масштабом, проекцией, содержанием, назначением, способом использования и формой представления - в бумажном или электронном виде.

• Технологические. Определяют широкий спектр влияния на изображение рельефа технологий создания картографического произведения.

• Квалификация, научный потенциал, опыт специалистов, их творческие способности, живописное и графическое мастерство.

• Психофизиологические, познавательные. Базируются на законах зрительного восприятия (Бугера-Вебера, Вебера-Фехнера, апперцепции, гештапьта и др.). Определяются физиологией человеческого зрения и психофизическими особенностями восприятия графической информации: цвета, формы и пространства; пороговой чувствительности зрения; целостного и селективного восприятия графической информации; снижения чувствительности глазных анализаторов при рассматривании малых площадей; принципа цветовой пластики и других.

Анализ указанных факторов позволил сделать вывод, что выбор метода изображения рельефа как совокупности изобразительных средств обусловлен, в первую очередь, картографическими и психофизиологическими факторами, тогда как выбор способа определяется технологическими факторами и квалификацией картографа, так как способ предусматривает учет технологии получения, визуализации и воспроизведения информации. Географические факторы важно учитывать независимо от выбранного метода и способа картографирования рельефа.

Третья глава посвящена совершенствованию изображения рельефа на мелкомасштабных картах. Из всего многообразия методов и способов мы посчитали наиболее актуальным исследовать те, где существуют недостатки в использовании изобразительных средств. При этом не затронуты способы: а) устоявшиеся классические, использование которых не составляет трудностей; б) не применяющиеся в силу устаревших технологий; в) недостатки в которых невозможно устранить только изобразительными средствами. Акцент в исследованиях сделан на проблемы в теории и методике использования одного из наиболее широко распространенных в настоящее время способов — гипсометрической окраски.

Назовем основные проблемы и недостатки:

- Отсутствие современной классификации гипсометрических шкал как теоретической основы для их аргументированного выбора, который сейчас носит формальный, а ранее - субъективный характер. Субъективизм в выборе шкал был обусловлен отсутствием возможностей выбора количественных характеристик цвета. С применением компьютерных технологий эта возможность появилась, но используется не в полной мере и зачастую -формально, — исходя из ограниченного количества имеющихся шкал в библиотеках картографических программ и без учета: особенностей рельефа конкретной территории; различий экранной визуализации и полиграфического воспроизведения цветов; утомляемости глаз, вызванной чрезмерно яркими красками экранных цветовых моделей.

— Известные требования, предъявляемые к гипсометрическим шкалам и обусловленные географическими и психофизиологическими факторами, как правило, игнорируются.

— Исследования пластических свойств гипсометрических шкал являются практически единичными и часто не согласуются друг с другом в оценке физиологов, художников и картографов, в то время как в передаче зрительного эффекта объемности изображения рельефа они играют большую роль. Пластический эффект проявляется при одновременном рассматривании нескольких цветов, которые могут казаться «выступающими», более близкими,

— это чистые, «теплые» и светлые оттенки, или «отступающими», отдаленными,

- малонасыщенные, «холодные» и темные тона. В порядке решения указанных проблем в диссертации, во-первых, разработана новая классификация гипсометрических шкал (см. далее); во-вторых, требования к гипсометрическим шкалам приведены в систематизированном виде и протестированы на соответствие современным технологиям, показаны условия применения и ограничения в выполнении отдельных требований; в-третьих, в процессе работы над диссертацией проведен комплекс экспериментов, уже в графических программах, для уточнения теоретических положений и эффектов цветовой пластики. В результате сформулированы рекомендации по их использованию для достижения выразительного изображения рельефа способом гипсометрической окраски. В экспериментах исследованы

пластические эффекты при рассматривании одиночных фигур на черном и

* *

белом фоне, а также многоступенных фигур в виде однородных и смешанных рядов, в том числе рядов сгущения окраски*. Все эффекты подтверждены авторскими иллюстрациями — выполнено 19 рисунков.

Для грамотного проектирования гипсометрических шкал очень важны вопросы различимости ступеней, соответствия цветовых параметров ступеней основному закону зрительного восприятия и поперечному профилю рельефа местности. В градиентных шкалах будем говорить о соответствии «переломов» цвета в шкале «переломам» в рельефе местности. В равноступенных и

* Цветовые ряды, ступени которых различаются лишь по одной характеристике (цветовому тону, насыщенности или светлоте), в цветоведешш называют однородными. Ряды, различающиеся по нескольким характеристикам, являются смешанными. Ряд сгущения окраски - цветовой ряд сгущення одного цвета.

13

неравноступенных по высоте сечения шкалах встает задача определения количества хорошо различимых ступеней. Для решения указанных задач были проведены экспериментальные исследования цветовых рядов. Было доказано, что невозможно получить многоступенную шкалу со значениями светлот, находящимися в прямой зависимости от приращений высот. Для решения данной проблемы предлагается алгоритм перехода от равноступенного ряда к неравноступенной шкале с использованием повышающих коэффициентов. Так, нами предложено прологарифмировать высотные интервалы неравноступенной шкалы и, получив относительные коэффициенты, ввести поправку в каждое из значений светлот (табл. 1, рис. 4).

Табл. 1 - Получение значений светлоты с помощью повышающих коэффициентов

Н, м 0 100 200 500 1000 1500 2000 3000 4000 5000

ДЬ, м 100 100 300 500 500 500 1000 1000 1000

1пдЬ 4,6 4,6 5,7 6,2 6,2 6,2 6,9 6,9 6,9

к_ 1пДЫ 1пДЬ 1,00 1,00 1,24 1,35 1,35 1,35 1,50 1,50 1,50

и 10 17 25 34 44 55 67 80 94

кхЬ; 10 17 31 46 59 74 100 - -

I

1

зпоо 100

2000

1500 80

1000 500 60

40

200 100

1 20

0 0

• равное тупенный ряд

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Н Рис. 4 - Неравноступенная шкала, полученная из равноступенного ряда путем введения повышающих коэффициентов и ее графическое представление

Анализ наиболее широко используемых гипсометрических шкал позволил установить, что зрительная оценка различимости ступеней соответствует восприятию рельефа по высотным зонам с учетом физиологии

человеческого зрения (глаз видит больше оттенков в зеленой части спектра, и плохо различает оттенки в очень темной, светлой и яркой областях).

Указанные недостатки в опыте применения способа гипсометрической окраски послужили предпосылками для его совершенствования. Вместе с тем, в работе поставлена задача, отвечающая более высоким критериям научности и степени обобщения. Предпринята попытка разработать единую теорию изображения рельефа способом гипсометрической окраски на основе обобщения классического опыта, наследия школ художественного оформления карт и современных возможностей компьютерного дизайна. Большое значение при этом имеют авторские иллюстрации, подтверждающие результаты научных разработок и экспериментов.

Научные основы совершенствования изображения рельефа способом гипсометрической окраски

Предложены два подхода к проектированию гипсометрических шкал — перцептивный и аналитический. Перцептивный подход основан на учете законов восприятия графической информации. В рамках перцептивного подхода разработана новая универсачьная классификация гипсометрических шкал (рис. 5). Она дает конкретные рекомендации по поиску наиболее удачных вариантов шкал, открывает возможности проектирования новых и не зависит от конкретных технологий создания карт.

Выявлены особенности проектирования батиметрических шкал и предложена их классификация по принципам гипсометрических (рис. 6). Классификация обеспечивает непрерывность картографирования рельефа суши и морского дна. Она может быть детализирована при расширении и углублении знаний о морях и океанах.

Аналитический подход основан на использовании количественных параметров цвета ступеней шкал и закономерностей их изменения в различных цветовых моделях. Его достоинство — объективность, математически обусловленная характеристиками цвета, пригодность для использования в компьютерных технологиях. В рамках аналитического подхода предложен оригинальный алгоритм проектирования шкал (рис. 7).

[ осветляющиеся"") гауспаб, Кипврт | утемняющиеся [

однородные ряды, изменяющиеся по светлоте

Сииашко, Пинбвре [осветляющиеся i

— ряды сгущения окраски

Фон-Сидов, ЬСАМ

зелено-коричневые шкалы

Si

кверху насыщенностью

Пойквр, F

шкала высветления серых. серо-зеленых и зеленых тонов и сгущения теплых цветов спектра

Крвилинг

модифицированные спектральные шкалы

Рсмер

Скворцов

Фрайтаг

Лёйзингвр Иыгоф

спектральные шкалы с использованием «холодных» оттенков зеленого для низменностей

шкалы с возрастающей насыщенностью и «теплотой» верхних ступеней

взгляд наблюдателя с водзуха

однородные ряды с изменением по цветовому тону от холодных к теплым

шкалы с убывающей кверху насыщенностью и/ или возрастающей светлотой «холодных» оттенков взгляд наблюдателя с земли

>

шкалы с постоянной светлотой и возрастающей кверху насыщенностью

Адрианов Скворцов

Скворцов

осветляющиеся кверху шкалы с постоян-ной или изменяющейся насыщенностью

шкалы с осветлением окраски _к обоим концам

Бартоломью Паттеосон

шкалы с двойным переломом _по светлоте

Тот Скворцов

шкалы с обычным переломом _по светлоте

шкалы с преимущественным влиянием освещения (времени суток) и ландшафта

шкалы с преимущественным влиянием освещения (погоды) и ландшафта

шкалы с преимущественным влиянием времени года и ландшафта

— -С га

о ШКАЛЫ •ВОЙ ПЛАСТИК1

2

а •о 1 ¡1

с SE

X 2

.с

с S

а г ШКАЛЫ УШНОЙ ПЕРСП

5 s

1С

о.

ф

а m

св Ig

- ЕЕ

с

50

сь =3 со °

а> .с

с Ф

"3

о о-° £ з s

с х 3 в

«а

О)

О) С 2 ® 3

И

¡Q О)

* г

m

-о Е

IS

с четкими границами ступеней — о

с .размытыми! границами ступеней

равностуленные

неравноступенные -

БАТИМЕТРИЧЕСКИЕ

ШКАЛЫ

С

по Цветовым характеристикам шкал в зависимости от назначения карты

) С

по типу ступеней

3

ШКАЛЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ПРИРАЩЕНИЙ ГЛУБИН I -

ШКАЛЫ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ОБЛАСТЕЙ ОКЕАНИЧЕСКОГО ДНА

I ГРАДИЕНТНЫЕ |

|СТУПЕНЧАТЫЕ |

утемняющиеся ряды шхалы с использованием сгущения окраски нескольких цветовых тонов

Рис. 6 - Предлагаемая классификация батиметрических шкал

III IV

VI VII

_

Ч 10 11 12 13 14 15 16

_ _

17 18 10 20 21 22 23 24

Рис. 7 —Алгоритм проектирования шкал: наложение цветовых последовательностей №№ 2, 10 и 18 на шкалы с изменяющейся густотой окраски (1-\Ш) и наиболее часто используемые на практике цветовые последовательности для гипсометрических шкал (1-24)

В диссертации показаны преимущества и пути интеграции перцептивного и аналитического подходов к проектированию гипсометрических шкал по иерархическим ступеням вновь разработанной классификации, что позволяет использовать достоинства и минимизировать недостатки каждого из них.

Методика проектирования гипсометрических шкал

Разработана новая методика проектирования гипсометрических и батиметрических шкал, включающая этапы от определения шкалы сечения рельефа, установления принципов выбора шкал по классификации автора до реализации выбора шкал в ГИС и других картографических программах (рис. 8).

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИПСОМЕТРИЧЕСКИХ (БАТИМЕТРИЧЕСКИХ) ШКАЛ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШКАЛЫ СЕЧЕНИЯ РЕЛЬЕФА

• определение границ высотных зон, изучение форм и типов рельефа на основе географического районирования

- выбор эталонных участков в пределах каждого района; определение предельно допустимых и преобладающих углов наклона вдоль и перпендикулярно направлению хребтов или линий водоразделов

- вычисление предельно допустимых и оптимальных интервалов сечения

- проектирование шкал на эталонные участки

- сведение шкал в одну с сохранением традиционных и характерных для каждого района горизонталей

- редактирование сводной шкалы; ее обобщение

- эксперименты по выбору и преобразованию цветов в цветовых моделях

- визуализация и оценка восприятия шкал и карт

Рис. 8 — Методика проектирования гипсометрических (батиметрических) шкал -равноступенных и неравноступенных

Четвертая глава посвящена анализу результатов совместного

применения различных методов изображения рельефа. Предложены приемы

совершенствования изображения рельефа при использовании компьютерной

отмывки в сочетании со штриховкой и текстурами, что особенно важно

учитывать при создании карт в ГИС-продуктах. Это:

• районирование горных областей по направлению хребтов для выбора направления освещения;

• предотвращение инверсии восприятия положительных и отрицательных форм рельефа при направлении освещения из южной (нижней) полусферы;

• использование принципа «дуплекс» (двойной отмывки) для выделения крупных форм рельефа;

• моделирование эффекта глубины пространства на основе использования принципа воздушной перспективы;

• интегрирование отмывки на основе «размытых» светотеневых изогипс с прочими способами отмывки рельефа;

• интегрирование теневой пластики с гипсометрической окраской;

• использование текстур для передачи особенностей ландшафтов;

• штриховая проработка скалистых форм рельефа;

• соблюдение необходимой точности планово-высотного положения горных вершин при использовании полуперспективных изображений.

В диссертации эти приемы рассмотрены и сопровождены показательными

иллюстрациями.

Выявлены и раскрыты пути интеграции аналитической отмывки с гипсометрической и батиметрической окраской. Предложен новый тип гипсометрических шкал — «составные», в которые включено светотеневое оформление. Они позволяют выполнять цветную отмывку рельефа и могут быть получены из уже известных и широко применяемых шкал (рис. 9, 10).

а б в г

Рис. 9 — Принцип проектирования «составной» гипсометрической шкалы: а - утемняющаяся зелено-коричневая шкала; в - осветляющаяся живописная шкала; б, г - «составные» шкалы. В горной части (с 1 ООО м) шкалы разделены на две части: утемняющаяся (справа) передает теневые склоны, осветляющаяся (слева) - освещенные

Рис. 10-

Оформление рельефа с

использованием

градиентной

гипсометрической

окраски в «составных»

шкалах

(рис. 9 б, г).

Работа автора

Для целей автоматизированного использования такая шкала может быть представлена в виде ступенчатой или градиентной плашки, по вертикали которой откладываются высоты (слева - для освещенного склона, справа - для теневого), по горизонтали — оттенки цвета, соответствующие различной экспозиции склонов (рис. 11, 12).

Рис. 11 — Пример проектирования «составной» гипсометрической шкалы и многоцветной плашки - ступенчатой и градиентной - на ее основе

Поскольку в современных картографических программах аналитическая отмывка

предусматривает передачу не только теневых (как ранее), но и освещенных склонов, применение «составных» шкал становится особенно актуальным и перспективным.

Использование рассмотренных в диссертации способов изображения рельефа, включая аспекты их интеграции, напрямую связано с художественным оформлением карт - областью, относящейся к классической картографии и стоящей на стыке с теорией рисунка, живописи и композиции. Формирование отечественной школы художественного оформления карт опиралось на талант многих картографов-художников, являвшихся единомышленниками и коллегами ее основателя П. А. Скворцова. Это П. К. Колдаев, А. Б. Ульянов, 3. А. Александрова, Л. И. Смирнов, Н. Н. Лосяков, А. С. Толстоухов и другие. Отечественная школа взаимосвязана со швейцарской школой оформления карт, наиболее ярко представленной в трудах Э. Имгофа и его последователей. В

Рис. 12 — «Составная» шкала на конусообразной модели

диссертации этой теме посвящен отдельный раздел, иллюстрированный произведениями разных авторов, включая работы автора диссертации (рис. 13).

Рис. 13 — Фрагменты карты Греции с оформлением рельефа в многоцветных гипсометрических шкапах («утро», «день», «вечер», «ночь»). Работа автора

Заключение. Главный итог исследований — научно-экспериментальное обоснование направлений и приемов совершенствования изображения рельефа на мелкомасштабных картах. Основные выводы и результаты состоят в следующем:

1. В работе впервые выделены и охарактеризованы различные способы изображения рельефа в историческом развитии; их связь с технологиями получения, методами обработки исходных данных и технологиями воспроизведения карт — от рукописных изображений до электронных.

2. Разработана классификация методов и способов изображения рельефа, отражающая как их эволюционную дифференциацию, так и радикальные изменения изобразительных средств и технологий.

3. Выявлены и раскрыты факторы, влияющие на выбор методов и способов изображения рельефа. Их анализ позволяет раскрыть значение и приоритеты учета при изображении рельефа на картах: географические,

21

картографические, технологические, психофизиологические факторы, а также квалификация и научный потенциал специалистов.

4. Из всего многообразия методов и способов изображения рельефа выделен способ гипсометрической окраски как наиболее значимый, широко распространенный и нуждающийся в разработке научных основ его совершенствования. Проведены масштабные исследования цветовых рядов.

5. Предложены два подхода к проектированию гипсометрических шкал -перцептивный и аналитический. В рамках перцептивного подхода разработана новая универсальная классификация гипсометрических шкал, учитывающая законы зрительного восприятия и не зависящая от конкретных технологий создания карты. Для обеспечения непрерывности картографирования рельефа суши и морского дна предложена классификация батиметрических шкал (по типу гипсометрических).

6. Показаны преимущества и пути интеграции перцептивного и аналитического подходов к проектированию гипсометрических шкал по иерархическим ступеням вновь разработанной классификации.

7. Разработана методика проектирования гипсометрических и батиметрических шкал, предусматривающая реализацию в ГИС и других картографических программах.

8. Предложены приемы совершенствования изображения рельефа способом аналитической отмывки и в ее сочетании со штриховкой и текстурами.

9. Разработаны шкалы нового типа для передачи способом аналитической отмывки не только теневых, но и освещенных склонов.

10. Показана связь методов и способов изображения рельефа с художественным оформлением карт, основанным на теории рисунка, пейзажной живописи и композиции.

Разработки подтверждены комплексом экспериментов и иллюстрациями результатов.

Исследования могут найти широкое применение в организациях и ведомствах, создающих и использующих карты и атласы. Диссертация вносит вклад в развитие теории и методов картографии и ее самостоятельной области -оформления карт, обеспечивающего восприятие информации в современном многообразии ее представления.

Публикации по теме диссертации:

1. Оформление карт: традиции и современность//Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -2010. - №5. С. 60-63.

2. Колориметрическая оценка качества гипсометрических шкал для оформления карт//Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2010. - №6. - С. 81-89 (соавт. Жукова О. Ю., Золотарева Т. Г.).

3. Об использовании цветовой пластики (пространственного воздействия цвета) в оформлении карт//Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. -№1. - С. 46-54 (соавт. Жукова О. Ю.).

4. Психофизический и физиологический аспекты восприятия графической информации применительно к изображению рельефа на картах//Изв. Вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. -№3. - С. 75-80.

5. Художественное оформление карт: традиции и современность// Сборник статей по итогам международной научно-технической конференции, посвященной 230-летию основания МИИГАиК. Часть 1. Москва, 2009. С. 96-

6. Живописная планета//Мир музея. - 2009. №4. С. 8-14 (соавт. Лосяков Н. Н.).

7. Справочные обзорные настенные карты Греции («утро», «день», «вечер», «ночь»). Изд. дом «Odyssey Advertising». Греция, Афины, 2009.

8. Живописная карта Греции. - Одиссея в Грецию. Справочник туриста. Вып. 12. - Изд. дом «Odyssey Advertising». Греция, Афины, 2010.

9. Иллюстрированный атлас мира. - М.: Изд-во БЕЛЛСИ: ООО «Издательство Астрель»: Изд-во ACT, 2004. - 55 с. - оформление рельефа материков и России на всех картах атласа.

10. Иллюстрированный атлас мира. Универсальный иллюстрированный атлас мира. - М.: Астрель: ACT, 2010. - 71 с. - оформление рельефа материков и России на всех картах атласа.

101.

Подписано в печать. Формат А4. Бумага офсетная. Печать цифровая. I Тираж 80 экз. Заказ № 2379

Типография ООО «Ай-клуб» (Печатный салон МДМ) 119146 г. Москва, Комсомольский пр-т, д. 28 Тел. 8 (495) 782-88-39

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ковалева, Ольга Владимировна

Введение.

1 Обзор и классификация методов и способов изображения рельефа на мелкомасштабных картах.

1.1 Обзор методов и способов изображения рельефа в историко-технологическом аспекте.

1.1.1 Условно-перспективный метод.

1.1.2 Метод штриховки.

1.1.3 Метод теневой пластики.

1.1.3.1 Рукописные способы.

1.1.3.2 Способы, основанные на использовании фотоизображений.

1.1.3.3 Аналитические способы (аналитическая отмывка рельефа).

1.1.4 Метод, основанный на использовании рельефной модели местности.

Методы, основанные на принципе сечения плоскостями:.

1.1.5 Гипсометрический метод.

1.1.5.1 Способ изогипс.

1.1.5.2 Способ гипсометрической окраски.

1.1.6 Метод наклонных профилей.

1.1.7 Метод вертикальных профилей.

1.1.8 Метод аппроксимации картографируемой поверхности многогранниками (нерегулярная триангуляция).

1.1.9 Универсальные способы картографического изображения, относящиеся к рельефу.

1.1.10 Интерактивный метод.

1.1.11 Стереоскопический метод.

1.1.12 Метод динамических картографических изображений и анимации.

1.2 Классификация методов и способов изображения рельефа.

2 Факторы, определяющие выбор методов и способов изображения рельефа на мелкомасштабных картах.

2.1 Географические факторы.

2.2 Картографические факторы.

2.3 Технологические факторы.

2.4 Квалификация и научный потенциал специалистов. Живописное и графическое мастерство.

2.5 Психофизиологические, познавательные факторы.

3 Совершенствование изображения рельефа на мелкомасштабных картах: способ гипсометрической окраски.

3.1 Требования, предъявляемые к гипсометрическим шкалам.

3.2 Пластические свойства гипсометрических шкал.

3.3 Исследования цветовых рядов.

3.4 Научные основы и методика проектирования гипсометрических шкал.

3.4.1 Классификация гипсометрических шкал.

3.4.1.1 Действующая классификация П. А. Скворцова.

3.4.1.2 Предлагаемые классификации гипсометрических и батиметрических шкал.

3.4.2 Аналитический подход к проектированию гипсометрических шкал.

3.4.3 Особенности проектирования равноступенных и неравноступенных гипсометрических шкал.

3.4.4 Методика проектирования гипсометрических и батиметрических шкал (интегрированный перцептивно-аналитический подход).

4 Изобразительный аспект совместного применения классических методов и способов оформления рельефа.

4.1 Пути совершенствования изображения рельефа при использовании аналитической отмывки и в ее сочетания со штриховкой и текстурами.

4.2 Интеграция аналитической отмывки с гипсометрической и батиметрической окраской. Шкалы нового типа.

4.3 Использование шкал нового типа в художественном оформлении карт.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование изображения рельефа на мелкомасштабных картах"

Актуальность темы. Среди элементов содержания мелкомасштабных карт рельеф — один из важнейших. Он в значительной степени определяет характер и размещение компонентов ландшафта, напрямую связан с другими элементами содержания общегеографических и тематических карт.

В последние годы в связи с внедрением в картографию ГИС-технологий оформление мелкомасштабных карт выполняется с использованием светотеневого изображения рельефа в сочетании с гипсометрической окраской. Ученые работают над автоматизацией и объективизацией процесса аналитической отмывки рельефа. Сведения о рельефе включаются в базы данных ГИС различного назначения.

В практическом использовании ГИС первостепенное значение приобретает грамотная визуализация информации, во многом определяющая ценность и информативность карт. При изображении рельефа и его восприятии важны не только сохранение характерного внешнего облика, генетических различий форм, региональных особенностей конкретных районов, но и эстетическая привлекательность. Это достигается в большой степени оформлением карты, неформальным применением изобразительных средств. В настоящее время проблема входит в число приоритетных и актуальных областей исследования картографов.

Цель и задачи диссертации. Целью исследования является совершенствование изображения рельефа на мелкомасштабных картах как актуального направления развития теории и практики оформления картографических произведений. Достижению поставленной цели было подчинено решение следующих задач:

- анализ научных исследований и практического опыта изображения рельефа;

- выявление факторов, определяющих выбор методов и способов изображения рельефа;

- систематизация требований к гипсометрической окраске рельефа в соответствии с теорией цветовой пластики; исследования цветовых рядов;

- разработка научных основ и методики проектирования гипсометрических шкал для мелкомасштабных карт; разработка современной классификации гипсометрических и батиметрических шкал и практических рекомендаций по их использованию;

- исследование результатов совместного применения различных методов оформления рельефа; разработка шкал нового типа;

- анализ наследия школ художественного оформления карт;

- разработка и выполнение авторских иллюстраций.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является рельеф земной поверхности и морского дна. Предмет исследования — картографическое изображение рельефа и методика создания достоверных и эстетически привлекательных картографических произведений.

Методы исследования. Диссертационное исследование строится на системном картографическом подходе, опирается на теоретико-методологические основы картографирования, отраженные в трудах ученых и картографических произведениях. Методологической базой исследований являются также общие принципы картографического моделирования, теории цветоведения, теневого и цветового изображения рельефа, достижений цифровых компьютерных технологий. Для оценки результатов научных исследований используются эксперименты, сравнительный визуальный анализ.

Состояние и изученность проблемы. Проблема изучена по изданным картографическим произведениям и опубликованным работам в области оформления карт. В наиболее полном объеме проблема раскрыта в первой главе диссертации и кратко, применительно к различным аспектам исследования, - в остальных главах. В работе использованы труды отечественных и зарубежных специалистов в области оформления карт: П. А. Скворцова, П. К. Колдаева, Н. Н. Лосякова, А. С. Толстоухова, швейцарских картографов: Г. Гюгера, К. Имфельда, Г. Кюммерли, Ф. Беккера, Э. Имгофа; родоначальника панорамных карт австрийского картографа Г. Беранна; X. Шелтона, Т. Паттерсона (США) и других.

На защиту выносятся:

1. Классификация методов и способов изображения рельефа на мелкомасштабных картах в историко-технологическом плане. Ключевые понятия «метод» и «способ» изображения рельефа и их обоснование.

2. Научные основы проектирования гипсометрических и батиметрических шкал, их классификация. Перцептивный и аналитический подходы к проектированию.

3. Методика проектирования гипсометрических и батиметрических шкал мелкомасштабных карт.

4. Шкалы нового типа как результат интеграции методов гипсометрической окраски и аналитической отмывки рельефа.

5. Авторские иллюстрации: гипсометрические (батиметрические) шкалы, оригиналы и фрагменты карт.

Научная новизна. Предлагаемая диссертация - первое обобщающее исследование в области использования изобразительных средств при картографировании рельефа в новом актуальном аспекте, учитывающем компьютерные технологии и классический опыт оформления карт.