【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

【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。

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。

image.png

另存为DEM TIFF,如下图所示:

image.png

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:

image.png
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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):

image.png
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。

【干货分享】Landsat 8 Photoshop教程

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制作地图时,Landsat 8卫星图像是一种非常好用的数据源。

本教程针对地图制作者和遥感影像制图人员,介绍了如何获取Landsat 8影像以及在Adobe Photoshop中如何制作Landsat 8场景。重点在于创建自然彩色图像(与宇航员低头看着地球所看到的图像相似),创建3D斜视图是Landsat 8图像的另一种用途。(如下图所示)

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尽管Landsat 8是旨在用专门的遥感软件所处理的科学产品,但是Photoshop的图像工具可以很好地与它配合使用。本视频教程中涉及的大多数流程需要具备中级Photoshop技能。一些更高级的过程需要借助Geographic Imager,一款基于Photoshop的强大的GIS插件。

除了使用原始的Landsat 8多波段影像,还介绍了一种可以公开下载的具有地理参考的Landsat Look图像数据源,这些准自然彩色图像是由波段7、5和3合成的,清楚地描绘了水体,植被,裸露的地球和冰川。

Landsat 8概述

  • 由美国国家航空航天局(NASA)和美国地质调查局(USGS)共同管理的Landsat 8计划提供了公共领域的免费卫星数据;
  • Landsat 8于2013年4月11日全面投入运营;
  • 卫星在极地轨道上以705公里(438英里)的高度每99分钟绕地球运行一次。卫星在其轨道的正下方记录了地球的日光面;
  • Landsat 8每天采集约400景新影像,包括400 GB数据量。处理后的数据将在采集后的24小时内向公众公开;
  • 尽管收集了大量数据,但要在大多数地区使用无云场景仍需要数年时间。获得一些非常潮湿的热带地区的无云图像可能永远不会发生;
  • 常规覆盖范围包括北纬和南纬82°40’之间的区域。最低点(侧向看)的场景将覆盖范围扩大到了稍高的纬度,但没有达到极点;
  • 卫星每隔16天并在一天中的同一时间返回地球上的同一位置。它根据下面的天气和其他收集要求记录新影像;
  • 上午是卫星记录地球上各处的场景的时间。它在上午10:00左右越过赤道;
  • Landsat 8影像场景是朝北的。但是,由于当南行卫星飞越地球时地球会向东旋转,因此场景中覆盖的区域遵循从东北到西南的轨道飞行路线。
  • 沿飞行路径轴,Landsat 8场景的宽为185公里,高为170公里(115 x 105英里)。
  • Landsat 8不是摄影成像。卫星的两个传感器从电磁波谱的不同波长部分(称为波段)收集数据。总共有11个波段。一些波段代表人眼看不见的电磁波谱部分。
  • Landsat 8影像是带地理参考的,并使用高程模型对其进行过正射校正。投影为UTM / WGS 84坐标系。
  • 下载的Landsat 8波段为16位灰度地理标记,它们是普通的.tif图像,但具有地理配准信息。请注意,卫星传感器以12位深度收集原始数据,对外发布时内插为16bit。
  • 各波段的地面分辨率(每个像素代表地球上的距离)通常为30米。但包含15米分辨率全色数据的波段8是一个重要的例外。频段10和11从以100米分辨率采集的数据并向上采样到30米分辨率。
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本视频教程参考了美国著名制图学家Tom Patterson提供的相关资源,由北京易凯图科技有限公司录制,作为MAPublisher培训视频的补充,主要包括以下内容:

  • 如何下载Landsat 8影像;
  • 镶嵌与裁切(使用Landsat Look影像,借助Geographic Imager);
  • 投影转换(借助Geographic Imager);
  • 如何在MAPublisher中叠加带坐标的影像更新地图;
  • 影像融合(使用Landsat Look影像与第8波段);
  • 使用原始的432波段合成真彩色影像并套合Look影像进行增强;
  • 使用PS影像色彩调整工具编辑影像。

有兴趣获取本视频教程的用户,请点击”注册“后即可收到下载链接。

制图师记:Tom Patterson

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根据制图师不同和地图的目的不同,制作地图的过程可能会有很大差异。Tom Patterson是公开数据集Natural Earth和热门网站Shaded Relief背后的制图人之一,他将制图视为一种创作过程。他看到地理空间数据就像艺术家看他们的调色板上的油墨。“它们是制作地图的原材料,” Patterson说。 “对我来说,地图制作过程始于在线搜集地理空间数据,然后完成对这些数据的视觉描述——地图。”

Patterson最近从位于西弗吉尼亚州并工作了26年的美国国家公园管理局Harpers Ferry 中心退休。Harpers Ferry 中心是美国国家公园管理局的媒体中心,其中大部分面向消费的地图,展品和出版物在此产生。

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厦威夷海底地图

Patterson以制作具有漂亮晕渲效果的地图而闻名,这是他在整个职业生涯中一直专注的技术。这是他钟爱的东西,也是他认为使他的地图独一无二的特点。Patterson说:“在制作晕渲时,我会竭尽全力以漂亮和理想化的方式描绘自然世界,将晕渲与地表覆盖数据、阴影效果、渐变和小插图相结合,并加以控制和约束。” 我最终希望创造一种晕渲效果,读者会发现它具有吸引力,并且与上面的矢量元素和谐地融为一体。” Patterson喜欢用明亮的颜色来描绘地形,也喜欢讲故事。“地图不仅仅是点,线,多边形,文字和像素的组合。对我来说,一张非常好的地图远远超过这些部分的总和,“他说。“地图是一种重要的交流形式,它们应该有效地将制图师的想法分享给地图读者。”

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包含海底地形、地势和水系的灰色晕渲
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基于气候变化(水平)和高程(垂直)交叉混合设色的晕渲效果

制作图形创意地图时,您希望使用能够为您提供最大控制权的工具。使用MAPublisher,您可以使用Adobe软件轻松访问和操作地理空间数据。“MAPublisherGeographic Imager弥合了图形和GIS世界之间的鸿沟。”

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Patterson是MAPublisher的早期使用者,早在1996年在北美年度制图协会(NACIS)会议上了解了这款Adobe Illustrator插件,如果您曾经使用过Natural Earth数据,您可能有兴趣知道其中大多数矢量元素是使用MAPublisher和Adobe Illustrator创建的。

在关于操作数字高程模型(DEM)数据的演示中,他评论说,为Adobe Photoshop提供类似MAPublisher的软件将非常有用,因此他也是Geographic Imager软件研发最早的倡导者。“我的建议被当时在场的Avenza总裁Ted Florence听到。他让我联系Avenza的软件开发团队,集体讨论有关Adobe Photoshop的GIS插件的想法。Geographic Imager 由此应用而生。“

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三维地图

除了他对制图界的许多贡献外,帕特森还担任过NACIS的前任主席和现任执行董事等重要职务。帕特森创建了已经被全球广泛使用开源数据集(Natural Earth),他最近为一个新的地图投影做出了贡献,该投影正在掀起制图和GIS世界的风暴—— Equal EarthMAPublisher10.4已支持该投影)。他打趣道:“这种等面积的伪圆柱投影得到了迅速的关注——似乎制图师和地图使用者一样,对以真实大小描绘国家并以令人愉悦的方式呈现的世界地图的需求还没有得到满足。”

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Equal_Earth_Physical_Map.jpg
局部放大效果

作为在该领域取得成功和受尊敬的专家,我们问帕特森会给新的制图师提供什么建议,找到他们的方式?“寻求建议,”他说。 “地图设计和制作主要是一项独立的任务,你创建的任何地图对你来说都很容易理解和合乎逻辑的,因为你是制造它的人。但是,你的读者可能不会那么看,“帕特森说。“避免这些潜在’沟通失败’的最简单方法就是向别人展示你的地图草稿”

帕特森为制作制图师提供的另一个建议是给读者一个放慢速度阅读地图的理由。“在当今媒体饱和的环境下,设计一幅地图的诀窍在于吸引读者的眼球,点燃他们的好奇心,吸引他们。在他们放下你的地图很久之后,把重点放在你想让他们记住的信息上。”

原文:https://www.avenza.com/resources/blog/2019/05/08/cartographer-chronicles-tom-patterson/

编译整理:北京易凯图科技有限公司 陈春华

地图投影及其重要性

地球是一个球体(实际上…它不是……它是一个不规则的球体,两极略扁,赤道略鼓,但是在地图制图中我们将其近似为一个球体),而打印的地图或电脑屏幕是平的。那么我们如何从那个球体变成平面地图呢?这就是地图投影的作用!

从球体到平面将会涉及一定量的变形(失真)。地图投影的失真越少,它就越适合。许多地图投影针对特定区域进行匹配适应,并将最大限度地减少这些区域的变形(以牺牲扩大其他区域失真为代价)。

在描述这些失真时,制图师会使用三个属性:投影在角度(形状)、面积和距离方面是否保真,分别为等角、等面积和等距离。例如,如果国家A的大小是国家B的两倍,那么它将准确地反映在等面积地图投影上。在等距离地图投影中,如果A和B的距离是A和C的两倍,您将能够在地图上看到。

这些属性是互斥的,地图投影只能在三个属性中的一个保持为真,实际上大多数地图投影三个属性都有变形,但是找到了一个很好的折衷方案。

哪种投影最好?这取决于……这取决于您要制图的区域、可用的纸面形状和大小以及地图的用途。


下面以世界地图所采用的几种常用投影方法进行说明。

Mercator(墨卡托)

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这可能是最常见的地图投影之一。数十年来,它一直被用作世界挂图的标准投影,目前谷歌和其他网络地图服务使用略有修改的墨卡托投影(web mercator)。它在航海界中也很受欢迎,因为地图上的直线对应于恒定的罗盘路线(尽管不一定是两点之间的最短距离)

墨卡托投影是圆柱形投影,保形,因此形状不会扭曲。但缺点也很明显,即在较高纬度地区确实存在相当大的失真。它于1569年首次被荷兰制图师Gerardus Mercator使用。

Miller(米勒投影)

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米勒投影是由Osborn Miller于1942年设计的改良墨卡托。它的面积失真小于墨卡托投影,但这是以引入一点形状失真为代价的。这使它成为一种有用的折衷投影方案。

Winkel-Tripel

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Winkel-Tripel投影源自方位投影,也试图最小化所有三种失真。自“国家地理”将其用于世界地图以来,它变得非常流行。它由德国制图师Oswald Winkel于1921年设计。

Robinson(罗宾逊投影)

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另一个变形折衷的投影,由Arthur Robinson于1963年设计(“看起来正确”)。它是国家地理的Winkel-Tripel投影的前身,也被Rand McNally广泛用于他们的世界地图。

结论…

为地图选择投影时,请考虑地图的目的和焦点,还要考虑可用空间。例如,如果你在垂直空间有限,但想要展示整个世界,罗宾逊投影是比Winkel-Tripel更适合。

参考文献 Hans van der MaarelMap projections and why they matter

编译:陈春华


 您知道吗?

MAPublisherGeographic Imager内置了近4000种常见的地图投影,包括我国使用的北京54、西安80和CSCS2000等,当然也包含上述几种常见的世界投影,还可以支持自定义投影,支持不同投影之间的转换,让您在高端图形软件Adobe Illustrator和Photoshop进行地图设计时随时进行投影转换。详情参考下述文档。

Avenza Projections Guide.pdf