VLIV STÍNOVÁNÍ NA KOGNICI MAP

Webové stránky k bakalářské práci

Pro stanovení metod využitých v bakalářské práci byla nejprve pečlivě prostudována literatura týkající se metod zobrazení výškopisu, zaměřené především na stínování v mapách, ale také na způsoby hodnocení vizualizace reliéfu. Na základě databáze podle práce s názvem Frekvence využívání mapových metod na mapových portálech (Nétek, 2008) byly dohledány dostupné mapové portály. Kromě využití informací z této databáze byly dohledány další mapové portály. Z těchto zdrojů byl proveden výběr k tvorbě obrázků do on-line dotazníku vzniklého za účelem přiblížení uživatelských potřeb. Vybrané mapové portály byly později použity pro tvorbu stimulů do eye-tracking experimentu. Výsledky testování byly statisticky vyhodnoceny a vhodně vizualizovány.

Použité metody

Bakalářská práce je zpracována s využitím nejmodernějších dostupných metod. V literární rešerši bylo využito knižních zdrojů, ale také elektronických odborných příspěvků, odborných studií i on-line odborných publikací.

V přípravné fázi před navržením eye-tracking experimentu byly hodnoceny mapy a mapové portály prostřednictvím on-line dotazníku zrealizovaného v prostředí Google Forms. Výsledky tohoto šetření poskytly podněty pro navrhovaný eye-tracking experiment. Online dotazníky byly použity z důvodu rychlého šíření prostřednictvím internetu (e-mailových schránek, sociálních sítí a dalších), rychlé aktualizace a dostupnosti. Hlavní využívanou metodou v této práci je metoda eye-tracking.

Jedním z nejčastějších způsobů vyhodnocení eye-tracking dat je statistickáé vyhodnocení. Data byla prostřednictvím softwaru SMI BeGazeTM převedena do textových dokumentů. U těchto dat byla vyhodnocována správnost jednotlivých odpovědí v tabulkovém procesoru Microsoft Excel, čas strávený na snímcích a počty fixací na jednotlivých stimulech. Data byla statisticky zpracována prostřednictvím boxplotů (nebo-li krabicových grafů) v softwaru RStudio. Data byla dále zkoumána prostřednictvím Kruskal Wallis testu a Posthoc Kruskal Wallis testu – metoda Tukey. V rámci realizace práce byly využity odborné konzultace.

Použitá data a programy

Prvotní on-line dotazník byl vytvořen v prostředí Google Forms a následné statistické zpracování bylo provedeno v tabulkovém procesoru Microsoft Excel 2010.

Pro účely eye-tracking testu byly vytvořeny stimuly z webové aplikace Plan Oblique Europe (http://cartography.oregonstate.edu/tiles/PlanObliqueEurope/), která využívá data programu Copernicus (Global Monitoring for Environment and Security).

Pro druhou část testu byly použity vybrané mapové portály a to: Cykloserver.cz, Google Maps, HERE WeGo, Kompass, ČÚZK a platforma Mapbox. U poslední části testu byla použita data Českého Úřadu Zeměměřického a Katastrálního, konkrétně Digitální model reliéfu 5. generace. Pomocí služby ArcGIS Online byly staženy části tohoto modelu, ze kterých pak byly v programu ArcMap 10.2 a nástroje Terrain Tools Sample v1.1 vytvořeny stimuly. Tyto mapové obrazy byly dále exportovány a v programu IrfanView 4.38 upraveny na velikost 1920 × 1200 px. V programu CorelDRAW X7 byly připraveny otázky a cvičné úlohy.

Zjišťování vlivu stínování na kognici map pomocí eye-tracking testu probíhalo v eye-tracking laboratoři na Katedře geoinformatiky Univerzity Palackého v Olomouci (UPOL). Pro snímání pohybu očí byl využit přístroj SMI RED 250 s frekvencí 250 Hz. Test byl vytvořen v programu SMI Experiment CenterTM. Závěrečný export dat proběhl v programu SMI BeGazeTM. Pro statistické zpracování bylo využito softwaru RStudio a tabulkového procesoru Microsoft Excel 2010.

Metody zobrazení výškopisu

Výškové body

Výškovými body rozumíme body, jejichž výška byla geodeticky či fotogrammetricky určena. V mapě jsou značeny bodovými značkami, k nimž jsou připsány číselné údaje, které nazývají kóty. Pro názorné vystižení výškového uspořádání zemského povrchu jsou voleny body na orografických čarách (též terénních), vytvářejících terénní kostru. Počet výškových bodů závisí na měřítku mapy, výškové členitosti reliéfu a také na kombinaci s dalšími metodami kartografického znázorňování (Čapek a kol., 1992).

Vrstevnice

Vrstevnice je čára spojující všechny body reliéfu o stejné účelně zaokrouhlené výšce vzhledem ke srovnávací ploše. Každá vrstevnice tvoří spojitou uzavřenou prostorovou křivku, kterou si lze představit jako průsečnici reliéfu a plochy rovnoběžné s mořskou hladinou (Čapek a kol., 1992) . Podle (Robinsona, (1960) jsou to linie spojující body o stejné nadmořské výšce. Robinson (1960) také uvádí, že konturování je nejpřesnější způsob, jak dát informaci o nadmořské výšce uživatelům mapy. Podle Slocuma (2009) je to jedna z nejpoužívanějších metod zobrazení spojitého jevu. Vrstevnice se v dělení podle (Denta, (1999) řadí do části Isarithmic mapping.

Oproti vrstevnicím je možné pomocí barevné hypsometrie zobrazit výšku ve všech částech zobrazovaného území pomocí určité barevné stupnice.

Barevná hypsometrie

Metoda barevné hypsometrie (metoda barevných vrstev) je barevné nespojité znázornění výšek zemského povrchu po jednotlivých výškových stupních vypočítaných jako rozdíl vrstevnic. Vychází z metody vrstevnic (Veverka a Zimová, 2008). Mezi těmito vrstevnicemi je plocha nazývající se výšková vrstva. Jedná se tedy o kombinaci liniové a plošné interpretace reliéfu terénu (Plánka, 2006). Plošná interpretace se vykrývá barvou odpovídající příslušnému výškovému stupni podle hypsometrické stupnice barev (Čapek a kol., 1992). Přiřazení konkrétních barev jednotlivým výškovým stupňům závisí na vydavateli kartografického díla a volba intervalu výškových stupňů závisí na měřítku, účelu mapy a v neposlední řadě i na výškové členitosti zobrazovaného území (Plánka, 2006).

Podle Čapka a kol. (1992) se metoda barevné hypsometrie uplatňuje převážně na obecně geografických mapách. Podává globální přehled o výškovém uspořádání, umožňuje rychlou výškovou orientaci a prostorovou představu. Tato metoda bývá často doplňována výškovými kótami a stínováním (Plánka, 2006). Plošná interpretace se vykrývá barvou odpovídající příslušnému výškovému stupni podle hypsometrické stupnice barev (Čapek a kol., 1992). Přiřazení konkrétních barev jednotlivým výškovým stupňům závisí na vydavateli kartografického díla a volba intervalu výškových stupňů závisí na měřítku, účelu mapy a v neposlední řadě i na výškové členitosti zobrazovaného území (Plánka, 2006).

Hypsometrickou stupnici podle (Čapek a kol., 1992) barev tvoří sled barev uspořádaných za sebou podle určitého principu či zásady, mezi které patří:

  1. „čím výše, tím temněji”
  2. „čím výše, tím světleji”
  3. „čím výše, tím teplejšími barvami”

Barevná hypsometrie se často používá v kombinaci s jinými metodami. V současné době se kombinuje především se stínováním.

Specifickým typem barevné hypsometrie je Continuous-tone map (Slocum, 2009). Principem této metody je stínování každého bodu povrchu šedými tóny úměrnými hodnotami povrchu v bodě. Tento přístup je analogický pro nespecifikované kartogramové mapování. Problémem je složité přiřazení hodnot v legendě s konkrétním místem (Slocum, 2009).

Stínování

Vrstevnice přesně vylíčí nadmořské výšky, ale mapa obsahující pouze vrstevnicemi nevypadá příliš realisticky a laikové mohou mít problém se získáním představy o terénu. Namísto toho většina lidí rozezná tvary povrchu díky vzájemnému působení světla a tmy (Robinson, 1960).

Mapy se stínovaným reliéfem jsou vytvořené tak, že trojrozměrný povrch je znázorněn pomocí stínovaného efektu (Dent, 1999). Podstatou stínování je představa, že na všechny plochy reliéfu dopadají světelné paprsky z téhož směru, což vytváří rozdíly v osvětlení. Bílá místa vznikají dopadáním paprsků kolmo a tmavá místa jsou ta, kam vůbec nedopadá přímé světlo (Čapek a kol., 1992). Problémem je limitovaný počet odstínů naznačující stupňovitý povrch na rozdíl od hladkého (Slocum, 2009). Zdroj světla je obvykle umístěn v severozápadním kvadrantu (Dent, 1999).

Historie

Stínovaný reliéf se vyskytuje už v časných rukopisných mapách. Ty však nemohly být reprodukovány pro velmi složitý proces tvorby.

Dříve používaným termínem byl šerosvit, což byla technika, která používala světlé tóny v obrazové reprezentaci trojrozměrných tvarů, což využívali umělci po mnoha staletích. Leonardo da Vinci dosáhl velmi povedeného výsledku v mapě Toskánska, kreslené v roce 1502 a 1503. Tato mapa obsahovala šikmé stínované pohledy reliéfu osvětlené z levé strany. O půl století později vytvořil Murer dřevoryty z oblasti kolem Curychu ve Švýcarsku, kde jsou stínované pohledy ze stran. Po dalších sto letech poprvé v mapě použil horní pohledy Gyger (Horn, 1981).

Hans Conrad Gyger v 17. století vytvářel po dobu 38 let mapu s názvem "Grosse Landtafel des Kantons Zürich" v přibližném měřítku 1 : 32 000. Je to perokresba v kombinaci s Guache (Kvaš) malováním. Její význam spočívá jak v přesnosti, tak v zobrazení topografie přirozeným způsobem.

S vynálezem litografie v roce 1798 přišla i možnost tisknout polotóny. Není však známo, kdy byla vytištěna první mapa se stínovaným reliéfem. Vrcholem tvorby 19. století byl Atlas Japonska. Jedná se o atlas malého měřítka vytvořený německým kartografem Brunem Hassensteinem. Kartografové pak začali kombinovat stínování s jinými způsoby zobrazení terénu.

Současně s experimentováním s trojrozměrnými reliéfními modely byly odvozeny fotografické stínované reliéfy. V roce 1925 Karl Wenschow zmechanizoval postup pro tvorbu stínovaného reliéfu, díky čemuž se stal jedním z nejznámějších představitelů tohoto oboru. Z důvodu četných, zejména ekonomických, nevýhod, se mechanizované reliéfní stínování nikdy neprosadilo.

Po druhé světové válce se používala retušovací pistole na barvu (přístroj, který se používá pro malování nebo jemnou práci na zlepšení fotografií). Díky výpočetní počítačové technice byl na konci 20. století vytvořen nový stínovaný reliéf, který byl vytvářen na základě digitálních výškových modelů. Reliéf bývá často zpřesněn díky používání rastrových editorů. Stínovaný reliéf je v topografických mapách tvořen v šedých odstínech, zatímco barevné varianty se stále často nacházejí ve školních atlasech.

O stínování

Kóty ani vrstevnice neposkytují dostatečný prostorový vjem. Obraz reliéfu je tedy nutné doplnit stínováním (Veverka a Zimová, 2008). Pojem stínování je všeobecně rozšířený termín, ale přesnější označení je tónování z důvodu podobnosti s měnícími stíny ve skutečné krajině (Čapek a kol., 1992). V české literatuře (např. John, Gojda, 2013) se můžeme setkat i s cizojazyčným termínem hillshade, popř. hill-shading.

Hlavní funkcí stínování je dodat mapě plastičnost a navodit prostorový vjem (Čapek a kol., 1992). Díky stínovanému reliéfu získáme rychlou představu o členitosti terénu (Horn, 1981). Vyjádření terénu stínováním se přibližuje leteckému pohledu, a proto by výškopis podaný touto formou měl být pro laickou veřejnost srozumitelnější než vrstevnice či barevná hypsometrie.

Hlavní podstatou metody je představa, že na určité pozorované území dopadají světelné paprsky z imaginárního zdroje světla a nahrazují sluneční záření. Intenzita tónu závisí na úhlu dopadu paprsku. V místech, kam paprsky dopadají kolmo, jsou znázorňovány nejsvětlejší tóny, naopak v oblastech, kam paprsky vůbec nedopadají, jsou tóny nejtmavší (Čapek a kol., 1992).

Na rozdíl od vrstevnic, stínování a stinné tóny nemůžou vyjádřit povrch s metrickou přesností, jelikož mají pouze vizuální charakter. Pro zobrazení povrchu je lepší gradace tónu než sítě vrstevnic. Odhalí se tak jednotlivé tvary a zároveň dochází k představení povrchu (Imhof, 2007). Stínovaný reliéf je vhodným doplňkem vrstevnic, které poskytují přesné nadmořské výšky, ale často vyžadují důkladné prověření (Horn, 1981). Na druhé straně může být stínovaný reliéf použit i samostatně, bez vrstevnic (Imhof, 2007).

Mapa se stínovaným reliéfem se využívá pro případ, kdy má uživatel mapy málo času na čtení nebo není kartograf. V minulosti i současnosti bylje stínovaný reliéf využíván převážně na mapách menších měřítek. Pokud by byl členitější reliéf v mapě malých měřítek zobrazován pomocí vrstevnic, mohla by vzniknout nepřehledná spleť čar. Stínování se používá pro vizualizaci převážně hornatých území, díky němuž je rozeznání terénních detailů snadnější. V podhorských oblastech či nížinách se nachází často i další obsah (např. silnice, domy), tudíž by zde stínovaný reliéf značně ztížil čitelnost mapy. Z tohoto důvodu se stínování u rovinatějších oblastí upravuje. (Horn, 1981).

Stínování, resp. tónování, je založeno na odrazu světla od různě skloněných a orientovaných ploch. Často je simulováno stíny vrhanými reliéfem při různém směru osvitu. Podle (Imhof, 2007) lze stínování v kartografii rozdělit do tří kategorií.
  1. Stínování svahů (slope shading) se stupňujícími se tóny podle principu “the steeper, the darker”, což znamená čím prudší tím tmavší.
  2. Šikmé stínování (oblique shading nebo hillshading), kde kvalita tónu odpovídá souhře stínů používajících se k vyrovnávání ploch v šikmém světle.
  3. Kombinované stínování (combined shading), které kombinuje stínování svahů a šikmé stínování.
Stínování svahů (slope shading)

Stínování svahů (Imhof, 2007) nebo Sklonové stínování (Čapek a kol., 1992), funguje na principu “the steeper, the darker”, což znamená čím prudší, tím tmavší. Síla tónu je přímo úměrná úhlu sklonu. Tento typ stínování může být použit pouze v omezené míře. Pokud bychom chtěli ukázat pětistupňovou gradaci od 0° do 60°, pak by bylo potřeba vytvořit 12 intervalů. Taková diferenciace by nebyla možná u tištěných map, které měly pouze jednu stínící desku. I kdyby to bylo technicky proveditelné, čtenář by nebyl schopen rozlišovat tyto jemné přechody a to zejména v extrémně zatížených vnitřních oblastech mapového listu. Stínování svahů nepůsobí dostatečně plasticky, a proto se samostatně nepoužívá (Čapek a kol., 1992).

Šikmé stínování (oblique shading nebo hillshading)

Správného směru osvitu modelu docílíme tak, že si jej buď zkusíme cvičně nasvítit, nebo si jej jednoduše představíme. Je důležité, aby se stínování co nejvíce přibližovalo skutečnosti, která se pak přenese do mapy. Pochopení stínování souvisí s každodenním životem. Uživatelům se lépe orientuje v dobře vytvořených mapách se stínovaných reliéfem než v mapách s jinými metodami kartografických reprezentací (Imhof, 2007). Na rozdíl od stínování svahů může být totéž území stínováno mnoha způsoby podle toho, ze které světové strany se model osvětluje (Čapek a kol., 1992). Toto stínování vyvolá neobyčejně účinný a plasticky působící obraz (Boguszak, Šlitr, 1962).

Přirozené (nasvětleno z jihu)

Přirozené šikmé stínování simuluje reálné osvětlení slunečním zářením (na území ČR od jihu pod úhlem maximální kulminace Slunce).

Existuje několik důvodů, proč by bylo vhodnějšéí využívat přirozené osvětlení (z jihu). Mezi nejčastější argumenty patří například vyšší hustota zalidnění na jižních svazích. Tato sídla by na mapě osvětlené z jihu byla lépe viditelná. Nicméně velmi důležitým faktem je, že většina uživatelů je zvyklá na osvětlení ze severozápadu, a proto by mapu osvětlenou z jihu vnímali jako negativ, jak uvádí Imhof (2007).

V kartografickém kontextu lze inverzní reliéf v mapách se stínovaným reliéfem s jižním osvětlením do určité míry zmírnit dobrým designem, např. bohatým stínováním a barvami (Imhof, 2007). Imhof navrhl zvýraznění osvětlených svahů žlutým tónem. Dále navrhl přidání řek či vegetace. Některé vlastnosti, například strmost, mohou ovlivnit vnímání efektu inverzního terénu. Podle Patterson (2016) dochází k inverznímu vnímání zejména: "když světlo svítí kolmo k reliéfu", "když se lineární tvary nachází uprostřed pláně" nebo "když je údolí vidět lépe než hřeben”.

Konvenční (nasvětleno ze severo-západu)

Již dlouhá desetiletí je používám směr osvitu ze severozápadu pod azimutem 315°, kde je velikost úhlu světelného zdroje ku osvětlované ploše 45°. Toto pravidlo bylo navrženo na základě odborných pozorování kartografů. I když tato situace reálně nemůže nastat na severní polokouli nastat, je toto osvětlení z fyziologického hlediska pro vnímání plasticity nejlepší (Kleffner, Ramachandran, 1992).

Bylo prokázáno, že lidský vizuální systém vnímá světlo nejpřirozeněji shora (z důvodů přírodních světelných zdrojů, jako je Slunce nad námi). Imhof (2007) směr osvitu spojuje s tím, že lidé píší zprava doleva, a proto je světlo na levé straně ruky, která drží pero a pravá strana je ve stínu a zakrývá papír. Osvětlení z levého horního rohu se využívalo již na starých mapách při kreslení skal a rozšířilo se v 16. a 17. století jako součást šrafování a kopečkové metody. Tento směr osvětlení je tak zakořeněn, že i některé mapové značky mají zakreslen odpovídající stín (Čapek a kol., 1992).

Biland a Çoltekin (2016) zkoumali směr osvitu a efekt inverzního terénu. Tito švýcarští vědci zkoumali, zda je směr osvitu 337,5° je přesnější než 315°. Tato studie byla replikována v rámci této bakalářské práce.

Kombinované stínování (combined shading)

Třetí způsob stínování kombinuje stínování svahů se šikmým stínováním unikátním způsobem. Tento proces je mnohem starší než šikmé stínování, ale je stejně staré jako stínování svahů.

Kombinované stínování je velmi zvláštní metoda skládající se ze dvou částí. Na jedné straně je přímo vnímán obraz a na druhé straně je vnímán fiktivní či abstraktní prvek. Nelze však ignorovat značné praktické hodnoty této techniky (Imhof, 2007).

V historii vynikaly Švýcarské mapy se stínovaným reliéfem a to hlavně díky jejich čistotě. Vysokohorská pohoří mají větší trojrozměrný efekt díky lepší návaznosti barev prezentující jak plytší, tak strmější území. Bílé plochy jsou tradičně vnímány jako ploché oblasti a údolí. V těchto níže položených místech začíná stínování na obou stranách. Obrysy a oblasti lesních textur jsou nápomocné při představě forem terénu, které mají být vidět v krajině. Výhodou tohoto stínovaní je, že ploché, často silně usazené plochy, zůstanou beze změny tónu. Z toho důvodu je tato metoda používaná hlavně v mapách malého měřítka. (Imhof, 2007). Kombinované stínování je nevhodnějším a nejpoužívanějším druhém tónování (Čapek a kol., 1992).

Template from Quackit.com | Copyright © Martin Gabryš 2017 | Kontakt