9.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Из всех элементов местности рельеф играет самую важную роль, потому что он влияет на состояние и положение всех остальных элементов: гидрографию, распределение населенных пунктов, дорог, растительности и т. д. Между всеми этими элементами существует определенная взаимосвязь, на которую оказывает влияние рельеф.
Отсюда становится понятным стремление не только выявление на карте форм рельефа и различных его особенностей, но и получение количественных его характеристик (абсолютных и относительных высот, степени расчленения, крутизны склонов и др.). Следовательно, изображение рельефа на карте должно быть наглядным, измеримым, желательно пластичным. Отобразить рельеф земной поверхности на географических картах задача не простая, поскольку надо передать на плоскости объемные формы в двух измерениях, которые на местности имеют три измерения – длину, ширину и высоту.
К изображению рельефа на гипсометрических картах предъявляются определенные требования:
♦ метричностъ (измеримость) изображения, обеспечивающая возможность получения по карте абсолютных высот и превышений, характеристик углов наклона, расчленения и др.;
♦ пластичность изображения, т.е. наглядная передача неровностей рельефа, формирующая у читателя зрительный образ местности;
♦ морфологическое соответствие изображения, что проявляется в стремлении подчеркнуть типологические особенности форм рельефа, его структурность.
Стремление по возможности учесть эти достаточно противоречивые требования проходит через всю историю развития способов картографирования рельефа. На разных этапах на первый план выходили задачи создания пластического объемного или метрически точного изображения, либо подчеркивания морфоструктуры рельефа, либо совмещения этих требований на одной карте.
Для отображения рельефа на географических картах применяют различные способы изображения, однако каждый из них порознь не в состоянии удовлетворить всем требованиям, предъявляемых к изображению рельефа.
В картографии известны следующие способы изображения рельефа: перспективный, горизонталей, высотных отметок, точечный, гипсометрический, пластический (штрихов крутизны, теневых штрихов и отмывки), стереоскопические способы (стереопары, анаглифический способ), рельефные макеты, рельефные карты, блок-диаграммы рельефа, цифровые модели рельефа. Применение того или иного способа изображения рельефа зависит главным образом от типа карты, назначения и масштаба.

9.2. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Перспективное изображение рельефа применялось еще в древности, в средние века. На старых картах рельеф изображался схематическим перспективным рисунком в виде отдельных возвышенностей, хребтов, горок. Для большей выразительности горки покрывались тенями – этот способ иногда называли картинным изображением рельефа. Для него не требовалось знания абсолютных или относительных высот, крутизны склонов, а было достаточно лишь передать общее расположение возвышенностей (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Древняя карта с перспективным изображением рельефа

Суть этого способа состоит в том, что крупные положительные формы рельефа (горы, возвышенности, хребты) изображаются перспективным рисунком. Местность на картинных картах рельефа представляется как бы с высоты птичьего полета.
Такое изображение достаточно наглядно, но, ни о какой геометрической точности не может быть и речи. Картинные карты рельефа иногда создавали художники; известна, например, карта рельефа Тосканы, написанная Леонардо да Винчи и представляющая местность как бы с высоты птичьего полета.

Рис. 9.2. Леонардо да Винчи. Карта Тосканы

В настоящее время этот способ почти не применяется, его можно встретить лишь на стилизованных исторических картах. На современных картах стали использовать перспективные способы изображения рельефа, разрабатывать особые картинные знаки, но уже на геометрически точной основе. Новый способ получил название физиографического, он направлен на выявление физиономических черт рельефа, его морфологии (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Физиографическая карта Индийского океана (по Б. Хейзену)

Физиографические карты широко применяют для показа рельефа дна океанов, поверхности далеких планет, их используют в туристских буклетах и некоторых популярных изданиях. Такие карты отнюдь не предназначены для проведения по ним измерений, но они очень наглядны, похожи на блок-диаграммы или красочные художественные панорамы.

9.3. СПОСОБЫ ШТРИХОВ

Схематичные перспективные изображения рельефа еще в XVIII в. перестали удовлетворять войска – основных потребителей карт. Им необходимо было получать по картам точное представление о пересеченности местности и крутизне склонов. Характер рельефа определял маневрирование пехоты, кавалерии и артиллерии. Это стало основной причиной перехода к шкалам штрихов крутизны. Принцип построения таких шкал прост: чем круче склон, тем толще и плотнее штриховка, что отвечает изменению освещенности, при которой крутые склоны как бы покрыты глубокой тенью, а пологие – максимально освещены (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Шкалы штрихов крутизны И. Лемана и Главного штаба

Штрихи выполнялись способом гравюры, и это придает изображению рельефа особую тонкость и художественность, карты дают наглядный образ местности и смотрятся как произведения искусства (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Часть карты выполненной в штрихах крутизны.

Интересно, что для нанесения штрихов на карте вначале проводили горизонтали, они служили канвой для построения линий скатов, далее по ним вычерчивали штрихи. С окончательного рисунка вспомогательные горизонтали снимали (рис. 9.6).

Рис. 9.7. Схема построения штрихового рисунка рельефа.
а – исходные горизонтали и линии скатов; б – расстановка штрихов; в – штрихи крутизны; г – теневые штрихи.

Иной принцип использовали при изображении рельефа с помощью теневых штрихов, которые наносили по принципу бокового (косого) освещения. Обычно предполагалось, что источник света размещен в северо-западном углу карты. Штрихи черного или коричневого цвета накладывали так, чтобы выделить освещенные и затененные склоны, подчеркнуть основные формы рельефа, перегибы склонов, расчленение поверхности.
Способы штрихов очень хорошо передают пластику рельефа, его морфологию, но не позволяют определять абсолютные и относительные высоты. Кроме того, гравирование или рисовка штрихов весьма трудоемки, а печатание карт требует высокой техники воспроизведения. Внедрение в картоиздание фоторепродукционных процессов и плоской печати сильно затруднило воспроизведение штрихов, тонкие линии при печати раздавливались, а толстые штрихи – сливались. Все это заставило картографов искать другие способы изображения рельефа.

9.4. ГИПСОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ

Гипсометрических способ иначе называют способом послойной окраски или окраски по ступеням высот. Суть его состоит в том, что промежутки между изогипсами закрашивают в тона одного или нескольких цветов, что придает изображению рельефа на карте наглядность, хорошую читаемость. Высотную зону, ограниченную изогипсами, в пределах которой окраска не изменяется ни по цвету, ни по интенсивности, называют ступенью высоты.

9.4.1. Изогипсы

Изогипсы – линии на карте, соединяющие точки с равными высотами земной поверхности над уровнем моря. Они представляют собой проекции на плоскость следов сечения рельефа уровенными поверхностями, проведенными через заданный интервал, который называется высотой сечения рельефа. Изогипсы – основной способ изображения рельефа на современных общегеографических, физических, гипсометрических картах. Одно из важных достоинств способа – его высокая метричность. В любом месте карты по изогипсам можно определить абсолютную и относительную высоты точек, форму и крутизну склонов, рассчитать морфометрические показатели вертикального и горизонтального расчленения. Благодаря изогипсам карты рельефа стали ценным источником информации при морфометрических определениях, статистических расчетах, математическом моделировании, в частности при создании цифровых моделей рельефа.
На мелкомасштабных физических и гипсометрических картах, охватывающих обширные территории, сечение рельефа может быть переменным для различных районов: низменностей, возвышенностей и высокогорий. Например, для суши могут быть приняты такие интервалы сечения рельефа: от 0 до 300 м через 50 м, от 300 до 600 м – через 100 м, от 600 до 750 м – через 150 м, далее до высоты 4500 м – через 250 м, до 6000 м – через 500 м и выше – через 1000 м.
При выборе шкал сечения всегда учитывают, что горизонталь 200 м служит границей низменностей и возвышенностей, горизонталь 1000 м (иногда 750 м) – границей средневысотных гор, а горизонталь 2000 м – рубежом высоких гор и нагорий.

Рис. 9.7. Изображение высокогорного рельефа гипсометрическим способом

9.4.2. Горизонтали

Для топографических карт сечение рельефа принято постоянным. В этом случае изогипсу называют горизонталью. Гипсометрический способ изображения рельефа применяют на топографических картах масштабов 1:500 000 и 1:1 000 000. Послойная раскраска по ступеням высот наглядно отображает высотную характеристику горного рельефа и усиливает пластичный эффект его изображения. Выполняется она оранжевой краской различного тона по принципу – чем выше, тем темнее.
На крупномасштабных топографических картах (1:200 000 и крупнее) окраску по ступеням высот не производят.

Рис. 9.8. Горизонтали на топографической карте масштаба 1 : 25 000

Изображение рельефа горизонталями обладает наибольшей метричностью, но проигрывает другим способам в отношении пластичности. Поэтому картографы всегда стремились усилить выразительность горизонталей, вводя дополнительное боковое «освещение». Один из приемов заключается в утолщении горизонталей на затененных склонах и утончении их на освещенных, что воспроизводит эффект распределения света и тени (рис. 9.9).

Рис 9.9. Освещенные (затененные) горизонтали.

Такие горизонтали с равным правом могут называться «освещенными» и «затененными». Одним из первых этот прием применил инженер-генерал русской армии Э.И. Тотлебен, руководивший инженерными работами при обороне Севастополя в 1854–1855 гг. Составленная им карта Севастопольской бухты в освещенных горизонталях – прекрасный образец картографического искусства.

9.4.3. Изобаты

Для изображения рельефа морского дна используют изобаты – изолинии равных глубин. На мелкомасштабных гипсометрических картах они также имеют переменное сечение, например, на шельфе (до глубин 200 м) – 50 м, на континентальном склоне (до глубин 2500 м) – 100 и 250, а в пределах глубоководных равнин и впадин – 500, а потом 1000 м.

Рис 9.10. Изобаты на карте Атлантического океана

В настоящее время при создании генеральных батиметрических карт применяют способ освещенных изобат (способ Танака). Суть способа состоит в том, что на светло-голубом фоне освещенная часть изобат печатается белым цветом, а затененная – темно-синим.

9.4.4. Гипсометрические шкалы

При изображении рельефа для окраски ступеней высот используют особые цветовые гипсометрические шкалы, наилучшим образом приспособленные для передачи высоты и морфологии рельефа суши и морского дна.
При разработке гипсометрических шкал предъявляются следующие требования:

• тон и цвета соседних ступеней должны четко различаться между собой, но не быть контрастными;
• расцветка ступеней должна быть гармоничной;
• раскраска не должна затемнять остального содержания карты (цвета должны быть прозрачными и светлыми);
• подбор цветов и их оттенков должен создавать впечатление пластичности, выпуклости;
• цвета и их тона по высотам должны быть общими для серийных карт разных масштабов или карт атласа.

На большинстве общегеографических карт принята определенная окраска ступеней высот гипсометрической шкалы. Ступени рельефа морского дна и суши обычно соединяют в одну шкалу. Ступени шкалы, соответствующие участкам дна морей и океанов, окрашиваются в тона от светло-голубого до темно-синего цвета (чем глубже, тем темнее), участки суши до высоты 200 м (низменности) окрашивают в тона зеленого цвета (чем выше, тем светлее), участки суши выше 200 м окрашивают тонами от светло-желтого до оранжево-коричневого, красно-коричневого цветов (чем выше, тем темнее и теплее). Самые высокие ступени обычно окрашивают красно-коричневым или темно-коричневым цветом.
Существуют и другие гипсометрические шкалы – «осветленные кверху», строящиеся по принципу «чем выше, тем светлее». Рельеф высокогорных территорий на этих картах изображается светло-желтыми тонами, а вершины выглядит почти белыми, что придает рельефу большую пластичность, естественность.
Батиметрические шкалы менее разнообразны, оттенки светло-голубого цвета на мелководьях сменяются серо-голубыми, затем сине-фиолетовыми и темно-синими. В целом с глубиной затемнение шкалы всегда усиливается.
Одноцветные шкалы обычно содержат пять – шесть, а многоцветные – до 16 ступеней послойной окраски. Ступени рельефа суши и морского дна обычно соединяют в одну шкалу (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Шкала высот и глубин

9.5. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ РЕЛЬЕФА

Для показа элементов и форм рельефа, не выражающихся горизонталями, применяют условные знаки. Обычно это связано с нарушением плавности поверхности. Таковы обрывы, скалистые гребни, глубокие ущелья, обрывистые стенки оврагов, узкие промоины и другие формы естественного рельефа (рис. 9.12, 9.13). В этих случаях используют стандартные знаки коричневого цвета, которые хорошо сочетаются с горизонталями. Если же необходимо изобразить искусственные формы рельефа, возникшие в результате техногенных воздействий, например уступы карьеров, канавы, насыпи, терриконы и т.п., то применяют значки черного цвета.

Рис. 9.12. Условные обозначения рельефа

На геоморфологических картах для изображения форм рельефа применяют знаки ареалов (рис. 9.13). Так показывают распространение карстовых пещер, соляных куполов и бугров пучения, полигонального рельефа, барханов и грядовых песков и других подобных форм.

Рис. 9.13. Геоморфологическая карта

А на орографических картах, главное содержание которых составляют структурные элементы рельефа суши и дна океанов, широко используют линейные знаки для показа хребтов, уступов, впадин, котловин, подводных желобов, каньонов и др.

Рис. 9.14. Орографическая карта

9.6. ОТМЫВКА

Наибольшую выразительность изображению придают способы теневой пластики, когда формы рельефа как бы покрываются тенями. Один из таких приемов – теневые штрихи – был рассмотрен выше.
Позднее на смену ему пришел более простой способ отмывки, т.е. создание полутонового изображения при заданном освещении местности. Наибольшую выразительность и объемность дают способы светотеневой пластики, которая обеспечивает плавный переход от светлого к темному. Черная (серая) или коричневая акварельная краска наносится на затененные склоны и размывается кистью так, чтобы на крутых склонах тени лежали гуще, а пологие – выглядели светлее. В картографии используются три варианта отмывки: при боковом (косом) (рис. 9.15) освещении; при отвесном освещении; при комбинированном освещении

Рис. 9.15. Отмывка рельефа при северо-западном освещении

Отмывка используется как основной способ изображения рельефа на некоторых мелкомасштабных общегеографических картах, но чаще легкую серую отмывку наносят в дополнение к горизонталям и многоцветной гипсометрической окраске. Этим обеспечиваются максимальная пластичность и высокие эстетические качества изображения.

Рис. 9.16. Отмывка на мелкомасштабной карте

Долгое время пластический эффект отмывки в решающей степени зависел от художественных навыков картографа, выполнение отмывки рассматривалось как искусство. Но оказалось, что этот художественный прием легко поддается автоматизации. Аналитическая (автоматическая) отмывка выполняется на основе подробной цифровой модели рельефа. Этот способ широко используется при компьютерном картографировании, он обладает высокими художественными качествами и точностью. При автоматизированном изготовлении оригиналов «отмывки» их можно готовить для многоцветного воспроизведения, например в разных цветах для освещенных или затененных склонов или для склонов разной крутизны.

Рис. 9.17. Результат комбинирования цветового рельефа и теневой отмывки при компьютерном картографировании

В последние годы аналитическую отмывку иногда получают на основе космических радиолокационных съемок бокового обзора. Радиолокация наклонным лучом прекрасно подчеркивает тенями все неровности местности, особенно при сильнопересеченном рельефе. Космические снимки с тенями используют для создания фотокарт.

Рис. 9.18. Космический снимок Google

9.8. БЛОК-ДИАГРАММЫ

Блок-диаграммы рельефа – это трехмерные плоские рисунки, передающие пластику земной поверхности. Обычно они совмещаются с продольными и поперечными разрезами, которые показывают внутреннее геолого-геоморфологическое строение территории. Блок-диаграммы строят по особым законам геометрической перспективы, сопровождая рисунок послойной раскраской или отмывкой для достижения наибольшей выразительности. Современные компьютерные технологии позволяют сравнительно легко получать трехмерные блок-диаграммные изображения на дисплее и проводить с ними различные преобразования. Электронные блок-диаграммы рельефа получают в виде перспективно смещенных горизонталей (рис. 9.19) либо как систему пересекающихся профилей (рис. 9.20).

Рис. 9.19. Фрагмент карты рельефа местности (а) и блок-диаграмма того же участка в горизонталях (б), составленная на автоматическом графопостроителе.

Рис. 9.20. Сеточная блок-диаграмма, построенная по цифровой модели в виде взаимно пересекающихся профилей.

Блок-диаграммы с горизонталями удобны в том отношении, что по ним, как по картам, легко определять абсолютные и относительные высоты, уклоны, на них можно наносить дополнительную нагрузку, например почвы, растительный покров и т.п.

9.10. ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА

Автоматизация картографирования привела к созданию и повсеместному использованию цифровых моделей рельефа (ЦМР). ЦМР – совокупность (массив, файл) высотных отметок z, взятых в узлах некоторой сети точек с координатами x, у и закодированных в числовой форме.
ЦМР – основа компьютерного картографирования. Они позволяют восстанавливать (визуализировать) рельеф в горизонталях с помощью процедур интерполяции, экстраполяции или аппроксимации. На основе ЦМР выполняют разнообразные расчеты и преобразования, автоматически строят производные морфометрические карты: уклонов и экспозиций склонов, расчленения, зон видимости/невидимости и др. В автоматическом режиме можно восстанавливать тальвеги рек и всю эрозионную сеть. Кроме того, ЦМР служат для построения блок-диаграмм, панорам и иных трехмерных изображений рельефа, в том числе динамических моделей, вращающихся на экране компьютера. Детальные ЦМР позволяют выполнять аналитическую отмывку рельефа при заданном освещении.
Иногда говорят о том, что на основе ЦМР получают цифровые карты рельефа, т.е. цифровые модели горизонталей с точностью и степенью генерализации, соответствующими заданному масштабу. Однако это не совсем точно, поскольку цифровые карты не являются картами в полном смысле слова. На самом деле речь идет о компьютерных (электронных) картах, полученных посредством визуализации цифровых моделей.

Вопросы и задания для самопроверки

1. Какие специфические требования предъявляют к изображению рельефа при составлении гипсометрических карт? Дайте характеристику этим требованиям.
2. В чем суть картинного способа изображения рельефа? Какие преимущества и недостатки имеет этот способ?
3. В чем суть физиографического способа изображения рельефа на картах?
4. Для составления каких карт применяют физиографический способ?
5. В чем суть изображение рельефа способом штрихов?
6. Какой основной принцип применяют при построении шкал штрихов крутизны?
7. Какие преимущества и недостатки имеет способ штрихов?
8. В чем суть гипсометрического способа изображения рельефа?
9. В чем заключается различие горизонталей и изогипс?
10. Как определить крутизну склона по горизонталям?
11. Как определить форму склона по горизонталям?
12. Какой вид имеют гипсометрические шкалы? С какой целью они применяются?
13. По каким принципам строятся цветовые ряды гипсометрических шкал? Дайте характеристику этим принципам.
14. В каких случаях для показа элементов рельефа применяют условные знаки?
15. В чем суть способа фоторельефа?
16. Что такое блок-диаграммы и для каких целей их используют?