【制图新技术】交叉混合(cross-blended)分层设色的发展与原理

引言

高程分层设色的应用在制图学界起源于19世纪的早中期,人们用不同的颜色表示不同的高程分带,虽然没有固定的颜色配置模型,我们都能从常见的地图(集)中看到这种方法的应用。

虽然分层设色得到了广泛的应用,但是单一的表示高程的分层设色依然会给没有经验的读者一些误导,相对于一个地域的地表覆盖、植被、气候等因素相比,容易给看图人员造成混淆。比如典型的分层设色会用深绿表示地势低的区域,如波斯湾附近的陆地,因为绿色很容易跟植被联系在一起,因此,一些读者误以为该区域有比较好的植被覆盖,如图(1)所示。

本文回顾了高程分层设色的发展历程及主要使用的配色方案,并介绍了交叉混合分层设色(cross-blended hypsometric tints)的产生和基本原理。

图(1) 传统的分层设色(左图,带有山体阴影)使用绿色表示高程比较低的地区,暗示亚洲西南部(波斯湾周边地区)植被茂盛,而交叉混合分层设色(右图)使用与当地环境(本区域属干旱地区)相匹配的颜色来表示。

背景

交叉混合设色法是传统的分层色法的一种变体,它是在20世纪中叶出现的。传统的分层设色甚至起源于19世纪,让我们大体回顾一下几种主要的配色方案。

高程分层设色是随着测高技术的出现而出现的,1800年左右起源于欧洲。1840到1870年间是分层设色发展的关键时期,当时出现了2类与现代制图相关的配色,一种是多色色设(又称“光谱”色),August Papen的中欧高程图(出版于1857-1859)使用于图2(A)的配色,该方案可能会让现代读者不适应, Papen 使用蓝色来描述中等高程地区。另一种是连续过度色(连续色调),与前面的非结构化色谱不同,制图人员使用同一种颜色调但是不同饱和度的颜色(一般是灰色或者是粽色)来表示高低起伏,高程越高,颜色饱和度越高。这种方法优点比较明显,因为大部分地区海拔相对较低,因此浅色调占图的主要部分,这样叠加文字注记可读性会好一些,但是随后出现的山体阴影让这种方案不再流行,因为在高海拔山区有山体阴影,所以山体阴影与深色叠加,打印效果不好。如今,大部分分层设色采用“高程越高、颜色越浅”的方案。

接下来,1878年由苏格兰制图师John Bartholomew, Jr. (1831–1893),采用了图2(C)的高程配色方案是另一个重要的发展,这个配色用绿色表示低地,用橙色-棕色-紫色表示高地,再用白色表示山顶。

20世纪早中期,是学术界对什么样的配色方案能更好的表现三维地形展开激烈讨论的阶段,两所学校在这场争论当中脱颖而出,来自维也纳的Karl Peucker (1859–1940),是最早的对高程分层设色进行系统分析的人员, Peucker 提出“高程越高,颜色越丰富”的原则,从低地的暗灰色绿色开始,到高地的明亮红色结束,如图2(D )。Peucker的假设是,某些颜色会比其他具有相反作用的颜色看起来更接近我们。许多人对这一假设提出了严厉批评。瑞士的Imhof (1895–1986)比较偏爱从绿色(或蓝绿色),浅黄绿色到浅黄红色和白色从低到高的渐变,如图2(E),他在1962瑞士中学地图集中使用了这种配色。他提出了进一步的想法,主张取消分层设色,而使用平滑的颜色渐变混合来改善地形建模效果。 Imhof 配色的另一个特点是“空中透视效果(aerial perspective effect,即低地被淡蓝色的薄雾遮盖,空中俯瞰会显得更远)”。

从现在回顾来看,Peucker和Imhof都没有完全赢得这场高程分层设色的战争。取而代之的是对它们的样式进行了综合运用,1962年的《国际世界地图》说明了这一点(图2F和G)。比例为1:1,000,000的地图系列中较低的海拔高度颜色类似于Imhof,从浅蓝绿色开始逐渐向上转变为黄色。中等的红棕色描绘了中间的海拔,与Peucker的配色相似;但是,该配色并不以红褐色结尾。它在下一个最高级别引入浅灰紫色,最后以白色结尾。最后两种颜色的加和受到了John Bartholomew,Jr.的早期影响。

图2,不同阶段分层设色方案:A、August Papen的多色色调;B、连续色调;C、 John Bartholomew,Jr. 的配色;D、Karl Peucker的配色;E、Eduard Imhof的配色;F、International Map of the World配色;G、International Map of the World连续色

混合交叉分层设色(Cross-bl e n d e d h y p s o m e t r i c t i n t s)的设计

与传统的分层设色将单个高程颜色系列均匀地应用于地图的所有区域不同,交叉混合的色调会根据区域环境的不同而有所不同。它试图同时表示高程和与自然环境相关联的颜色。

例如,在具有交叉混合分层设色的世界地图上,澳大利亚的中部为土棕色,西伯利亚的西部为森林绿色,亚马逊盆地为丛林绿色,格陵兰为冰冷的蓝灰色。与自然界一样,地图颜色在各个区域(x、y方向)之间以及从低地到高地(z方向)之间逐渐融合在一起,因此被称为交叉混合分层设色(图3)。

图3 交叉混合分层设色与山体阴影相结合的世界地图。低地的颜色根据世界地区的自然环境而不同。

交叉混合分层设色是将新的配色方案应用于全球DEM数据集生成的一种栅格数据集,2009年引入。供用户免费使用,大家可以从NACIS赞助的地图数据网站NaturalEarthData.com上找到并下载,包括多种尺寸,以及是否叠加山体阴影。借助这些数据,专业的地图制作者可以制作出适合普通大众使用的小比例尺的地图。

其设计与生产过程如下,使用的高程数据是SRTM 30弧秒全球DEM数据,在应用配色时将全球划分为四个不同的环境类型区域(根据温度、降雨等参量)——温暖湿润(warm humid)、寒冷湿润(cold humid)、干旱(arid)和极地(polar),分为4类能够避免将问题复杂化。最终地图上描绘的四个环境用独特的颜色表示:温暖的潮湿区域是丰富的黄绿色,凉爽的潮湿区域是蓝绿色,干旱的区域是卡其棕色,而极地区域则是冷灰色。它们各自占据地球表面上大致相等的土地面积。

不同环境类型之间的模糊边界参考了气侯地图集,比如,极地区域定义了一年中最热的月份(北半球是7月,南半球是1月)的平均气温低于10摄氏度,将相应的等温线导入到 Adobe Photoshop中作为图层蒙版并应用边界模糊可以很好的对极地区域进行配色。与此类似,基于Köppen-Trewartha气候分类系统也可以绘制整个地球上其他环境区域的地图(Goode的《世界地图集》,1983年)。在Köppen-Trewartha系统中,Af和Am分类表示温暖潮湿(热带)气候。 Db,Dc和Dd表示寒冷潮湿(大陆)气候; Bs和Bw表示干旱气候(图4)。这里尽量使用宽泛的边界,而非精确的边界,这样效果会更好。

图4 假彩色描绘的环境区域用于创建交叉混合分层设色。区域的模糊边缘模拟自然发生的过渡。

在颜色配置过程中,高程仍然是占主要的因素,只是根据不同的环境区域使用不同的配色方案,如图5所示。

图5 前三个海拔比例(从左开始)中的低地颜色表示大部分的地区。在1,000米以上,颜色相同且比较传统。极地标尺(右)使用了与前面无关的颜色,并且颜色较短,因为在这些区域中,最高高程值低于5,000米。

除极地地区外,不同的环境颜色仅在海拔不到1000米的区域中出现。除此之外,无论环境如何,分层配色都是采用传统的并且相同。美学考虑是做出这个折中决定的原因,因为它保留了中高处的红色,灰色和白色,读者似乎对此反应良好。在交叉混合分层设色的情况下,中高海拔的颜色是吸引人们注意的视觉诱饵。低海拔区域的颜色向广大读者传递了更为微妙的信息,因为全球74%的人口生活在海拔低于500米的区域(Cohen 和Small 1998),阅读这种地图的人容易将图上的颜色与当地的实际颜色联系起来。

最后是叠加浅色调的山体阴影。

结论

对于DEM晕渲图来说,交叉混合分层设色并不是都适用的。它们最适合中小比例尺地图,并且这些区域具有彼此明显不同的地理环境。另外对于绘制地形以精确显示高程的地图也并不是理想的选择。同时还取决于地图的用途,自然地理类的地图是适用的,能够给读者同时表达出高程和地理环境的信息。

附:交叉混合分层设色CMYK & RGB配色方案:

参考文献:

Tom Patterson,Bernhard Jenny,《The Development and Rationale of Cross-blended Hypsometric Tints》

编译整理:北京易凯图科技有限公司 陈春华

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