地形地図作成

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20フィート間隔の等高線を含むバーモント州ストウのUSGS地形図

地形地図作成またはレリーフマッピングは、開発されたいくつかの手法の1つまたは複数を使用して、地図上に地球の表面の形状を描写することです。地形または起伏は、自然地理学の重要な側面であり、そのため、その描写は、地図作成設計、最近では地理情報システムおよび地理視覚化において中心的な問題を提示します。

ヒルプロファイル

ヨハネスフィングブーンによるイスパニョーラ島の1639年の地図から、丘のプロファイルの使用を示しています

地図作成における最も古い形式の起伏描写である丘のプロファイルは、プロファイル内の山と丘の単なる図であり、一般的に小規模な(広い範囲の)マップに適切に配置されます。「アンティーク」なスタイリングの一部として以外は、今日ではほとんど使用されていません。

生理学的イラスト

Raiszの1941年の米国北西部の地図の一部で、彼の地形図のスタイルを示しています。

1921年、AKロベックは、丘のプロファイル手法の高度なバージョンを使用して、小規模な地図上に地形の分布を示す、米国の生理学的図を公開しました。[1] アーウィン・ライスは、この手法をさらに開発、標準化、および指導しました。この手法では、一般化されたテクスチャを使用して、広い領域の地形の形状を模倣します。[2]丘の輪郭と陰影のある起伏の組み合わせであるこのスタイルの地形表現は、同時にその作成者(多くの場合手描き)に特有であり、地形パターンを説明する上で洞察に満ちています。

斜めレリーフを計画する

計画の斜めのレリーフを特徴とする米国の同国のパターソンの物理的な地図のウェブ版。フルサイズバージョンのロッキー山脈の外観に注意してください。

最近では、トム・パターソンは、レイズの作品に触発された地形をマッピングするためのコンピューター生成技術を開発しました。これは、プラン斜めレリーフと呼ばれます。[3]このツールは、影付きのレリーフ画像から開始し、標高に比例してピクセルを北にシフトします。その効果は、丘のプロファイルと同じように、山を北に「立ち上げ」および「重ねる」機能にすることです。一部の視聴者は、他の視聴者よりも効果を簡単に見ることができます。

Hachures

ベルンのデュフォー地図(1907); これは影付きの暈滸マップです。

1799年にオーストリアの地形学者ヨハンゲオルグレーマンによって最初に標準化されたハッチングは、線を使用した陰影の形式ですそれらは傾斜の方向を示し、それらの厚さと全体的な密度によって、それらは一般的な急勾配の感覚を提供します。数値ではないため、輪郭よりも科学的調査には役立ちませんが、非常に特定の地形の形状をうまく伝えることができます。[2]起伏のある丘など、比較的浅浮き彫りを示すのに特に効果的です。これは、20世紀までのドイツの地形図の標準でした。

デジタルGISデータを使用してこの手法を再現する試みは何度も行われていますが、結果はまちまちです。

等高線

18世紀にフランスで最初に開発された等高線(または等値線)は、同じ高さの等値線です。これは、標高を定量的に視覚化する最も一般的な方法であり、地形図でよく知られています。

18世紀および19世紀初頭の全国調査のほとんどは、調査地点のスポット標高のみを計算して、対象範囲全体にわたる救済を記録していませんでした。米国地質調査所(USGS)の地形図には起伏の輪郭表現が含まれていたため、特に標高を正確に表現した起伏を示す地図は、米国では地形図(または「地形図」)と呼ばれるようになりました。使用法は国際的に広がっています。

ベルニーナ峠(1877年)のジークフリート地図。30メートル間隔で黒、青、茶色の等高線が描かれています。

Swisstopoによって作成されたマップでは、等高線の色は地面のタイプを示すために使用されます。裸の岩とガラ場の場合は黒、氷と水中の輪郭の場合は青、土に覆われた地面の場合は茶色です。[4]

田中(レリーフ)の輪郭

田中(レリーフ)等高線技術は、地形を視覚化するために等高線を照らすために使用される方法です。北西部の光源との関係に応じて、線がハイライトまたはシェーディングされます。示されているオブジェクトが等高線の一部に影を付ける場合、その等高線は黒い帯で表されます。そうしないと、光源に面する傾斜が白い帯で表されます。

この方法は、1950年に田中北郎教授によって開発されましたが、早くも1870年に実験され、印刷の技術的限界のためにほとんど成功しませんでした。この時点で得られた地形は、グレースケール画像でした。[5]カートグラファーのバートホールド・ホーンは後に田中等高線をデジタルで作成するソフトウェアを作成し、別のカートグラファーのパトリック・ケネリーは後にこれらの地図に色を追加してより現実的にする方法を見つけました。[6]

この方法には多くの問題があります。歴史的に、印刷技術は田中の輪郭、特に灰色の背景の白い線をうまく再現していませんでした。この方法も非常に時間がかかります。さらに、段々になった外観は、ある種の地形では魅力的または正確に見えません。[7]

催眠術の色合い

催眠性の色合い(レイヤーの色合い、標高の色合い、標高の色付け、または標高の色合いとも呼ばれます)は、高を示すために等高線の間に配置される色です。これらの色合いは、段階的なスキームでは色の帯として、または等高線自体に適用される配色として表示されます。どちらの方法も、Isarithmicマップの一種と見なされます。地図や地球儀のhypsometric着色は、水深の違いを伝えるため   に、同様の水深着色の方法を伴うことがよくあります。

影付きのレリーフ

上:ミード湖地域の地図
下:日よけのある同じ地図。

陰影起伏、または陰影起伏は、3次元の表面が点光源からどのように照らされるかを示すことにより、現実的な方法で地形の形状を示します。は通常、光源がマップの左上隅の近くに配置される左上の照明の規則に従いますマップが北を上にして向けられている場合、結果は光が北西から来ているように見えます。これは北半球では非現実的な照明ですが、南の光源を使用すると、地形が反転して見える多安定知覚錯覚を引き起こす可能性があります。[8]

陰影のあるレリーフは、伝統的に木炭エアブラシ、その他のアーティストのメディアで描かれていました。スイスの地図製作者エドゥアルド・イムホフは、手動の陰影起伏技術と理論の達人として広く認められています。陰影起伏は、今日、ほぼ独占的に数値標高モデル(DEM)からコンピューターで生成されています。分析的な陰影起伏の数学的基礎は、各位置での表面法線を計算し、次にそのベクトルと内積を使用して照明を指すベクトルとの間の角度を計算することです。; その角度が小さいほど、その場所が受ける照明は多くなります。ただし、ほとんどのソフトウェア実装は、これらの計算を短縮するアルゴリズムを使用しています。このツールは、 PhotoshopQGISGRASS GISArcMapのSpatial Analyst拡張機能 など、さまざまなGISおよびグラフィックソフトウェアで使用できます。

これらの比較的単純なツールにより、陰影起伏が地図にほぼ遍在するようになりましたが、多くの地図製作者はこの製品に不満を持っており、次のような外観を改善するための技術を開発しました。

照らされたシェーディング

Imhofの貢献には、「照らされたシェーディング」として知られる、谷に紫、山に黄色を使用した、シェーディングへのマルチカラーアプローチが含まれていました。光源に面する地形の側面を黄色で照らすと、よりリアルになり(直射日光がより黄色になり、周囲光がより青色になるため)、地形の3次元的な性質の感覚が高まり、地図がより美しくなります。審美的に心地よく、芸術的に見える。[9]エドゥアルド・イムホフの作品をデジタルで再現するために多くの作業が行われ、場合によってはかなり成功しています。[10]

多方向シェーディング

ユタ州ザイオン国立公園。多方向の陰影起伏の効果を示しています。左:1つの光源、標準の北西方位角。中央:北西+垂直の2つの光源の平均。右:すべての方向からの平均32の光源ですが、北西に集中しており、それぞれに影が追加されています。1,000 mを超える地域の起伏のあるこの地域では、断崖、峡谷、山々の荒れが減り、リアリズムが増し、透明度が増していることに注目してください。

コンピューターで生成された分析的な陰影起伏に対する一般的な批判は、光に面する斜面が真っ白で、向こう側に面する斜面が黒一色である、そのはっきりとした人工的な外観です。Raiszはそれを「プラスチックの陰影」と呼び、他の人はそれが月の景色のように見えると言いました。[2] 1つの解決策は、複数の照明方向を組み込んで周囲照明の効果を模倣し、はるかにリアルな外観の製品を作成することです。これを行うために、地理情報システムソフトウェアを使用して複数の陰影起伏画像を生成し、それらを平均化する、3Dモデリングソフトウェアを使用して地形をレンダリングするなど、複数の手法が提案されています[11]。最大数百の個別の光源を使用して自然光を模倣するカスタムソフトウェアツール。[12]この手法は、1:30,000から1:1,000,000の中規模の非常に起伏の多い地形に最も効果的であることがわかっています。

テクスチャ/バンプマッピング

オレゴン州クレーターレイク国立公園地図。テクスチャマッピングを使用して、植生の被覆を微妙に示しています。

裸地の表面だけでなく、建物や植物など、その土地の表面を覆うフィーチャの3次元的な外観を模倣することで、地形をよりリアルに見せることができます。テクスチャマッピングまたはバンプマッピングは、コンピュータグラフィックスから採用された手法であり、ローカルの土地被覆の外観を模倣するシェーディングされたサーフェスレリーフにシェーディングされたテクスチャのレイヤーを追加します。[13]このテクスチャは、いくつかの方法で生成できます。

  • テクスチャの置換:土地被覆のリモートセンシング画像のコピー、抽象化、およびマージ。[14]
  • テクスチャの生成:「木」のランダムな散乱など、GISでシミュレートされた土地被覆標高レイヤーを作成し、これの影付きのレリーフを生成します。[15]
  • 標高測定:高解像度のリモートセンシング技術、特にLidarドローンを使用して、直接または間接的に(写真測量を介して)土地被覆フィーチャの高さや形状を測定し、その標高面をシェーディングします。

この手法は、1:5,000〜1:50,000の比較的大規模な現実的な地図を作成する場合に最も役立ちます。

解像度のミキシングまたはバンピング

モンタナ州/アイダホ州のビタールート山脈サーモン川陰影起伏の解像度バンピングテクニックのイラスト左:解像度200 mの影付きレリーフ、中央:7000 mの平滑化フィルター後の影付きレリーフ、右:65%/ 35%混合。元の画像は均一に凹凸があり、右側の画像はより大きな山と峡谷を強調しています。

特に小規模(1:500,000以下)での陰影起伏に関する1つの課題は、この手法が局所(高周波)起伏を視覚化するのに非常に優れているが、より大きな特徴を効果的に表示できない可能性があることです。たとえば、丘や谷の険しい地域は、大きくて滑らかな山と同じかそれ以上の変化を示します。解像度バンピングは、この問題を軽減するためにNPSカートグラファーのトムパターソンによって開発されたハイブリッド技術です。[16]細かい解像度のDEMは、非常に滑らかなバージョン(つまり、かなり粗い解像度)で平均化されます。陰影起伏アルゴリズムをこれに適用すると、元の地形モデルの細部と、平滑化されたモデルによってもたらされるより広い特徴をブレンドする効果があります。この手法は、小規模で、一貫して頑丈な地域で最適に機能します。

斜めビュー

ClaesJansz。Visscherによる1618年のパリの斜めの地図

地球の表面の3次元ビュー(2次元媒体に投影)と、その上にある地理的特徴。想像上の都市の空中写真は中世後期に最初に作成されましたが、これらの「鳥瞰図」は1800年代に米国で非常に人気がありました。GIS(特に最近の3Dおよびグローバルビジュアライゼーションの進歩)および3Dグラフィックモデリングソフトウェアの出現により、現実的な航空写真の作成が比較的簡単になりましたが、これらのモデルで高品質の地図作成デザインを実行することは依然として課題です。[17]

浮き彫り地図

縮尺1: 50000のハイタトラの手作り浮き彫り地図

これは、レリーフが3次元オブジェクトとして表示されているマップです。浮き彫りを描く最も直感的な方法は、それを大規模に模倣することです。手作りのジオラマは中国では紀元前200年にまでさかのぼることができますが、真空成形されたプラスチックマップの発明と、型を効率的に作成するためのコンピューター加工により、第二次世界大戦まで大量生産が可能になりませんでした。機械加工は、高密度フォームなどの基板から大型のカスタムモデルを作成するためにも使用され、インクジェットプリントヘッドを機械加工デバイスに配置することで、航空写真に基づいてそれらを着色することもできます。3Dプリントの登場ほとんどの3Dプリンターは小さすぎて大きなジオラマを効率的に作成できませんが、浮き彫り地図を作成するためのはるかに経済的な手段を導入しました。[18]

レンダリング

upright = 1.3ASTERグローバルDEMデータに基づくペナン島の地形のSTL3Dモデル

テレインレンダリングは、実世界または架空の世界の 表面を描写するさまざまな方法をカバーしています。最も一般的な地形の レンダリングは、地球の表面の描写です。これは、さまざまなアプリケーションで、オブザーバーに参照フレームを提供するために使用されます。また、樹木建物などの非地形オブジェクトのレンダリングと組み合わせて使用​​されることもよくあります

地形レンダリングには、トップダウンレンダリングとパースペクティブレンダリングの2つの主要なモードがあります。トップダウンの地形レンダリングは、地図作成マップの方法で何世紀にもわたって知られています。遠近法による地形のレンダリングもかなり前から知られています。しかし、コンピュータとコンピュータグラフィックスの出現によってのみ、レンダリングが主流になりました。

構造

Outerraでレンダリングされた風景

典型的な地形レンダリングアプリケーションは、地形データベース中央処理装置(CPU)、専用のグラフィックス処理装置(GPU)、およびディスプレイで構成されています。ソフトウェアアプリケーションは、ワールドスペースの最初の場所から開始するように構成されていますアプリケーションの出力は、ディスプレイ上の実世界の画面空間表現です。ソフトウェアアプリケーションはCPUを使用して、地形データベースから初期位置に対応する地形データを識別してロードし、必要な変換を適用して、GPUでレンダリングできるポイントのメッシュを構築します。これにより、幾何学的変換が完了し、画面スペースオブジェクトが作成されます(そのような実世界の場所によく似た画像を作成する ポリゴン)。

テクスチャ

地形の表面をテクスチャリングする方法はいくつかあります。一部のアプリケーションでは、立面図の色付け、チェッカーボード、その他の一般的なテクスチャなどの人工的なテクスチャを使用することでメリットが得られます。一部のアプリケーションは、航空写真衛星画像を使用して、現実世界の表面を可能な限り最良の表現に再現しようとします

ビデオゲームではテクスチャスプラッティングを使用して地形の表面にテクスチャを付けます。

生成

地形サーフェスを生成するには、さまざまな方法があります。これらすべての方法で解決される主な問題は、処理およびレンダリングされたポリゴンの数を管理することです。数十億のデータポイントを使用して、世界の非常に詳細な画像を作成することが可能です。ただし、このようなアプリケーションは静止画に限定されています。地形レンダリングのほとんどの用途は動画です。これには、ソフトウェアアプリケーションが、ソースの地形データを(破棄または近似することによって)単純化する方法を決定する必要があります。事実上すべての地形レンダリングアプリケーションは、詳細レベルを使用して、CPUおよびGPUによって処理されるデータポイントの数を管理します。地形サーフェスを生成するための最新のアルゴリズムがいくつかあります。[19] [20] [21] [22]

アプリケーション

テレインレンダリングは、コンピュータゲームで広く使用されており、地球の表面と想像上の世界の両方を表現します。一部のゲームには、地形変形(または変形可能な地形)もあります。

地形レンダリングの重要なアプリケーションの1つは、合成視覚システムです。航空機を操縦するパイロットは、航空機の外部の状態に関係なく、常に地形の表面を見ることができるという利点があります。

骨格、構造、またはブレークライン

水文学的 分水界と流域の流れ を強調します。

フォーラムと協会

山岳地帯では、救済の描写が特に重要です。国際地図学協会山岳地図作成委員会は、これらの地域をマッピングするための理論と手法を議論するための最も有名なフォーラムです。

も参照してください

参照

  1. ^ Lobeck、AK(1921)米国の生理学的図、AJ Nystrom&Co.、David Rumsey Map Collectionでのデジタルスキャン、リストNo.7129.000
  2. ^ a b c Raisz、Erwin(1948)。一般的な地図作成(第2版)。マグロウヒル。pp。103–123。
  3. ^ ジェニー、ベルンハルト; パターソン、トム(2007)。「計画斜め救済の紹介」(PDF)地図作成の観点(57):21–40。土井10.10714/CP57.279
  4. ^ Swisstopo、ウェイバックマシンで2008年5月28日にアーカイブされた従来の標識
  5. ^ 地図作成の基礎。ミスラRPとA.ラメッシュ。コンセプトパブリッシングカンパニー。1989.pp。389-390
  6. ^ Patrick Kennelly&A。Jon Kimerling(2001)田中の照光等高線法の修正、地図作成および地理情報科学、28:2、111-123。
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外部リンク

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