【视频教程】使用MAPublisher制作正交投影地图

地图制图人员在制图中可能会用到如下所示的正交投影,在该投影下,地图显示为三维的球体效果,更接近于地球真实的样子。

当直接使用全球数据制作这种正交投影地图时,MAPublisher会把全部的数据都进行投影,相当于我们会看到地球背向我们一侧的数据,这样显然是不​符合要求的,如下所示:

下面我们将简要说明正交投影半球地​图的制作步骤,详细的请参考本文后面的视频教程。

​步骤一:


加载世界地图底图数据,并将投影中心(​以北京为例)绘制到底图上,点的绘制可以使用MAPublisher的点绘制功能,该功能支持经纬度和大地坐标的方式绘制点的位置,也可以在连网情况下使用查找位置功能,输入地名即可通过网络地图绘制兴趣点:

​步骤二:


将数据投影到兰勃特方位等距离投影【Lambert Azimuthal Equidistant(Sphere),meter】,这样需要注意的是,系统提供的方位投影的中心为(0,0),我们需要复制该投影并根据北京的经纬度位置进行自定义投影中心(116.39,39.9)​。

​步骤三:


以北京为中心,使用MAPublisher的缓冲区工具,生成半径为10002.5公里的圆,该圆即为我们所能看到的地平线范围,然后使用裁切工具将地图数据裁切到该范围​。

步骤四:


将数据重投影到正交投影(Orthographic,meter),这里跟前面一样,要将北京设为投影中心​。

最后,我们可以做一些美化效果,如添加地平线的投影效果、外发光效果,由于数据保留了投影和属性,我们可以自由的应用MAPublisher主题修改符号配置,创作出让我们满意的效果​。

详细的操作步骤,请参考以下视频教程:

【MAPublisher地图制图技术】如何隐藏LabelPro输出的冲突注记所对应的点符号

一些用户咨询,是否有办法将MAPublisher LabelPro输出的冲突注记层所对应的点符号(或者是未能标注出来的点符号)隐藏起来,另外,用户也会问到MAPublisher能否实现点抽稀(简化选取)的功能。今天给大家演示一下如何实现这样的需求。
简言之,我们可以通过属性解决。首先,将冲突注记层新建一个属性标识字段,然后导出属性表,最后,将导出的冲突注记层属性表关联到点图层的属性表,实现对未能标注的点符号的选取和隐藏。下面简要介绍一下操作步骤:
首先,使用MAPublisher LabelPro功能进行标注时,需要将冲突注记(压盖的注记)进行输出,勾选“将被压盖的标注输出到”选项,如下所示:

​如果在上一步中设置了过滤器的话,将会生成多个冲突标注图层,如下图所示,我们可以将其合并。

然后,在冲突注记层的属性表中新建一个标识符字段,定义为布尔型,并设其默认值设为#True。

将属性表导出,生成txt或csv格式(这里有一些注意事项,需要将中文的字段隐藏后再导出,详情参考视频教程):

然后在点图层的属性表中,合并关联前一步导出的属性表,设定关联的同名字段,这样新的属性表就会增加一列标识字段:

通过该字段,我们可以很方便的将未能标注的点符号(也即冲突冲突对应的点符号)选取出来。

若想了解详细过程,如下是对应的视频教程:

如果您在软件使用过程中有遇到的任何问题,无论是关于MAPublisher / Geographic Imager,还是Adobe Illustrator / Photoshop,欢迎跟我们交流反馈,我们将挑选出共性问题,整理出来分享给广大制图用户,共同进步。若您有所收获,欢迎分享。

如果您是MAPublisher新用户,欢迎下载试用。如果有软件采购意向,欢迎联系我们。如果您想全面了解和学习MAPublisher软件,那么参加我们举办的MAPublisher线上培训是一个不错的选择。

【三维地图制作实例】从3D地图上俯瞰北京西山

京西之山统称西山,西山是太行山的余脉,主要分布在北京西边的门头沟、房山、石景山、昌平等几个区县,北京的母亲河永定河贯穿其中。由于西山面积之大,难以在现实中观其整体,今天我将用三维地图的方式来呈现北京西山,希望给您带来启发。

北京三分之二的面积是山区,平原区的西、北、东北皆为连绵的山峦,以顺时针方向分属西山、军都山、燕山山脉。据统计北京两千米以上山峰有三座,千米以上山峰有上百座。

京西之山统称西山,西山是太行山的余脉,主要分布在北京西边的门头沟、房山、石景山、昌平等几个区县,北京的母亲河永定河贯穿其中。作为北京西部的屏障,煤业资源丰富,自古以来为北京提供了优质的资源。西山永定河文化带底蕴深厚,孕育出了宗教寺庙文化、红色抗战文化、古村古道文化、煤炭文化等,京西古道如一张大网遍布门头沟全境。

生活在北京西部的我,每次越野徒步或骑行到山峰之上,远眺群山,总会感受到自然的博大和优美,所以生活中每隔一段时间就要到西山徒步或骑行。我想每个户外登山爱好者也会总会被山的能量所吸引,就如那句名言所说,“因为山就在那里”。

由于西山面积之大,难以在现实中观其整体,今天我将用地图的方式来呈现北京西山。为了表现山地地形,我将尝试制作三维地图,这也是本文想给大家展示的内容。主要分为两个方面,一个是三维地形的渲染(建模),另一个是三维地图的制作,后者是在前者的基础上叠加符号、说明注记等要素形成的。平常我们所看到的地图绝大部分是二维地图,包括各种电子地图、专题地图、影像地图等等,制作方法比较成熟。
三维地图又叫3D地形、3D场景、3D斜视图、全景图等,由于三维地图的制作考虑的因素和特点比较多,比如制作的时间和成本高,数据要求也更高,同时具有以下几个特点:无地理参考信息,观测角度固定,地图的上下方向还有变形等等。但是制作3D地图也有充分的理由,看起来更有趣,更能吸引读者的注意力,与传统的带等高线或山体阴影的地图相比,3D斜视地形更容易让普通大众理解,除了X、Y维度外,还展示了垂直方向的维度,如下图所示:

事实上,我们能从古地图中找到很多三维形式的地图。如下面两幅古地图,上图为北京颐和园和八旗兵营图(1888年),显示了八旗兵营的营房,寺庙,村庄,桥梁,山脉和颐和园全貌,下图为热河行宫全图(1736年),显示了热河宫的鸟瞰图。

古地图中的三维地图

那么如何用计算机的方式来制作三维地图呢?实际上这是一个多学科的产品。我本人也是参考了国内外的一些前辈才得以完成本案例。之前我们曾经介绍过国外的制图大师——Tom Patterson,他以制作漂亮的晕渲效果和三维地图闻名,我们曾经参考他的教程写过几篇博客(【干货分享】Landsat 8 Photoshop教程Sentinel-2 Photoshop教程【视频教程】山体阴影增强技术),在其网站上也有一篇比较详细的3D地图教程(Making 3D Terrain Maps ),该教程主要使用的软件是Natural Scene Designer Pro和Adobe Photoshop /Geographic Imager。本文主要使用ECartoRender(具体包括BlenderMAPublisher for Adobe IllustratorGeographic Imager for Adobe Photoshop),同时参考了我比较喜欢的DANIEL HUFFMAN写的Blender教程(来源于他的博客网站SOMETHINGABOUTMAPS),这里有一些非常优秀的Adobe Illustrator和Photoshop教程,我们曾经参考DANIEL HUFFMAN写过几篇文章(【Blender】地形晕渲基础教程一位制图师的【自我救赎】【AI制图技巧】使用不透明蒙版实现注记压盖效果【Illustrator高级制图技巧】“挖空组”与外观属性结合实现更好的地图注记压盖效果)。
有了现实的制图需求,和技术解决方案,下面我将尝试制作北京西山的三维地图。这里我不会深入到操作细节,主要把实现思路和成果作一个展示,相当于一个案例介绍,希望给您带来启发。
首先是数据准备,我收集下载了以下几种开源数据:

然后,我们用DEM来渲染3D地形(生成晕渲),虽然很多GIS软件也能做地形晕渲,但是我们将基于Blender 3D建模软件来渲染,具体原因本文不作过多解释了,大家可以看一下我们之前的一些文章(【ECartoRender】地貌晕渲解决方案【制图新技术】地形晕渲底图(山体阴影)制作新方法),概括来说,使用3D建模软件渲染地形更高级、更美观。同时,对于渲染具有透视效果的3D地形,一般GIS软件是不具备这个功能的。

其实原理就是模拟真实的摄影过程,在三维场景中,有三个主要的对象需要进行设置:地形、光源、照相机。不管使用什么软件 ,这里的主要设置干预的内容有:

  • 相机(透视模式,观测方位、俯仰角、焦距等)
  • 光源(大小、颜色、方向、高度角等)
  • 地形(高程夸张)
  • 渲染参数(材质、输出大小、分辨率、降噪、图层叠加等)

一般制作3D地图,我们是会用于朝北的观测方向,光源可以是从东南方向或西南方向照射过来,由于北京西山基本上位于北京平原的西南到西北方向,所以我选择了将相机镜头朝西旋转了35度,俯仰角是50度(这样能看清远处山间的河流),光源从西南方向照射,高度角是50度。

图1 纯地形渲染成果(黑白)
图2 叠加水系和境界的地形渲染成果

以上是地形渲染的成果,如果输出的分辨率比较高的话,对机器要求会比较高,根据机器性能情况,该过程可能需要几小时甚至更长的时间。通常情况下,上述成果即作为渲染成果直接在制图中进行使用,如果想叠加颜色或图像纹理,也可以设置颜色渐变或者叠加卫星影像生成更真实的晕渲效果。如图3、4所示:

图3 叠加颜色渐变的地形晕渲结果
图4 叠加卫星影像的地形晕渲结果

当然卫星影像图层也需要裁切成与DEM相同的范围,这个在Geographic Imager中可以非常轻松的实现,包括影像的镶嵌、调色、投影转换、裁切等操作,具体可以参考:【干货分享】Landsat 8 Photoshop教程

根据DANIEL HUFFMAN的最新教程,我们完全可以不用上面地形直接渲染的成果,而是通过生成黑白深度图(如图5),然后对深度图使用边缘检测滤镜生成的地形效果(如图 6):

图5 深度图
图6 边缘检测滤镜结果

从上图的边缘检测结果图上,我可以更清晰的看到山脊线的走向,著名的“龙脊线”就分布在上图的中间,即百花山—老龙窝—髽髻山—清水尖—妙峰山一线。

由于上述的三维地形建模结果不具有地理参考,同时垂直方向还有一些变形,跟矢量数据是不能直接套合的,如果需要叠加的矢量数据,可以事先在GIS软件中裁切成与DEM相同的范围(可以通过MAPublisher或Geograhic Imager完成),另存为栅格图层,然后在渲染时作为图像层嵌入,如上图2所示,也可以在Blender中修改着色器,将其渲染成单独的图层,如图7所示,这样便于在Photoshop或Illustrator中进行叠加和重新描摹。图8是使用同样的方式将DEM作为颜色输入的渲染结果,图9是将卫星影像作为颜色输入的渲染结果。

图7 水系单独渲染结果
图8 DEM作为颜色输入渲染结果
图9 卫星图像作为颜色输入的渲染结果

然后,我们将回到Photoshop中进行合成和进一步的效果制作,这里大家将有极大的发挥空间,因为Photoshop对于图像的合成提供了非常强大的能力,结合Geographic Imager,对地理影像的处理将变成轻松和精确。以下是将图6、图7、图8在PS中合成的一种效果(具体做法是对图6的边缘检测结果进行两次色阶调整,通过蒙版可以精确的调整平原地区的显示细节,然后将图7水系层通过正片叠底模式叠加,最后将图8应用颜色渐变叠加在最上面)。

图10 Photoshop合成图

最后,我们可以上述地形晕渲成果上叠加符号、路线、兴趣点和注记,生成3D地图,这个过程可以在Adobe Illustrator(或Photoshop)中实现,如图11和图12所示:

图11 对图10添加注记和兴趣点
图12 对图9添加注记和兴趣点

到目前,我做的试验就这些,后面我将继续探索,后面如果有更新,将发布新的文章,欢迎继续关注。

地图学虽是一门古老的学科,然而在当今计算机制图时代,我们仍需保持不断学习的态度,不断学习同行及前辈们的经验和技术,才能制作出好的地图产品。

限于笔者经验及水平,如果有不足之处,请多见谅。

关于三维地图制作,北京易凯图科技有限公司可为客户提供成产品解决方案和技术培训与咨询服务,如果您有兴趣,欢迎联系我们

使用标准地图、WMS数据、MAPublisher、 Geographi Imager【制作地图实例】

最近借助自然资源部标准地图SRTM30  WMS & Topographic WMS (by Terrestris)数据和MAPublisherGeographic Imager软件制作了两幅流域相关的地图,一幅是中国地形及流域分布图,另一幅是黄河流域地形图,如下所示。

让我来介绍一下两幅图的大致制作过程,首先,我在标准地图服务网上下载了eps格式的“中国地图1:740万(对开)”和“中国地势图 11600万 8开.zip”,在网站浏览到相应的地图点击“下载”,然后选择EPS格式。网站上还提供了JPG格式的下载,因为EPS格式可以提取地图上的地名注记、水系、境界要素等,可以进行深加工,这就是我下载eps格式的原因。

全国及各省提供的标准地图服务,主要用于公众直接引用,基本上都是不带坐标的,而且也没有地图投影方面的元数据介绍,这样给我们利用该数据进行深加工造成了一定的困难。但是,借助MAPublisher,我们可以很容易的恢复其坐标和投影,详细方法请参考(【教程】MAPublisher地图配准技术(二)——适用于扫描地图【视频教程】地图配准 & Geosptail PDF生成与应用)。这里我使用了上面的地图配准技术(二)介绍的方法,首先导入400万国界和水系数据,将其投影到常规的Albers等面积投影,中央经经105度,双标准纬线为25和47度,比例尺设为740万,然后进入MAP视图编辑器,手动进行配准,这个过程需要花费一些时间,由于标准地图服务提供的中国地图投影参数并不公开,我们只能用常规的与之接近的投影去套合,套合过程中我稍微调整了一下比例尺数值,以及旋转角度,保证最大程度的套合精度。中国地势图采用同样的方法进行配准。

将标准地图恢复了坐标之后,我们就可以对其进行编辑和叠加其他的专题数据图层了,Adobe Illustrator提供了很多编辑eps数据的功能,可以直接修改图形,也可以修改其颜色,以及应用多种效果(如外发光、文字描边等)。我用的比较多的就是通过选择相同(如外观、描边宽度、描边颜色等)将水系注记、地名注记、山脉注记、水系、境界等要素重新分层,创建效果,这样能提高作图的效率。
由于要体现地形地貌,也就是我们说的晕渲,但是上述标准地图中的中国地势图比例尺太小,所以我选择重新生成生成晕渲,需要借助Geographic Imager软件,这里有两个选项:
(一)如果我们有现成的DEM数据(网上可以下载到30米、90米的SRTM数据,Global Mapper也提供了多种公开的地形数据,详见【免费,优质GIS数据】:Global Mapper在线数据访问),可以借助Geographic Imager很容易的生成晕渲(详见Geographic Imager【晕渲图】制作实例介绍(以中国及周边海域地势图制作为例))。上述黄河流域地形图的晕渲就是使用Geographic Imager的地形晕渲功能制作完成的。

我发现Geographic Imager非常方便的一点就是,在数据不完整的情况下,可以很方便的使用导入或镶嵌功能,补充数据,这时勾选“按目标范围裁切”选项很有用。

以下是补充完整的晕渲图:

(二)在机器能连网的情况下,MAPublisher、Geographic Imager可以直接导入WMS、WFS等web数据资源,充分利用开源的网络数据资源。如我发现Geographic Imager集成的网络地图服务(WMS)(如下所示),就有很好的数据资源,当然我们还可以在其中添加自己的服务资源。

这里我选择Terrestris的WMS栅格服务,里面包括了OpenStreetMap WMS、OSM Overlay、Topographic WMS、Topographic OSM WMS、SRTM30 Hillshade、SRTM30 Colored Hillshade、SRTM30 Contour Lines等多种数据服务。这里包含了全球的山体阴影(彩色&黑白)、等高线、分层设色等资源。

下载数据的时候需要先选择坐标系统、然后是下载的区域范围,然后我们需要设置像素尺寸,该数值的改变会实时关联像素大小(即分辨率),这个分辨率应与我们的制图范围和比例尺相匹配。由于SRTM30彩色晕渲只覆盖陆地部分,海洋部分用Topographic WMS​进行了补充。
与我们直接使用DEM生成的晕渲一样,下载的数据也是带坐标的,为了与MAPublisher中的矢量图层套合,我们在Geogrpahic Imager中对其投影转换,同时进行相应的旋转,另存为GeoTiff,这样就可以在MAPublisher中进行叠加。

        最后,在MAPublisher中叠加相关的专题数据,我叠加了流域边界数据,补充河流及注记,即完成了最终地图生成。

(中国地形及流域分布图)

(黄河流域及地形图)

通过黄河流域地形图的制作,我发现地处黄河沿岸的两座大城市郑州、济南竟不属于黄河流域。您知道吗?

希望本文对您有一些帮助和启发,不足之处敬请谅解,如果有任何问题,欢迎联系我们

【视频教程】山体阴影增强技术

在地图制图中,无论是2D和3D地图,叠加DEM生成的山体阴影会使地图变得非常直观,具有三维立体效果。之前我们曾介绍过一些这方面的案例:

当前很多GIS应用都能一键式快速生成山体阴影,常规的需要设置的参数就是太阳高度角、光源方向、垂直夸张系数。常规GIS软件算法基本一致,即按像素根据坡度和朝向计算亮度值,不会考虑其它因素(如环境光的影响,详见【ECartoRender】地貌晕渲解决方案),与传统人工费时费力生成的山体阴影相比,计算机自动生成虽然效率大幅提高,但效果往往不能完全满足要求。
如同在制图中我们需要对矢量数据进行综合化简和整理一样,我们同样需要对DEM及其生成的山体阴影成果进行综合化简和增强处理,以往我们往往把大部分的精力放在矢量数据的制图编辑上,DEM或山体阴影的处理比较少,一方面由于软件提供的这方面处理能力比较少,另一方面我们觉得地形本应该尽量符合实际。然后从制图美学方面考虑,我们需要对DEM或山体阴影进行一些必要的处理和增强。

关于DEM及山体阴影的编辑处理涉及很多的方面。有时我们需要将特定的地形区域突出(拉高或降低,这时需要对DEM数据进行预先处理);有时需要进行不同分辨率的融合使高山地形具有更好的可读性;有时需要模拟人从高空俯看地面时近处(高山)清晰、远处(低谷)模糊的效果( 瑞士著名制图学家Eduard Imhof提出),等等。与专业GIS软件相比,通用的Adobe Photoshop以及3D渲染软件(如Blender)在视觉增强方面具有优势。

以垂直夸张系数为例,山体阴影制作中一般需要设置高程夸张以突出地形的反差,但是也有矛盾不能解决,假如设的比较高,虽然地形反差有了,但是阴影区的地形细节就损失了,反之,高程夸张值设的比较低,阴影区的地形细节出来了,但是高差不明显。

本文提供了几种山体阴影增强方法,一是将两个不同垂直夸张的山体阴影进行透明度叠加,使合成的山体阴影既能反映阴影细节,又具有较好的高差效果。二是采用坡度晕渲增强山体阴影,相当于前一种方面的变体。三是给山体阴影向光面进行着色,产生山体阴影的光照效果,希望对大家有所启发。不足之处,敬请谅解。

使用的软件有:

(山体阴影细节增强和坡度增强)
(山体阴影光照着色效果)

参考文献:


1、KD Brown,Creating Slope-Enhanced Shaded-Relief Using Global Mapper

2、Tom Patterson,Mike Hermann,Creating value-enhanced shaded relief in Photoshop

3、Tom Patterson,See the light: How to make illuminated shaded relief in Photoshop 6.0

4、Tom Patterson,DEM Manipulation and 3D Terrain Visualization: Techniques used by the U.S. National Park Service

【制图技术】使用MAPublisher和Illustrator脚本进行要素的综合与光滑(以水系为例)

在地图制图中,数据的化简综合与光滑是一个备受制图人员关注的问题。MAPublisher和Adobe Illustrator可以较好的解决这个问题。

今天我们以水系要素的综合与化简为例,介绍如何使用MAPublisher以及Illustrator脚本进行进行数据的抽稀与光滑操作流程。

在本视频教程中,我们将围绕数据的化简与光滑主题,演示以下功能内容:

  • Illustrator化简功能
  • MAPublisher 抽稀(Visvalingam-Whyatt算法)
  • Round Any Cornor脚本
  • Illustrator铅笔工具
  • MAPublisher路径实用程序(贝塞尔转折线、添加细节)
  • Illustrator圆角效果
  • 导出Shapefile

【教程】使用Geographic Imager和Adobe Photoshop 3D渲染三维地形场景

在地图制作领域,山体阴影是指一种视觉技术,可以在原本平坦的地图上产生三维地形的错觉。制图人员使用山体阴影将观众的注意力吸引到突出的地形特征上,如山脉、山谷和峡谷。使用虚构的光源和数字高程数据在地图上投射定向光,制图人员可以制造深度错觉,将阴影投射到山谷和低地,并突出山脊线和山峰,就像沐浴在阳光下一样。

以前,这项技术完全是手工完成的,费时费力。现在,借助现代图形软件和数字绘图技术,可以直接在计算机桌面上完成山体阴影和着色。

今天,我们将介绍使用 Geographic Imager 插件在Photoshop中快速生成山体阴影,并进一步介绍如何使用Photoshop 3D创建影像与DEM叠加的3D场景,使影像具有三维效果,同时对场景、环境和光源进行设置,创建具有透视效果的3D地图。

Geographic Imager是基于Adobe Photoshop的一整套强大的工具集,使您在Photoshop中对栅格数据执行打开、编辑、转换、保存等操作时维护其地理空间属性。

除了自动维护栅格数据的空间属性,Geographic Imager还提供了一些Adobe Photoshop原生图像编辑功能之外的专门的空间操作功能,如镶嵌、分块、DEM晕渲、波段管理、高级导入、矢量数据导入导出、脚本批处理等。

首先我们使用Geographic Imager打开DEM数据,借助高级导入工具,我们可以将多个DEM镶嵌到一起,跟影像一样,也可以在导入DEM时执行重采样、投影转换、裁切、DEM拉伸等操作。

高级导入

DEM拉伸方案,我们一般使用自动拉伸的方式:

DEM拉伸方式设置

导入后的DEM显示为16位灰度图像,如下所示:

DEM导入为16位灰度影像

对于普通的二维地图,山体阴影往往作为背景图层,使地图具有三维的视觉效果,这种情况下,我们可以使用Geographic Imager提供的地形晕渲工具,使用虚拟的光源与DEM数据,一键式快速生成山体阴影。

Geogrpahic Imager的地形晕渲工具

使用 Geographic Imager 的最大好处之一是我们保留了 GIS 的所有图像处理和空间参考功能,同时仍然可以访问 Photoshop 提供的大量强大的图像编辑工具。这使我们能够通过结合 Photoshop 3D 的高级 3D 渲染和照明工具,将山体阴影技术应用到新的高度,即生产具有透视效果、叠加影像的3D地图场景。

首先,在执行3D渲染之前,确保使影像与DEM具有相同的地理范围,这里我们可以使用Geographic Imager提供的地理裁切工具,根据DEM(或图像)的地理范围来裁切另一个影像(或DEM)。

裁切到另一个文档范围

然后,执行以下步骤:

1、对DEM生成3D Mesh,具体做法是在Photoshop中选择“从图层新建网格——深度映射到——平面”

从DEM新建3D Mesh

这样,将生成一个3D图层,得到如下所示的效果,需要注意的是,转成3D图层后,数据将不会再有地理信息了。

2、使用photoshop提供的3D相机操作工具,沿Z轴进行缩放可以修改高程夸张,也可以对3D场景进行旋转、平移操作,这样可以制作正射或斜视的地图场景。

调整高程缩放比例
沿X、Y、Z轴对3D模型进行旋转、平移和缩放

3、调整了高程缩放以后,我们可以配置表面属性并将影像叠加应用于我们的3D模型,在Photoshop 3D材质属性面板中,单击基础颜色右侧的下拉列表并选中“替换纹理”,选择与DEM地理范围相同的影像进行叠加。

叠加影像纹理

4、然后在图层面板中,隐藏DEM图层:

隐藏DEM图层

5、最终结果如下所示:

我们还可以设置光源的方向、角度,以控制阴影的方位,也可以添加多个光源:

下面是用这种方法制作的另一个实例,使用USGS生产的Grand Teton国家公园的的一张19世纪地形图和DEM叠加渲染的3D效果图,让老地图焕发出新的活力。

【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

Geographic Imager【晕渲图】制作实例介绍(以中国及周边海域地势图制作为例)

在地图制图领域中,地形晕渲(山体阴影)能让地图具有三维的视觉效果。制图人员使用山体阴影可以突出主要的地形特征,如高山、河谷或峡谷,以吸引读者的目光,增强地图的可读性。过去,地形晕渲图完全依赖人工,耗时耗力,现在,随着计算机图形软件和数字制图技术的发展,使用DEM高程数据,我们借助软件可以快速实现自动化的山体阴影图制作。

之前我们介绍过一种使用三维动画建模软件技术(blender)实现地形晕渲图的制作(ECartoRender地貌晕渲解决方案),该方法不同于GIS手段,可以渲染出更自然和美观的地形景观效果。

今天,我们将介绍使用Geographic Imager制作DEM晕渲图,在地图制图中,Geographic Imager往往与MAPublisher结合使用,因为基于Adobe Photoshop,所以主要用于处理影像和DEM等栅格类形的空间数据。为了能够说明问题,我们将以中国及周边海域晕渲地形图(下图所示)的制作为例来说明。该地图包括了陆地地形和海洋地形,两者具有不同的配色方案,因此具有一定的综合性。

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首先,是DEM数据的获取,这里有很多种选择,如果您有现成的海陆集成的数据(如GEBCO),并且分辨率和精度能够满足您的要求,可以直接使用。为了说明这个过程,我使用了两部分数据,我国大陆部分我使用的是SRTM 90米的数据,周边国家及海域部分我使用了Tom Patterson编辑过的GEBCO数据(Blue Earth Bathymetry)因为SRTM数据是分块下载,需要在GIS软件中进行镶嵌和裁切,如果机器性能允许,该过程可以在Geographic Imager中实现。数据的范围可以使用Global Mapper的地图目录(map catalog)功能很方便的进行浏览,如下所示。

屏幕截图 2021-04-06 112949.png

然后根据全国的矢量范围(不包括南海诸岛部分)进行输出,生成全国的陆地地形数据,在Geographic Imager投影成我国常用的双标准纬线割圆锥投影像(双标准纬线设置为25度和47度),如下所示:

屏幕截图 2021-04-06 113437.jpg

以下是下载的Blue Earth Bathymetry数据,陆地部分集成了SRTM数据,实际可以直接使用,但有时我们要用自己生成的精度更高的数据代替,所以才有了我们的这个流程。

屏幕截图 2021-04-06 113511.jpg

借助Geographic Imager的高级导入功能,可以非常方便的对DEM进行镶嵌,并按照想要的范围和分辨率进行输出,该功能是一个集重采样、裁切、投影转换、镶嵌于一体,非常方便。

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另存为DEM TIFF,如下图所示:

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下面的过程,有一些技巧,本人也试验了多次才走通,一般情况下我们做晕渲都是对目标区域的DEM数据整体一次性来做,然后由于本区域涉及陆地和海洋,具有不同的配色方案,如果一次性生成的话,在海陆交界的地方很难控制好,因此,我采用的方法是将陆地DEM和海域DEM分别读取,这个在Geographic Imager中可以很好的实现,在导入DEM时分别设置不同的拉伸方案(raw数据和负值raw数据)可以实现正值DEM(陆地部分)和负值DEM(海域部分)的读取,然后分别应用晕渲,再进行镶嵌。

这里的配色方案需要有经验,我参考了自然资源部公开地图中的中国地势图和世界地形图的配色,如下所示,发现该图海部地形和陆地地形是分开的,海域使用的是分层设色,而非连续渐变色,因而其海部地形精细度不高。

中国地势图.jpg

在Geographic Imager中参考上图的图例色标,分别制作了海域和陆地的配色方案:

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Geographic Imager中,导入上述合并的DEM,若要同时进行,可以复制一份,在导入时分别设置拉伸方案为“Raw数据”和“负值Raw数据”,这样将分别导入正值的DEM部分(陆地部分)和负值的DEM部分(海域部分):

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未标题-2.jpg

然后在Geographic Imager中执行镶嵌,该过程支持多图层文档,这样就形成了整体的晕渲效果:

晕渲合并.jpg

最后我们可以在此基础上叠加矢量数据,自从 V6.0开始,Geographic Imager增加了矢量数据(库)的导入和导出,前提是矢量数据的坐标系与图像保持一致,由于我使用的是natural earth的矢量数据,其坐标系是WGS84,Geographic Imager可以很方便的对图像进行投影像转换,我们将其转为WGS84坐标系,与矢量数据保持一致,并在其首选项中将矢量导入设置为裁切到图像范围。

wgs84.jpg

分别导入河流中心线、海岸线、湖泊三个矢量数据层,Geographic Imager将导入的矢量数据保存到了路径面板中,

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我们可以分别对其描边和填充操作,使图Photoshop的画笔描边路径,使用前景色填充路径,结果如下图所示,再次进行投影转换,即得到了本文最前面的晕渲图成果。

叠加矢量.jpg

上面所有的过程,Geographic Imager会自动维护数据的坐标系,因此可以很方便的叠加到MAPublisher中作为底图,在其上面继续叠加文字、符号、图例等其他地图要素,制作出精美的地图产品。由于Geographic Imager与Adobe Photoshop无缝集成,使用Geographic Imager最大的优势是在维护图像的地理信息同时,我们可以使用Photoshop自带的强大而丰富的图像编辑工具,后面我们将探索使用Photoshop 3D渲染功能实现更为生动的晕渲效果。

【制图新技术】地形晕渲底图(山体阴影)制作新方法

之前我们发布过一种新的地貌晕渲解决方案(【ECartoRender】地貌晕渲解决方案),在其中我们介绍了一种新的地貌晕渲(也叫山体阴影)的技术方法,与GIS的做法不一样,该新方法基于3D动画建模技术,采用更先进的渲染引擎,可以生成比GIS软件更加美观和自然的晕渲成果(北京【地图上的四季】)。

今天我们大概介绍一下其实现过程,首先,是准备好数字高程模型(DEM),获取DEM有多种途径,比较常用的有公开的SRTM90和SRTM30(分辨率分别为90米和30米)、ASTER全球30米高程数据等,如果您还没找到好的途径,使用Global Mapper是一种非常便捷的获取开源数据的方式(【免费,优质GIS数据】:Global Mapper在线数据访问)。

Global Mapper在线数据下载

有了DEM数据,我们需要根据作图范围和比例尺计算所需要的分辨率。我们拿制作祁连山国家公园的晕渲为例,假设我想制作一张85cm宽的图,换算成英寸大约为33英寸,典型的打印分辨率是每英寸300像素,因此我需要33×300 = 9900像素宽的晕渲图。祁连山国家森林公园大约宽为1200公里,因此,我们需要的DEM分辨率大约为1,200,000(米)÷ 9900 ≈ 120米。

在进入blender软件渲染之前,我们需要在GIS软件中进行一些预处理,包括DEM数据的投影、镶嵌、重采样、裁切等工作,同时还有重要的一步,将DEM数据的高程值拉伸到0-65535之间(大概就行),所有这些工作我一般使用QGIS、Global MapperGeographic Imager等软件来实现,最后将DEM输出为unsigned 16位类型的TIFF。

预处理生成的Unsigned 16位TIFF​高程数据

然后我们进入到blender进行DEM数据导入,以及配置渲染引擎、着色器,对地形平面进行细分(手工或自适应),添加虚拟”光源”和”相机”并进行相关设置,然后添加相应的颜色渐变​等。

Blender晕渲方案配置​

在正式进行渲染之前,我们可以通过快速预览对结果进行确认,如果可以,即可启动渲染,渲染过程如下视频所示,根据DEM数据的大小,需要一定的时间。

Blender渲染过程​

以下是不同的配色方案​的渲染结果:

成果(一)
成果(二)
成果(三)
成果(四)

虽然上述blender输出的晕渲结果图像不带坐标,但是我们可以保留原来GIS预处理时的tfw文件,在文件名相同的情况下 ,即可以恢复其坐标。在后期的制图中我们借助MAPublisherGeographic Imager工具,可以在Geographic Imager进行投影转换,然后在MAPublisher中将晕渲结果作为底图嵌入,再在上面叠加符号、注记、以及其他地图要素。由于MAPublisher和Geographic Imager是基于Adobe Illustrator(AI)和Photoshop(PS)的制图插件,因此,我们在充分利用GIS数据源和GIS功能的同时,可以利用AI和PS强大的设计能力,使地图具有更好的表达效果,如下面两幅图中叠加晕渲底图后通过对注记添加描边、设置描边透明、以及外发光等效果可以增强文字的可读性​。​