松花江流域地勢圖暈渲配色方案及優化

董愛民

(黑龍江省航道事務中心, 黑龍江 哈爾濱 150026)

0 引言

地勢圖在氣候、水文、區域規劃、基礎建設等多方面都具有廣泛應用。傳統地勢圖通常以分層設色的方式表達,其立體感較強,可以直觀地表達地勢的變化與分布。隨著數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的逐步建立和完善,借助于地理信息系統(Geographic Information System，GIS)技術,以DEM為數據源的暈渲[1]地勢圖逐步成為主流。相比分層設色,暈渲與矢量要素(如河流)疊加,可以真實地表達出地貌形態,在空間上保持各要素的幾何關系,立體感更強,效果更逼真,具有很高的藝術性。

影響暈渲效果的因素主要有DEM模型精度、海拔分布、顏色設置、光照方向等,不同的參數設置,暈渲效果會有較大差異,其中顏色參數影響是關鍵,科學而合理地匹配顏色是暈渲難點。目前對于顏色的量化設置僅停留在原則上,并沒有形成可行而高效的模型成果,以目前ArcGIS和MapGIS為代表的GIS軟件,也只是通過手工建立顏色文件,這在很大程度上降低了暈渲地勢圖[2]制作的效率。作者曾用2個月時間,繪制完成了松花江流域地勢圖(1∶150萬比例尺),以要素類別為控制、以細化類別海拔分布為顏色匹配單元建立量化顏色文件,通過測試達到暈渲優化效果,這對于繪制暈渲圖有借鑒意義。

1 流域地勢圖表達方式

流域地勢圖表現通常有三種方式:等高線、分層設色(圖1)和暈渲(圖2)。等高線以單一線劃表現地表狀況,是最常見的表現方式,在大比例尺(1∶5萬及以上)地形圖中應用,而在小比例尺地勢圖中很少應用;分層設色是在等高線地形圖基礎上,通過顏色表達不同高度或深度區域,形成以顏色區分的地圖表現,立體感好,視覺效果明顯,多見于中小比例尺區域地勢圖;暈渲是基于等高線或DEM基礎,以光照通量為依據,通過模擬地面本影和落影的方法,反映實際地面起伏特征。由圖1 和圖2可以明顯看出,暈渲較分層設色在效果表現上更好。

圖1 分層設色

圖2 暈渲

圖1中閉合的線劃為等高線,不同顏色表示不同的海拔區域;圖2中顏色的漸變表示不同的海拔區域,本影和落影的變化體現地勢的效果。

通常情況下,在地勢圖中依地勢由低向高順序用藍、綠、黃、棕褐四種基本色調表示[3],其中藍色表示水域、綠色表示平原、黃色表示丘陵、棕褐色表示高原和山地[4]。以四種色調的濃淡表達地勢高低趨勢。地勢越低洼,綠色越濃,同樣,棕褐色越濃,地勢越高。

雖然地勢圖中為四種基本色調,但受海拔、山地、平原等分布影響,不同區域有不同的地勢特點,其顏色設置并沒有統一的量化規定,在繪制區域地勢圖時,根據所要表達的主題,需要對四種基本色調進行優化,以突出區域地勢特點[5]。

2 松花江流域地勢圖配色

松花江流域地勢圖采用暈渲的表達方式,為確保繪圖達到所期待效果,在充分了解流域情況的基礎上,執行圖3所示技術路線。

圖3 配色方案技術路線

2.1 流域概況

松花江位于45°26′～47°42′N、124°39′～132°30′E,自西向東走向,上接第二松花江與嫩江交匯于三岔河,下于三江口匯入黑龍江,流域總面積56 km2。松花江屬平原河流,沿岸地勢較為平坦,除哈爾濱至湯原一段兩岸多山丘外,其余段均為廣闊的平原,平均海拔100～150 m。松花江主要支流有拉林河、呼蘭河、螞蜒河、牡丹江、湯旺河等。松花江流域內,呈西高東低、南北高中間低的整體地勢特征。北有興安嶺及余脈青黑山,南有以大青山、張廣才嶺、老爺嶺、完達山為代表的山脈。西部地勢較平坦,是素有北大倉之稱的松嫩平原,平原南北兩側多丘陵,但地勢起伏不大。佳木斯以東,松花江兩岸除少量山地外,地勢平坦開闊,是著名的三江平原,為東北水稻的主產區。

2.2 基礎工作

松花江流域基礎數據對地勢圖的顏色設置起到基礎性作用,在顏色設置前需要進行統計,盡量做到翔實。其統計工作包括兩方面內容:平面類別統計和海拔分布統計。

2.2.1平面區域統計

平面類別統計以形成地勢特征的要素為主,包括所繪區域內小興安嶺、青黑山、張廣財嶺及老爺嶺和太平嶺、大青山、完達山、平原區域和西部丘陵等的分布及所占比例。可利用的谷歌地球(Google Earth)平臺標繪類別區域界線,并在所繪區域內每個類別形成一個無縫的面。

統計結果如圖4所示,所繪區域內平原占33.7%,呈自西向東分布;山地占33.7%,沿松花江呈現南北分布;丘陵占29.5%,分布山地以西;高原占7.1%,分布于北部。除一小塊山地和丘陵稍顯獨立外,其他要素均較為集中。

圖4 松花江流域地勢分布

圖4中不同的顏色區域表示不同的海拔類別,共劃分平原、丘陵、高原和山地四類,百分比表示所在類別占整幅圖的比例。

2.2.2海拔分布統計

需要取得DEM數據源。為滿足成圖比例尺為1∶150萬精度要求,DEM數據源應不小于成圖比例尺,本次任務選擇1∶50萬。可利用BigeMap平臺下載資源,按經緯格網區域下載,以保證數據不重疊、不丟失。

利用Global Mapper調入DEM數據,統計平原、丘陵、山地與高原等地勢要素的海拔分布,可根據tiff文件的模型顏色重點統計地勢要素過渡區間海拔變化情況。根據統計結果,將海拔劃分為四個分布區間,并按常用暈渲圖顏色將四個區間設定顏色,形成流域初步顏色模型[6](表1)。

2.3 注意問題

地勢的分布和區域占比特點,決定了松花江流域地勢以綠、黃、棕三色為主要色調表達。而表達水域的藍色調,不作為地勢表達重點,在繪圖中作為要素處理。同時,由于暈渲是基于DEM模型顏色的過渡來表達高度的變化,因此,在上述三種主要色調間漸變處理時需要特別注意,以期達到良好效果。

2.3.1平原的表達與顏色處理

松花江流域內以松嫩平原和三江平原為代表,雖然都是平原,但松嫩平原位于松花江上游區域,海拔較高,一般海拔120～150 m,三江平原位于下游區域,海拔較低,一般海拔55～120 m,因此,兩個平原應在綠色調基礎上加以區分,松嫩平原綠色較淺,三江平原綠色較深。

2.3.2山地與高原相接處理

主要集中在流域北部,小興安嶺在此區域內的地勢變化并不明顯,但向南接于青黑山,地勢變化較大,為區別表達這一地勢變化,將小興安嶺按高原地勢處理,棕色調值域適當加大,而青黑山的棕色調值域減小。

2.3.3丘陵與山地相接處理

丘陵主要集中在松嫩平原南北和倭肯河下游區域,一般海拔小于300 m。其中北部丘陵地勢起伏不大,北側與小興安嶺高原相接處,地勢變化平緩,東側與青黑山相接處,地勢變化突兀。南部丘陵與張廣財嶺相接,東部被大青山相隔。相較北部丘陵,南部丘陵地勢起伏稍大,特別是大青山與張廣財嶺間,丘陵、山地交錯。倭肯河下游丘陵沿河呈廊形分布,地勢變化平緩。

在表達丘陵地勢時,要綜合考慮丘陵的南北差異,分海拔確定合適的黃色值域,在體現與平原相接的同時,重點體現與山地相接處的效果。

2.4 顏色確定步驟

顏色確定的過程就是優化海拔分布模型的過程。表1雖然給出了地勢初步顏色設置,但無法精確表達地勢特點,必須在此基礎上結合平原、丘陵、高原、山地四個類別之間過渡,以及每個類別內地勢的過渡,并考慮前述注意的幾方面細化不同海拔區間,才能達到所期待的效果[7]。

表1 松花江流域海拔分布初步模型

2.4.1以類別區域為單元,細化海拔區間

平原劃分兩個海拔區間,分別代表高平原和低平原;丘陵劃分三個區間,以充分體現與平原相接、河谷區、丘陵和山地交錯區、丘陵與山地相接區;高原和山地劃分共五個區間,受山地海拔逐漸增大的影響,五個海拔區間跨度自低向高逐漸增大,以保證在充分體現出河谷、山嶺和山峰的同時,與平原地帶明顯區分[8]。

細化后的海拔區間,其數據呈階梯變化。如圖5所示,矩形塊表示細化后的海拔區間。當繪圖完成后,應以高度表的形式明示。

圖5 松花江流域地勢海拔細化分布

2.4.2顏色值定義

顏色值通常用紅、綠、藍三基色搭配的發光顯示,即RGB模式,每個顏色值范圍0～255,值越小,顏色越濃。也可用青、洋紅、黃、黑四種印刷色顯示,即CMYK模式,每個顏色值范圍0～100,顏色深淺隨值增加而增大。RGB與CMYK二者可以轉換,本流域地勢圖采用CMYK模式。

按表1的類別綠、黃、棕、棕褐四種色調,并順序定義顏色值。每兩個相鄰顏色值均是這一海拔區間的最低和最高顏色值。其色調中間值按海拔細化區間內插[9],如圖5黑點所示。由表1可看出,除平原外,其他類別色調的CMYK是遞增的,此時可通過顏色值同方向增加的方式實現顏色變化,其優點在于能有效保證顏色按同一方向變化,避免顏色交錯不協調現象。根據松花江流域地勢海拔細化分布,并內插確定相應顏色值(表2)。

表2 松花江流域地勢顏色

2.4.3效果測試

顏色定義后,每個海拔對應一個顏色值。在軟件中調入松花江流域DEM,按定義的顏色及對應海拔,建立暈渲文件進行效果測試。需要說明的是,在測試時應選擇合適的光照方向。當測試效果不能達到所期望效果時,需要對暈渲文件進行編輯,可通過修改海拔區間,或者修改顏色值的方法實現。通常情況下,海拔區劃分越多,暈渲曲線(圖5點線)越平滑,暈渲效果越細致,一幅暈渲圖往往需要多次顏色優化才能達到理想的效果,圖2為經過顏色優化的松花江流域暈渲圖(局部)。

2.4.4效果修飾

由于受到下載資源和DEM比例等因素的限制,生成的暈渲底圖可能會出現接圖交錯、模糊等現象,給圖面效果帶來影響。此時,通常采用圖片修飾方法,在Photoshop中對輸出的暈渲底圖進行局部編輯處理,可有效消除上述現象[10]。

3 結束語

受區域地勢不同的影響,在繪制暈渲圖時,很多情況下沒有可參考的顏色配置方案,同時,屏幕顯示與成果輸出也存在色彩差異,因此海拔匹配顏色值是個難點,而且目前多為人工逐一設定,海拔區間劃分越細,難度越高,工作量越大。根據區域內DEM構建科學的顏色配置模型,通過軟件實現顏色的自動匹配將是未來發展的方向。

暈渲雖然是隨著計算機繪圖技術發展起來的,但又涉及審美藝術,如何充分發揮現代技術資源,滿足人們對繪圖的需求越來越成為人們追求的目標。松花江是東北大動脈,松花江流域在中國重工業、特色農業、資源等很多領域發揮著舉足輕重的作用,松花江流域地勢圖作為國土資源表現形式,在振興東北、促進區域發展中具有重要的戰略價值。