Основы проектировния и создания трехмерных картографических моделей

Картографируемые объекты, как правило, трехмерны, а яв­ления и процессы действительности протекают в трехмерном пространстве.

В этой связи возникли и развиваются различные способы картографирования, в которых отображаются не только плано­вое положение объектов, но и их высотные характеристики, т. е. пространственная локализация объектов и явлений на кар­тах в болыиистве случаев осуществляется с использованием трехмерных систем координат.

Все объемные модели можно разделить на два основных вида: 1) на модели, получаемые на основе зрительного воспри­ятия (т. е. мысленные модели); 2) на физические модели.

К первым относят: а) плоские модели с дополнительным изображением высотных характеристик; б) стереокартографи-ческие модели; в) голографические модели.

К физическим моделям можно отнести: а) макеты местности; б) рельефные карты; в) глобусы; г) сферические карты.

К плоским моделям трехмерного пространства отно­сятся все карты, на которых дано изображение рельефа (вы­сотных характеристик) различными способами: геометрическим (горизонталями, гипсометрической закраской), пластическим (отмывкой, штриховкой, тушевкой, полутоновыми фотоизобра­жениями), перспективным (перспективными рисунками, про­филями, блок-диаграммами и т. д.), отметками высот, а также комбинацией этих сопсобов. Особенности проектирования и со­ставления таких карт рассмотрены в предыдущих главах.

Стереокартографические модели, хотя и не ма­териальны, но во многих случаях позволяют не только воспро­изводить пространственные процессы и явления, но и измерять все три координаты точек этих моделей.

Для получения стереоэффекта необходимо получить два изо­бражения картографируемых объектов с двух точек зрения (двух точек фотографирования), удаленных друг от друга на некоторое расстояние — базис. Такая пара изображений назы­вается стереопарой.

Стереомодели могут быть фотографическими и рисованными. Первые изучают в фотограмметрии, вторые разрабатывают и изучают в картографии и условно могут быть названы карто­графическими стереомоделями.

При рассмотрении пары изображений стереоэффект возни­кает при наличии разного взаимного смещения элементов изоб­ражения, что называется разностью продольных (вдоль базиса) параллаксов. Разности продольных параллаксов одноименных точек стереопар при их рассматривании преобразуют в физио­логические параллаксы, в результате чего и образуется стерео­эффект.

При изготовлении картографической стереомодели каждая горизонталь на правом и левом изображении или только на од­ном из них смещается относительно первой горизонтали на ве­личину (п — 1)Ар, где п — номер горизонтали, Ар — разность продольных параллаксов, выражающая величину сдвига после­дующей горизонтали относительно предыдущей. Величина вза­имного смещения горизонталей не должна быть меньше 0,1 мм и больше 5—6 мм, что соответствует предельному физиологиче­скому продольному параллаксу, равному 0,4 мм.

Стереомодели могут создаваться с изображением рельефа в изолиниях, перспективными рисунками, отмывкой и рассмат­риваться при помощи разных приборов, например, стереоскопов и проектирующих камер с использованием анаглифических спо­собов. Стереомодели могут быть также построены при помощи линейных растров на основе применения специальных автосте­реоскопических фотопластинок.

Голографические модели (голография) создаются на основе использования интерференционно-дифракционного ме­тода записи и восстановления волнового фронта, основным принципом которого является запись волнового поля вслед­ствие смешения его с заранее заданной референтной (опорной) волной. Для получения голограммы объекта он освещается лу­чом лазера. Отраженная от объекта световая волна падает на фотопластинку, на которую падает также отраженный от зер­кала референтный луч света от того же лазера.

Если (после проявления и фиксирования) пластинку голо­граммы поместить на то же место, где она находилась в мо­мент экспонирования, и убрать объект фотографирования, осве­тить голограмму лазером, то объект будет виден на прежнем месте, хотя его там уже нет. При этом, меняя положение глаз, можно видеть дальние и ближние части объекта.

Физические модели могут иметь различный вид, создаваться с использованием разнообразных материалов, технологий и предназначаться для решения различных задач.

Макеты местности обычно создают на сравнительно малые участки местности, и они носят в основном учебный ха­рактер. Для отображения элементов местности используют соз­даваемые из песка, гипса, дерева и т. п. соответствующие объ­емные и плоские макеты этих элементов, играющих роль услов- \ ных знаков. Их размещение в точках и участках макета • осуществляется в соответствии с используемой исходной картой. ₄ В отдельных случаях для определения местоположения объек­тов имитируют на макете при помощи нитей (проволоки, шну­ров и т. п.) координатную сетку проекции исходной карты.

Рельефные карты стали создавать еще в начале XVI в. В последние годы в Советском Союзе и странах социалистиче­ского содружества создано значительное количество разнооб­разных рельефных карт и на различные по площади терри­тории.

Рельефные карты создаются также в ряде других зарубеж­ных стран.

Рельефные карты сочетают объемное изображение рельефа с обычным картографическим изображением всех элементов содержания карты.

Особенностями проектирования рельефных карт являются: 1) определение назначения и тематики карты; 2) проектирова­ние горизонтального и вертикального масштабов рельефной мо­дели; 3) проектирование содержания и принципов генерализа­ции этой модели; 4) выбор технологии создания рельефных карт.

Проектирование назначения и тематики рельефных карт осу­ществляется на основе общих принципов, рассмотренных выше.

Отметим только, что по содержанию рельефные карты мо­гут быть общегеографическими и тематическими. В настоящее время созданы ландшафтные, геологические, геоморфологиче­ские, экологические и другие рельефные карты. Они отличаются от аналогичных по содержанию плоских карт главным образом формой передачи рельефа.

Проектирование горизонтального и вертикального масшта­бов, установление их соотношения является одним из главных вопросов создания рельефных карт. Обычно для изучения от­дельных участков принимают горизонтальные масштабы 1:10 000—1:200 000, для больших по площади территорий — 1: 500 000— 1: 1 000 000, для крупных по площади стран, мате­риков — мельче 1: 1 000 000.

Выбор соотношения вертикального и горизонтального мас­штабов зависит прежде всего от рельефа местности и назначе­ния карты, например, для изучения морфологии рельефа рекомендуется минимальное преувеличение вертикального мас­штаба, при создании карт для целей проектирования — наобо­рот, максимальное.

Как отмечают многие ученые, соотношение вертикального и горизонтального масштабов может меняться в пределах от 1:2 до 1:15 для карт масштабов 1:10 000—1:2000000 и до 1:20 — для карт более мелких масштабов.

Проектирование содержания рельефных карт и их генера­лизации главным образом заключается в решении вопросов изображения рельефа.

Степень обобщения рельефа зависит от тематики создавае­мой карты, например, она должна быть различной на геоморфо­логической и социально-географической картах, учитывать со­отношение рельефа и гидрографической сети — с увеличением детальности изображения гидрографической сети должна уве­личиваться детальность изображения рельефа и т. д.

Генерализация рельефа на рассматриваемых картах зависит от степени его генерализации на картах, положенных в основу создания рельефных карт.

Однако в процессе создания объемной модели рельефа ее генерализация продолжается — при создании карт на равнин­ные районы необходимо выделение отдельных деталей; горных районов, наоборот,— увеличение обобщения рисунка горизонта­лей и исключение мелких деталей.

При создании рельефных карт обычно используется приня­тая система условных знаков и стандартных красок. Однако в ряде случаев целесообразнее частично изменить систему ус­ловных обозначений. Это, например, относится к гипсометриче­ской окраске ступеней рельефа, к разработке шкал цветов.

Проектирование технологии создания рельефных карт свя­зано с особенностями районов картографирования, имеющегося оборудования и материалов.

В настоящее время разработаны различные технологические схемы выполнения этих работ. Каждая из них включает три процесса: изготовление модели местности, получение картогра­фического изображения, размножение рельефных карт.

Основные технологические схемы создания рельефных карт основаны на использовании как ручных, так и механических способов.

При изготовлении модели рельефа ручным способом на ли­сты картона наклеивают тиражные оттиски, по горизонталям вырезают из картона высотные слои, которые затем наращива­ются. После этого модель сглаживают, заправляют и оклеи­вают цветными оттисками.

Такие карты изготавливают одиночными экземплярами. К механическим способам изготовления моделей рельефа можно отнести: стержневой способ, способ фрезерования, сте-реофотограмметрический способ.

В первом из них используется стержневой станок СПП-2, лри помощи которого создается позитивная или негативная мо­дель рельефа путем перемещения по высоте пластмассовых стержней, собранных в пакет. После этого готовится гипсовая модель, по которой получают необходимое число экземпляров данной карты.

Фрезерные способы имеют разновидности. В одной из них осуществляется последовательное построение ступенчатой мо­дели с использованием блока, склеенного из листов пластика. В этом способе по горизонталям вырезают в блоке фрезой по­следовательно слой за слоем, излишние площади каждого слоя удаляют, полученную ступенчатую модель сглаживают ручной фрезой и в качестве матрицы передают для изготовления ти­ража рельефных карт.

Рельефная модель может создаваться также по профилям. При фрезеровании по профилям используют монолитный блок пластмассы, гипса и т. п.; фреза перемещается по параллель­ным профильным линиям (через 0,3—0,5 мм), а блок — после­довательно вверх или вниз в зависимости от форм рельефа (каждого профиля). В результате получают рельефную мо-

дель, которая используется как матрица при получении тиража этих карт.

За рубежом широко используются копировально-фрезерные станки, в которых модель рельефа создается из слоистых (воск,, пластмасса) или гипсовых блоков на основе применения уст­ройств типа пантограф.

Стереофотограмметрический способ предусматривает лепку (из глины, пластилина и др.) рельефной модели местности, со­ответствующей пространственной модели, построенной на муль-типлексе с использованием диапозитивов фотоснимков, состав­ляющих стереопары.

Для получения картографического изображения, применяе­мого в дальнейшем для изготовления необходимого числа эк­земпляров рельефных карт, используются различные прозрач­ные, полупрозрачные и белые пластики, которые при нагреве хорошо поддаются деформации. Картографическое изображение печатается на этих пластиках способом офсетной печати.

Размножение рельефных карт в настоящее время осуществля­ется главным образом путем формования (разогретых электро­нагревательными лампами) листов пластиков с картографиче­ским изображением в специальных термовакуумных установках. При выполнении этого процесса картографическое изобра­жение нанесенное на пластик, совмещается с моделью рельефа; под воздействием вакуума пластик необратимо деформируется» и в результате этого получают оттиск рельефной карты.

Глобусы создают на поверхности Земли и других небес­ных тел. Они могут быть различного назначения и содержания.

Благодаря шарообразности глобусы дают наглядное и наи­более верное представление о картографируемой поверхности небесного тела. Искажения всех видов (длин, площадей, углов) за счет замены эллипсоида сферой практически неощутимы, но могут достигнуть существенных величин в зависимости от при­нятой технологии их создания, точнее в зависимости от допу­скаемых при этом погрешностей.

Особенностями проектирования и создания глобусов явля­ются: 1) определение математической основы глобусов, 2) оп­ределение назначения и тематики глобуса, 3) разработка тех­нологии выполнения работ.

Проектирование математической основы включает выбор картографической проекции и установление главного масштаба карты.

Выбор картографической проекции в значительной мере за­висит от технологии создания глобуса.

Раньше глобусы изготавливали из картона, дерева, ме­талла и т. д. Для их создания применяли следующие картогра­фические проекции: 1) для изображения полярных областей (от полюсов до параллелей с широтами ±70°)—равнопроме-жуточную вдоль меридианов азимутальную проекцию Постеля; 2) для изображения прочих областей — многогранную проек-

цию шара по меридианным зонам (с разностью долгот ±15°) _у сохраняющую длины вдоль среднего меридиана, близкую к прсь- * стой поликонической проекции.

Для составления карт таких меридианных зон В. В. Каа-райский получил координаты точек узлов проекции этих зоц" опытным путем. Г. А. Гинзбург предложил использовать Д^я? этих целей вариант видоизмененной простой поликоническо>й? проекции шара, сохраняющей длины среднего меридиана.

Были предложены следующие формулы полярных коорди-_ч пат этой поликонической проекции:

«.г, * s sinq>.

K

где & —постоянный коэффициент, учитывающий влияние д^_х формации при обклейке глобуса, устанавливаемый эмпирическ^ (было принято, что k = 2).

При выборе ширины меридианных зон ставилось условие
чтобы на крайних меридианах искажения были в пределах⁴
близких к графической точности. ^

Главный масштаб зонных сегментов определяется из рас_х чета, чтобы при обклейке шара (сегментами) не было искаж:е_х ний вдоль средних меридианов.

В тех случаях, когда глобусы создаются на пластиках j^ шаровая поверхность получается методом формования, целесо^ образно для каждого полушария выбирать одну из азимутад_Ьх пых проекций шара, близких к равнопромежуточной вдоль \*е_х ридианов проекции Постеля.

Проектирование содержания глобуса сводится к выбору со_ч ответствующей карты, т. е. по тематике они могут быть самьи\^ разнообразными. Однако из-за мелких масштабов глобусов со' держание отображаемых объектов дается на них с болыпц^ обобщением.

На земных глобусах могут отображаться физико-географ_Ич
ческие или социально-экономические элементы или одновр_е^
менно те и другие вместе. При проектировании содержание
глобусов (или выборе соответствующих карт, используемых прц
создании оригиналов сегментов или полушарий) учитываете^
что глобусы рассматриваются с некоторого расстояния. ^ъ

Для изображения рельефа на глобусах, как правило, йс_ч пользуется послойная окраска в традиционной шкале цветов что увеличивает их наглядность. Для дальнейшего увеличен^ наглядности изображения в последние годы стали изготавли_ч вать кроме обычных также рельефные глобусы.

При проектировании технологии учитывают, что в настоя_ч щее время в основном используются две технологические схем^ создания глобусов. В первой изготавливается заблаговременно шаровая поверхность, на нее наносят линии меридианов и па_ч р аллелей, создают оригиналы сегментов соответствующее

Ч

карты, а затем печатают изображение сегментов на бумаге и обклеивают этими сегментами с изображением поверхности шара, добиваясь совмещения линий картографической сетки на оттисках и линий меридианов и параллелей на поверхности шара.

Во второй технологической схеме создают оригиналы соот­ветствующих карт двух полушарий, изготавливают печатные формы и выполняют печать изображения на деформирующийся пластик, а затем, используя способ вакуумного формования (с нагревом пластиков), получают необходимое число экзем­пляров глобусов с гладкой поверхностью или соответствующих рельефных глобусов.

Следует отметить, что в настоящее время в нашей стране и за рубежом серийно изготавливают только учебные глобусы.

Сферические карты представляют собой отдельные шаровые сегменты тех же рассмотренных выше глобусов и об­ладают присущими им достоинствами и недостатками (высокая наглядность при некоторой громоздкости и сложности техно­логии).

В целом создание современными методами рельефных карт, глобусов и сферических карт открывает новые возможности для широкого использования картографического метода в раз­личных областях народного хозяйства, науке и культуре.

Дата добавления: 2015-10-13