رسم الخرائط التضاريسية

في عام ١٩٢١، نشر أ. ك. لوبيك كتاب "مخطط جغرافي للولايات المتحدة" ، مستخدمًا نسخة متطورة من تقنية رسم التضاريس لتوضيح توزيع الأشكال الأرضية على خريطة صغيرة المقياس. ^{[ ١ ]} قام إروين رايز بتطوير هذه التقنية وتوحيدها وتدريسها، وهي تقنية تستخدم نسيجًا عامًا لمحاكاة أشكال التضاريس على مساحة واسعة. ^{[ ٢ ]} يجمع هذا الأسلوب في تمثيل التضاريس بين رسم التضاريس والتظليل، وهو أسلوب فريد يعكس شخصية مبتكره - غالبًا ما يكون مرسومًا يدويًا - كما أنه مفيد في توضيح الأنماط الجيومورفولوجية .

في الآونة الأخيرة، طوّر توم باترسون تقنية حاسوبية لرسم خرائط التضاريس مستوحاة من أعمال رايز، تُسمى " التضاريس المائلة" . ^{[ 3 ]} تبدأ هذه الأداة بصورة تضاريس مظللة، ثم تُحرّك وحدات البكسل شمالًا بما يتناسب مع ارتفاعها. والنتيجة هي جعل الجبال تبدو وكأنها "بارزة" و"تغطي" المعالم في الشمال، تمامًا كما هو الحال في ملامح التلال. ويستطيع بعض المشاهدين رؤية هذا التأثير بسهولة أكبر من غيرهم.

تقنية خطوط الكنتور (التضاريس) هي طريقة تُستخدم لإضاءة خطوط الكنتور لتسهيل تصور التضاريس. تُبرز الخطوط أو تُظلل تبعًا لعلاقتها بمصدر ضوء في الشمال الغربي. إذا كان الجسم المراد تصويره يُلقي بظلاله على جزء من خط الكنتور، يُمثل هذا الخط بشريط أسود. أما المنحدرات المواجهة لمصدر الضوء فتُمثل بأشرطة بيضاء.

طُوِّرت هذه الطريقة على يد البروفيسور تاناكا كيتيرو عام ١٩٥٠، ولكن جرى تجريبها منذ عام ١٨٧٠، ولكن بنجاح محدود بسبب القيود التقنية في الطباعة. وكانت التضاريس الناتجة في ذلك الوقت صورة رمادية . ^{[ ٥ ]} لاحقًا، ابتكر رسام الخرائط بيرتولد هورن برنامجًا لإنتاج خرائط تاناكا رقميًا، ثم وجد باتريك كينلي، وهو رسام خرائط آخر، طريقة لإضافة الألوان إلى هذه الخرائط، مما جعلها أكثر واقعية. ^{[ ٦ ]}

تُعاني هذه الطريقة من عدة مشاكل. تاريخيًا، لم تكن تقنية الطباعة قادرة على إعادة إنتاج خطوط تاناكا بدقة، وخاصة الخطوط البيضاء على خلفية رمادية. كما أن هذه الطريقة تستغرق وقتًا طويلاً. إضافةً إلى ذلك، فإن المظهر المتدرج لا يبدو جذابًا أو دقيقًا في بعض أنواع التضاريس. ^{[ 7 ]}

تضمنت إسهامات إيمهوف استخدام أسلوب متعدد الألوان في التظليل، حيث استُخدم اللون الأرجواني في الوديان والأصفر على القمم، وهو ما يُعرف باسم "التظليل المُضاء". يُضفي إضاءة جوانب التضاريس المواجهة لمصدر الضوء باللون الأصفر مزيدًا من الواقعية (لأن ضوء الشمس المباشر يميل إلى الأصفر، بينما يميل الضوء المحيط إلى الأزرق)، ويُعزز الإحساس بالطبيعة ثلاثية الأبعاد للتضاريس، ويجعل الخريطة أكثر جمالًا وفنية. ^{[ 9 ]} بُذلت جهود كبيرة لإعادة إنتاج أعمال إدوارد إيمهوف رقميًا ، وقد حققت نجاحًا ملحوظًا في بعض الحالات. ^{[ 10 ]}

من الانتقادات الشائعة للتظليل التحليلي المُولّد حاسوبيًا مظهره الجامد والمصطنع، حيث تظهر المنحدرات المواجهة للضوء بيضاء ناصعة، والمنحدرات البعيدة عنه سوداء ناصعة. وقد أطلق عليه رايز اسم "التظليل البلاستيكي"، بينما وصفه آخرون بأنه يُشبه سطح القمر. ^{[ 2 ]} يتمثل أحد الحلول في دمج اتجاهات إضاءة متعددة لمحاكاة تأثير الإضاءة المحيطة، مما يُنتج صورة أكثر واقعية. وقد طُرحت تقنيات متعددة لتحقيق ذلك، منها استخدام برامج نظم المعلومات الجغرافية لإنشاء صور تضاريس مُظللة متعددة ودمجها، واستخدام برامج النمذجة ثلاثية الأبعاد لعرض التضاريس ، ^{[ 11 ]} وأدوات برمجية مُخصصة لمحاكاة الإضاءة الطبيعية باستخدام ما يصل إلى مئات المصادر الفردية. ^{[ 12 ]} وقد وُجد أن هذه التقنية هي الأكثر فعالية للتضاريس الوعرة جدًا بمقاييس متوسطة تتراوح من 1:30,000 إلى 1:1,000,000.

من الممكن جعل التضاريس تبدو أكثر واقعية من خلال محاكاة المظهر ثلاثي الأبعاد ليس فقط لسطح الأرض المكشوف، بل أيضًا للمعالم التي تغطيه، كالمباني والنباتات. تُعدّ تقنية رسم الخرائط النسيجية أو رسم الخرائط النتوئية تقنية مُقتبسة من رسومات الحاسوب ، تُضيف طبقة من النسيج المُظلل إلى تضاريس السطح المُظللة، مما يُحاكي مظهر الغطاء الأرضي المحلي. ^{[ 13 ]} ويمكن توليد هذا النسيج بعدة طرق:

• استبدال النسيج : نسخ وتجريد ودمج صور الاستشعار عن بعد للغطاء الأرضي. ^{[ 14 ]}
• توليد النسيج : إنشاء طبقة ارتفاع غطاء أرضي محاكاة في نظم المعلومات الجغرافية، مثل التوزيع العشوائي للأشجار، ثم توليد تضاريس مظللة لهذا الغطاء. ^{[ 15 ]}
• قياس الارتفاع : استخدام تقنيات الاستشعار عن بعد عالية الدقة، وخاصة تقنية الليدار والطائرات بدون طيار ، لقياس ارتفاع أو شكل معالم الغطاء الأرضي بشكل مباشر أو غير مباشر (من خلال التصوير المساحي )، وتظليل سطح الارتفاع هذا.

تُعد هذه التقنية مفيدة للغاية في إنتاج خرائط واقعية بمقاييس كبيرة نسبياً، من 1:5000 إلى 1:50000.

يتمثل أحد تحديات استخدام تقنية التظليل التضاريسي، خاصةً على نطاقات صغيرة (1:500,000 أو أقل)، في أنها تُجيد تصوير التضاريس المحلية (عالية التردد)، لكنها قد لا تُظهر المعالم الأكبر حجمًا بفعالية. على سبيل المثال، تُظهر منطقة وعرة من التلال والوديان تباينًا مساويًا أو أكبر من جبل كبير أملس. وللتخفيف من هذه المشكلة، طوّر رسام الخرائط توم باترسون من خدمة المتنزهات الوطنية تقنية هجينة تُسمى "تنعيم الدقة". ^{[ 16 ]} حيث يتم حساب متوسط ​​نموذج الارتفاع الرقمي عالي الدقة مع نسخة مُنعّمة بشكل كبير (أي بدقة أقل بكثير). وعند تطبيق خوارزمية التظليل التضاريسي على هذه النسخة، فإنها تُدمج التفاصيل الدقيقة لنموذج التضاريس الأصلي مع المعالم الأوسع التي يُبرزها النموذج المُنعّم. وتُحقق هذه التقنية أفضل النتائج على النطاقات الصغيرة وفي المناطق الوعرة باستمرار.

يتكون تطبيق نموذجي لعرض التضاريس من قاعدة بيانات للتضاريس ، ووحدة معالجة مركزية (CPU)، ووحدة معالجة رسومية (GPU)، وشاشة عرض. يُضبط التطبيق ليبدأ من موقع ابتدائي في الفضاء ثلاثي الأبعاد . ويُخرج التطبيق تمثيلاً للعالم الحقيقي على الشاشة. يستخدم التطبيق وحدة المعالجة المركزية لتحديد بيانات التضاريس المطابقة للموقع الابتدائي وتحميلها من قاعدة البيانات، ثم يُطبق التحويلات اللازمة لإنشاء شبكة من النقاط التي يمكن لوحدة معالجة الرسوميات عرضها، والتي تُكمل التحويلات الهندسية، مُنشئةً كائنات على الشاشة (مثل المضلعات ) تُكوّن صورة تُحاكي موقع العالم الحقيقي بدقة.

توجد عدة طرق لإضفاء ملمس على سطح التضاريس. تستفيد بعض التطبيقات من استخدام ملمس اصطناعي، مثل تلوين الارتفاعات، أو نمط رقعة الشطرنج ، أو غيرها من الملمس العام. بينما تحاول تطبيقات أخرى إعادة إنشاء سطح العالم الحقيقي بأفضل تمثيل ممكن باستخدام الصور الجوية وصور الأقمار الصناعية .

في ألعاب الفيديو ، يتم استخدام تقنية رش النسيج لإضفاء ملمس على سطح التضاريس.

تتنوع طرق توليد أسطح التضاريس بشكل كبير. وتتمثل المشكلة الرئيسية التي تحلها جميع هذه الطرق في إدارة عدد المضلعات المُعالجة والمُصوَّرة. من الممكن إنشاء صورة بالغة الدقة للعالم باستخدام مليارات نقاط البيانات. مع ذلك، تقتصر هذه التطبيقات على الصور الثابتة. تُستخدم معظم تقنيات عرض التضاريس في الصور المتحركة، مما يتطلب من البرنامج اتخاذ قرارات بشأن كيفية تبسيط بيانات التضاريس المصدرية (عن طريق حذف بعضها أو تقريبها). تستخدم جميع تطبيقات عرض التضاريس تقريبًا مستوى التفاصيل لإدارة عدد نقاط البيانات التي تعالجها وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات. توجد العديد من الخوارزميات الحديثة لتوليد أسطح التضاريس. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

تُستخدم تقنية عرض التضاريس على نطاق واسع في ألعاب الكمبيوتر لتمثيل سطح الأرض والعوالم الخيالية. كما تتضمن بعض الألعاب خاصية تشويه التضاريس (أو التضاريس القابلة للتشويه).

يُعدّ استخدام تقنية عرض التضاريس في أنظمة الرؤية الاصطناعية أحد أهم تطبيقاتها . إذ يستفيد الطيارون الذين يقودون الطائرات بشكل كبير من قدرتهم على رؤية سطح التضاريس في جميع الأوقات بغض النظر عن الظروف الخارجية للطائرة.