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地形図作成、または地形図作成とは、開発された複数の手法のうちの1つ以上を用いて、地球表面の形状を地図上に表現することです。地形や起伏は自然地理学の本質的な要素であり、そのため、その表現は地図作成設計、そして近年では地理情報システムや地理可視化における中心的な課題となっています。
地図製作における最も古い地形表現形式である丘陵断面図は、山や丘を横から見た図であり、一般的に縮尺の小さい（広範囲をカバーする）地図上に適切な位置に配置されます。今日では、「アンティーク」風のスタイルの一部として使用される場合を除いて、ほとんど使われていません。
1921年、AK Lobeckは、丘陵断面図技法の改良版を用いて、小縮尺地図上に地形の分布を示した『アメリカ合衆国の地形図』を出版した。 [ 1 ] Erwin Raiszはこの技法をさらに発展させ、標準化し、教えた。この技法は、一般的なテクスチャを用いて広範囲にわたる地形の形状を模倣するものである。 [ 2 ]丘陵断面図と陰影起伏を組み合わせたこの地形表現のスタイルは、作成者独自のものであり（多くの場合手描き）、地形学的パターンを示す上で洞察に富むものであることが分かった。
さらに最近では、トム・パターソンが、ライツの作品に触発された地形図作成のためのコンピュータ生成技術である平面斜面レリーフを開発した。[ 3 ]このツールは陰影起伏画像から始まり、ピクセルを標高に比例して北方向に移動させる。その結果、丘の断面図と同じように、山々が「立ち上がって」北側の地形の上に「重なる」ように見える。この効果は、見る人によって見え方が異なる。
ハッチングは、オーストリアの地形学者ヨハン・ゲオルク・レーマンが1799年に初めて標準化したもので、線を用いた陰影表現の一種です。斜面の向きを示し、線の太さと全体の密度によって傾斜の程度を大まかに伝えます。数値ではないため、等高線ほど科学的な測量には適していませんが、地形のかなり具体的な形状を伝えることができます。[ 2 ]特に、なだらかな丘陵地帯など、比較的起伏の少ない地形を示すのに効果的です。ドイツの地形図では、20世紀に入っても標準的な表現方法でした。
デジタルGISデータを用いてこの技術を再現しようとする試みが複数行われてきたが、結果はまちまちだった。
等高線（または等高線）は、18世紀にフランスで初めて開発された等高線であり、標高が等しい地点を結んだ線です。これは標高を定量的に視覚化する最も一般的な方法であり、地形図でおなじみです。
18世紀から19世紀初頭にかけて行われたほとんどの国家測量では、調査対象地域全体の地形起伏は記録されず、測量地点における標高のみが算出されていた。米国地質調査所（USGS）の地形測量地図には等高線による地形表現が盛り込まれていたため、地形起伏、特に標高を正確に表現した地図は、米国では地形図（または「トポ」マップ）と呼ばれるようになり、この呼称は国際的にも広まった。
スイス国防総省が作成した地図では、等高線の色は地面の種類を示すために使用されています。黒は岩や岩屑、青は氷や水中等高線、茶色は土で覆われた地面を表しています。[ 4 ]
田中等高線（レリーフ等高線）技法は、地形を視覚化するために等高線を照らす手法です。等高線は、北西の光源との関係に応じて強調または陰影がつけられます。描画対象物が等高線の一部に影を落とす場合、その等高線は黒い帯で表されます。そうでない場合、光源に面した斜面は白い帯で表されます。
この方法は1950年に田中喜太郎教授によって開発されましたが、印刷技術の限界から成功は少なかったものの、1870年には既に実験が行われていました。この時点で得られた地形図はグレースケール画像でした。[ 5 ]地図製作者のベルトルト・ホーンは後に田中等高線図をデジタルで作成するソフトウェアを開発し、別の地図製作者であるパトリック・ケネリーは後にこれらの地図に色を付けてよりリアルにする方法を発見しました。[ 6 ]
この方法にはいくつかの問題点がある。歴史的に、印刷技術は田中等高線、特に灰色の背景に白い線をうまく再現できなかった。また、この方法は非常に時間がかかる。さらに、段々畑のような外観は、地形によっては魅力的に見えなかったり、正確さに欠けたりする。[ 7 ]
等高線着色（レイヤー着色、標高着色、標高彩色、等高線彩色とも呼ばれる）は、等高線の間に配置して標高を示す色です。これらの着色は、段階的な配色による色の帯として、または等高線自体に適用される配色として示されます。どちらの方法も等高線図の一種とみなされます。地図や地球儀の等高線着色は、水深の違いを伝えるために、同様の水深着色方法と併用されることがよくあります。
陰影起伏、または丘陵陰影は、点光源から三次元表面がどのように照らされるかを示すことで、地形の形状をリアルに表現します。影は通常、光源が地図の左上隅付近に配置される左上照明の慣例に従います。地図が北を上にして配置されている場合、結果として光は北西から来ているように見えます。これは北半球では非現実的な照明ですが、南の光源を使用すると、地形が反転して見える多安定知覚錯覚を引き起こす可能性があります。[ 8 ]
陰影起伏は、伝統的に木炭、エアブラシ、その他の画材で描かれてきました。スイスの地図製作者エドゥアルト・イムホフは、手動による陰影起伏の技法と理論の達人として広く知られています。今日では、陰影起伏はほぼ例外なくデジタル標高モデル（DEM）からコンピュータで生成されています。分析的陰影起伏の数学的基礎は、各地点での地表面法線を計算し、そのベクトルと照明方向のベクトルとの間の角度を内積を用いて計算することです。この角度が小さいほど、その地点が受ける照明が多くなります。ただし、ほとんどのソフトウェア実装では、これらの計算を短縮するアルゴリズムが使用されています。このツールは、 Photoshop、QGIS、GRASS GIS、ArcMapのSpatial Analyst拡張機能など、さまざまなGISおよびグラフィックソフトウェアで利用できます。
これらの比較的シンプルなツールのおかげで、陰影起伏図は地図上でほぼ普遍的なものとなったが、多くの地図製作者はその結果に満足せず、以下のような外観を改善するための技術を開発してきた。
イムホフの貢献には、谷に紫、山頂に黄色を用いた多色シェーディングの手法が含まれており、これは「照明付きシェーディング」として知られています。光源に面した地形の側面を黄色で照らすことで、よりリアルになり（直射日光は黄色っぽく、周囲の光は青っぽいため）、地形の三次元的な性質が強調され、地図がより美しく芸術的に見えるようになります。[ 9 ]エドゥアルト・イムホフの作品をデジタルで再現する作業は数多く行われており、いくつかのケースではかなり成功しています。[ 10 ]
コンピュータ生成の解析的陰影法に対する一般的な批判は、光に面した斜面が真っ白で、光から遠ざかる斜面が真っ黒という、その不自然で人工的な外観である。Raisz はこれを「プラスチック陰影」と呼び、他の人は月面の風景のようだと述べている。[ 2 ] 1 つの解決策は、複数の照明方向を取り入れて周囲の照明の効果を模倣し、はるかにリアルな外観の製品を作成することである。これを行うための複数の技術が提案されており、地理情報システムソフトウェアを使用して複数の陰影起伏画像を生成し、それらを平均化する方法、3D モデリング ソフトウェアを使用して地形をレンダリングする方法、[ 11 ]および最大数百の個別の光源を使用して自然光を模倣するカスタム ソフトウェア ツールを使用する方法などがある。[ 12 ]この技術は、1:30,000 から 1:1,000,000 の中規模スケールで非常に険しい地形に対して最も効果的であることがわかっている。
裸地の表面だけでなく、建物や植物など、その表面を覆う特徴物の3次元的な外観を模倣することで、地形をよりリアルに見せることが可能です。テクスチャマッピングまたはバンプマッピングは、コンピュータグラフィックスから応用された技術で、陰影のある表面の起伏に陰影のあるテクスチャのレイヤーを追加し、局所的な地被の外観を模倣します。[ 13 ]このテクスチャは、いくつかの方法で生成できます。
この技術は、1:5,000から1:50,000といった比較的大きな縮尺で、写実的な地図を作成する際に最も有効です。
陰影起伏、特に小縮尺 (1:500,000 以下) での課題の 1 つは、この手法が局所的 (高周波) 起伏の視覚化には非常に優れているものの、より大きな特徴を効果的に表示できない可能性があることです。たとえば、起伏の多い丘陵と谷の地域は、大きく滑らかな山よりも多くの、またはそれ以上の変動を示します。解像度バンピングは、この問題を軽減するためにNPS の地図製作者 Tom Patterson によって開発されたハイブリッド手法です。[ 16 ]高解像度 DEM を、大幅に平滑化されたバージョン (つまり、解像度がかなり粗い) と平均化します。これに陰影アルゴリズムを適用すると、元の地形モデルの細かいディテールと平滑化されたモデルによって引き出されたより広い特徴をブレンドする効果があります。この手法は、小縮尺で、一貫して起伏の多い地域で最も効果を発揮します。
地球の表面と、その上に存在する地理的特徴を、3次元の視点（2次元媒体に投影したもの）で表したもの。都市の想像上の航空写真は中世後期に初めて作成されましたが、これらの「鳥瞰図」は1800年代に米国で非常に人気を博しました。GIS （特に最近の3Dおよびグローバルな視覚化の進歩）と3Dグラフィックスモデリングソフトウェアの登場により、リアルな航空写真の作成は比較的容易になりましたが、これらのモデル上で質の高い地図デザインを実行することは依然として課題となっています。[ 17 ]
これは、地形を三次元オブジェクトとして表現した地図です。地形を表現する最も直感的な方法は、それを縮尺通りに模倣することです。手作りのジオラマは紀元前200年頃の中国にまで遡る可能性がありますが、大量生産が可能になったのは第二次世界大戦中に真空成形プラスチック地図が発明され、金型を効率的に作成するためのコンピュータ加工が開発された後でした。機械加工は、高密度フォームなどの基材から大型のカスタムモデルを作成するためにも使用され、加工装置にインクジェットプリントヘッドを配置することで航空写真に基づいて着色することもできます。3Dプリンティングの登場により、隆起した地形図を作成するはるかに経済的な手段が導入されましたが、ほとんどの3Dプリンターは大型ジオラマを効率的に作成するには小さすぎます。[ 18 ]
地形レンダリングとは、現実世界または架空世界の表面を描写するさまざまな手法を指します。最も一般的な地形レンダリングは、地球の表面を描写することです。これは、観察者に基準点を与えるために、さまざまなアプリケーションで使用されます。また、樹木、建物、河川など、地形以外のオブジェクトのレンダリングと組み合わせて使用されることもよくあります。
地形レンダリングには、大きく分けてトップダウン方式とパースペクティブ方式の2種類があります。トップダウン方式の地形レンダリングは、地図作成の手法として何世紀にもわたって用いられてきました。パースペクティブ方式の地形レンダリングも、かなり以前から知られていましたが、コンピュータとコンピュータグラフィックスの登場によって、ようやく主流となりました。
一般的な地形レンダリングアプリケーションは、地形データベース、中央処理装置（CPU）、専用グラフィックス処理装置（GPU）、およびディスプレイで構成されます。ソフトウェアアプリケーションは、ワールド空間内の初期位置から開始するように構成されています。アプリケーションの出力は、ディスプレイ上の現実世界のスクリーン空間表現です。ソフトウェアアプリケーションは、CPUを使用して地形データベースから初期位置に対応する地形データを識別してロードし、必要な変換を適用して、GPUでレンダリング可能な点のメッシュを構築します。GPUは幾何学的変換を完了し、現実世界の場所に非常によく似た画像を作成するスクリーン空間オブジェクト（ポリゴンなど）を作成します。
地形表面にテクスチャを適用する方法はいくつかあります。一部のアプリケーションでは、標高による色分け、市松模様、その他の一般的なテクスチャなど、人工的なテクスチャを使用することで効果が得られます。また、航空写真や衛星画像を使用して、現実世界の地形を可能な限り忠実に再現しようとするアプリケーションもあります。
ビデオゲームでは、テクスチャスプラッティングは地形の表面にテクスチャを付けるために使用されます。
地形表面を生成する方法にはさまざまな種類があります。これらの方法すべてで解決される主な問題は、処理およびレンダリングされるポリゴンの数を管理することです。数十億のデータポイントを使用して、非常に詳細な世界画像を作成することが可能です。ただし、このようなアプリケーションは静止画像に限定されます。地形レンダリングのほとんどの用途は動画であり、ソフトウェアアプリケーションは、ソース地形データをどのように単純化するか（破棄または近似することによって）決定する必要があります。事実上すべての地形レンダリングアプリケーションは、詳細度を使用して、CPU および GPU によって処理されるデータポイントの数を管理します。地形表面を生成するための最新のアルゴリズムがいくつかあります。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]
地形レンダリングは、地球の表面と架空の世界の両方を表現するために、コンピュータゲームで広く用いられています。一部のゲームでは、地形変形（または変形可能な地形）も実装されています。
地形レンダリングの重要な応用例の一つは、合成視覚システムです。航空機を操縦するパイロットは、機体外部の状況に関わらず、常に地形表面を視認できることから大きな恩恵を受けます。
地形の表現は、山岳地帯において特に重要である。国際地図学会の山岳地図委員会は、これらの地域の地図作成に関する理論と技術について議論する最も有名な場である。
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