松花江流域地势图晕渲配色方案及优化

董爱民

(黑龙江省航道事务中心, 黑龙江 哈尔滨 150026)

0 引言

地势图在气候、水文、区域规划、基础建设等多方面都具有广泛应用。传统地势图通常以分层设色的方式表达,其立体感较强,可以直观地表达地势的变化与分布。随着数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)的逐步建立和完善,借助于地理信息系统(Geographic Information System，GIS)技术,以DEM为数据源的晕渲[1]地势图逐步成为主流。相比分层设色,晕渲与矢量要素(如河流)叠加,可以真实地表达出地貌形态,在空间上保持各要素的几何关系,立体感更强,效果更逼真,具有很高的艺术性。

影响晕渲效果的因素主要有DEM模型精度、海拔分布、颜色设置、光照方向等,不同的参数设置,晕渲效果会有较大差异,其中颜色参数影响是关键,科学而合理地匹配颜色是晕渲难点。目前对于颜色的量化设置仅停留在原则上,并没有形成可行而高效的模型成果,以目前ArcGIS和MapGIS为代表的GIS软件,也只是通过手工建立颜色文件,这在很大程度上降低了晕渲地势图[2]制作的效率。作者曾用2个月时间,绘制完成了松花江流域地势图(1∶150万比例尺),以要素类别为控制、以细化类别海拔分布为颜色匹配单元建立量化颜色文件,通过测试达到晕渲优化效果,这对于绘制晕渲图有借鉴意义。

1 流域地势图表达方式

流域地势图表现通常有三种方式:等高线、分层设色(图1)和晕渲(图2)。等高线以单一线划表现地表状况,是最常见的表现方式,在大比例尺(1∶5万及以上)地形图中应用,而在小比例尺地势图中很少应用;分层设色是在等高线地形图基础上,通过颜色表达不同高度或深度区域,形成以颜色区分的地图表现,立体感好,视觉效果明显,多见于中小比例尺区域地势图;晕渲是基于等高线或DEM基础,以光照通量为依据,通过模拟地面本影和落影的方法,反映实际地面起伏特征。由图1 和图2可以明显看出,晕渲较分层设色在效果表现上更好。

图1 分层设色

图2 晕渲

图1中闭合的线划为等高线,不同颜色表示不同的海拔区域;图2中颜色的渐变表示不同的海拔区域,本影和落影的变化体现地势的效果。

通常情况下,在地势图中依地势由低向高顺序用蓝、绿、黄、棕褐四种基本色调表示[3],其中蓝色表示水域、绿色表示平原、黄色表示丘陵、棕褐色表示高原和山地[4]。以四种色调的浓淡表达地势高低趋势。地势越低洼,绿色越浓,同样,棕褐色越浓,地势越高。

虽然地势图中为四种基本色调,但受海拔、山地、平原等分布影响,不同区域有不同的地势特点,其颜色设置并没有统一的量化规定,在绘制区域地势图时,根据所要表达的主题,需要对四种基本色调进行优化,以突出区域地势特点[5]。

2 松花江流域地势图配色

松花江流域地势图采用晕渲的表达方式,为确保绘图达到所期待效果,在充分了解流域情况的基础上,执行图3所示技术路线。

图3 配色方案技术路线

2.1 流域概况

松花江位于45°26′～47°42′N、124°39′～132°30′E,自西向东走向,上接第二松花江与嫩江交汇于三岔河,下于三江口汇入黑龙江,流域总面积56 km2。松花江属平原河流,沿岸地势较为平坦,除哈尔滨至汤原一段两岸多山丘外,其余段均为广阔的平原,平均海拔100～150 m。松花江主要支流有拉林河、呼兰河、蚂蜒河、牡丹江、汤旺河等。松花江流域内,呈西高东低、南北高中间低的整体地势特征。北有兴安岭及余脉青黑山,南有以大青山、张广才岭、老爷岭、完达山为代表的山脉。西部地势较平坦,是素有北大仓之称的松嫩平原,平原南北两侧多丘陵,但地势起伏不大。佳木斯以东,松花江两岸除少量山地外,地势平坦开阔,是著名的三江平原,为东北水稻的主产区。

2.2 基础工作

松花江流域基础数据对地势图的颜色设置起到基础性作用,在颜色设置前需要进行统计,尽量做到翔实。其统计工作包括两方面内容:平面类别统计和海拔分布统计。

2.2.1平面区域统计

平面类别统计以形成地势特征的要素为主,包括所绘区域内小兴安岭、青黑山、张广财岭及老爷岭和太平岭、大青山、完达山、平原区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)平台标绘类别区域界线,并在所绘区域内每个类别形成一个无缝的面。

统计结果如图4所示,所绘区域内平原占33.7%,呈自西向东分布;山地占33.7%,沿松花江呈现南北分布;丘陵占29.5%,分布山地以西;高原占7.1%,分布于北部。除一小块山地和丘陵稍显独立外,其他要素均较为集中。

图4 松花江流域地势分布

图4中不同的颜色区域表示不同的海拔类别,共划分平原、丘陵、高原和山地四类,百分比表示所在类别占整幅图的比例。

2.2.2海拔分布统计

需要取得DEM数据源。为满足成图比例尺为1∶150万精度要求,DEM数据源应不小于成图比例尺,本次任务选择1∶50万。可利用BigeMap平台下载资源,按经纬格网区域下载,以保证数据不重叠、不丢失。

利用Global Mapper调入DEM数据,统计平原、丘陵、山地与高原等地势要素的海拔分布,可根据tiff文件的模型颜色重点统计地势要素过渡区间海拔变化情况。根据统计结果,将海拔划分为四个分布区间,并按常用晕渲图颜色将四个区间设定颜色,形成流域初步颜色模型[6](表1)。

2.3 注意问题

地势的分布和区域占比特点,决定了松花江流域地势以绿、黄、棕三色为主要色调表达。而表达水域的蓝色调,不作为地势表达重点,在绘图中作为要素处理。同时,由于晕渲是基于DEM模型颜色的过渡来表达高度的变化,因此,在上述三种主要色调间渐变处理时需要特别注意,以期达到良好效果。

2.3.1平原的表达与颜色处理

松花江流域内以松嫩平原和三江平原为代表,虽然都是平原,但松嫩平原位于松花江上游区域,海拔较高,一般海拔120～150 m,三江平原位于下游区域,海拔较低,一般海拔55～120 m,因此,两个平原应在绿色调基础上加以区分,松嫩平原绿色较浅,三江平原绿色较深。

2.3.2山地与高原相接处理

主要集中在流域北部,小兴安岭在此区域内的地势变化并不明显,但向南接于青黑山,地势变化较大,为区别表达这一地势变化,将小兴安岭按高原地势处理,棕色调值域适当加大,而青黑山的棕色调值域减小。

2.3.3丘陵与山地相接处理

丘陵主要集中在松嫩平原南北和倭肯河下游区域,一般海拔小于300 m。其中北部丘陵地势起伏不大,北侧与小兴安岭高原相接处,地势变化平缓,东侧与青黑山相接处,地势变化突兀。南部丘陵与张广财岭相接,东部被大青山相隔。相较北部丘陵,南部丘陵地势起伏稍大,特别是大青山与张广财岭间,丘陵、山地交错。倭肯河下游丘陵沿河呈廊形分布,地势变化平缓。

在表达丘陵地势时,要综合考虑丘陵的南北差异,分海拔确定合适的黄色值域,在体现与平原相接的同时,重点体现与山地相接处的效果。

2.4 颜色确定步骤

颜色确定的过程就是优化海拔分布模型的过程。表1虽然给出了地势初步颜色设置,但无法精确表达地势特点,必须在此基础上结合平原、丘陵、高原、山地四个类别之间过渡,以及每个类别内地势的过渡,并考虑前述注意的几方面细化不同海拔区间,才能达到所期待的效果[7]。

表1 松花江流域海拔分布初步模型

2.4.1以类别区域为单元,细化海拔区间

平原划分两个海拔区间,分别代表高平原和低平原;丘陵划分三个区间,以充分体现与平原相接、河谷区、丘陵和山地交错区、丘陵与山地相接区;高原和山地划分共五个区间,受山地海拔逐渐增大的影响,五个海拔区间跨度自低向高逐渐增大,以保证在充分体现出河谷、山岭和山峰的同时,与平原地带明显区分[8]。

细化后的海拔区间,其数据呈阶梯变化。如图5所示,矩形块表示细化后的海拔区间。当绘图完成后,应以高度表的形式明示。

图5 松花江流域地势海拔细化分布

2.4.2颜色值定义

颜色值通常用红、绿、蓝三基色搭配的发光显示,即RGB模式,每个颜色值范围0～255,值越小,颜色越浓。也可用青、洋红、黄、黑四种印刷色显示,即CMYK模式,每个颜色值范围0～100,颜色深浅随值增加而增大。RGB与CMYK二者可以转换,本流域地势图采用CMYK模式。

按表1的类别绿、黄、棕、棕褐四种色调,并顺序定义颜色值。每两个相邻颜色值均是这一海拔区间的最低和最高颜色值。其色调中间值按海拔细化区间内插[9],如图5黑点所示。由表1可看出,除平原外,其他类别色调的CMYK是递增的,此时可通过颜色值同方向增加的方式实现颜色变化,其优点在于能有效保证颜色按同一方向变化,避免颜色交错不协调现象。根据松花江流域地势海拔细化分布,并内插确定相应颜色值(表2)。

表2 松花江流域地势颜色

2.4.3效果测试

颜色定义后,每个海拔对应一个颜色值。在软件中调入松花江流域DEM,按定义的颜色及对应海拔,建立晕渲文件进行效果测试。需要说明的是,在测试时应选择合适的光照方向。当测试效果不能达到所期望效果时,需要对晕渲文件进行编辑,可通过修改海拔区间,或者修改颜色值的方法实现。通常情况下,海拔区划分越多,晕渲曲线(图5点线)越平滑,晕渲效果越细致,一幅晕渲图往往需要多次颜色优化才能达到理想的效果,图2为经过颜色优化的松花江流域晕渲图(局部)。

2.4.4效果修饰

由于受到下载资源和DEM比例等因素的限制,生成的晕渲底图可能会出现接图交错、模糊等现象,给图面效果带来影响。此时,通常采用图片修饰方法,在Photoshop中对输出的晕渲底图进行局部编辑处理,可有效消除上述现象[10]。

3 结束语

受区域地势不同的影响,在绘制晕渲图时,很多情况下没有可参考的颜色配置方案,同时,屏幕显示与成果输出也存在色彩差异,因此海拔匹配颜色值是个难点,而且目前多为人工逐一设定,海拔区间划分越细,难度越高,工作量越大。根据区域内DEM构建科学的颜色配置模型,通过软件实现颜色的自动匹配将是未来发展的方向。

晕渲虽然是随着计算机绘图技术发展起来的,但又涉及审美艺术,如何充分发挥现代技术资源,满足人们对绘图的需求越来越成为人们追求的目标。松花江是东北大动脉,松花江流域在中国重工业、特色农业、资源等很多领域发挥着举足轻重的作用,松花江流域地势图作为国土资源表现形式,在振兴东北、促进区域发展中具有重要的战略价值。