Klimatické mapy v atlasové tvorbě – vizualizační charakteristiky

Mgr. Lucie Friedmannová,Ph.D.
Katedra geografie, LGC
MU v Brně, Přírodovědecká fakulta

Kotlářská 2

 611 37  Brno
E – mail:
lucie@porthos.geogr.muni.cz

Abstract

Demands on the automatization of cartographic outputs at maximum level with contemporary preservation their quality, leads to effort to determinate right visualization for individual themes. One of the easiest ways, how to automating cartographic visualization in the frame of desktop GIS, is cartographic tradition usage.

The aim of the paper is to establish optimal rules for visualization of selected climatologic characteristics by analyzing various atlases. The main accent is put on colors in map content and correctness of diagram usage. Interactions of colors and diagrams are for climatologic map typical. We can find continuous and discrete characteristics on climatic maps together. Issue of topographical base of climatologic map is discussed too. Reason why we need to solve this problem is, that climatic characteristic is not possible to evaluate in administrative boundaries. Necessity of phenomena localization in the map is one of key reasons for display landscape skeleton. Topographical base and thematic layer interaction is one of the aspects that are noticed too.

Paper is the part of project of Grant Agency of The Czech Republic number: 205/00/D019

Abstrakt

Požadavek na maximální možnou automatizaci kartografických výstupů z desktop GIS současně se zachováním jejich kvality, vede ke snaze stanovit optimální vizualizační charakteristiky pro  jednotlivá témata. Využití tradice, které má klasická kartografie v oblasti vizualizací, je jednou z nejpřirozenějších cest jak automatizovat kartografickou vizualizaci v rámci desktop GIS.

Příspěvek si klade za cíl prostřednictvím analýzy vizualizačních prostředků použitých v atlasových dílech nejrůznější provenience stanovit optimální pravidla pro vizualizaci vybraných klimatologických charakteristik. Hlavní důraz je kladen na význam barvy v mapovém obsahu a vhodnost používaní diagramů pro znázornění klimatických charakteristik. Klimatologické mapy jsou příznačné právě interakcí těchto dvou vyjadřovacích prostředků. Současně zde nalezneme jak jevy typicky  kontinuální tak diskrétní. Podstatnou se také jeví problematika topografického podkladu klimatologických map. Klimatické jevy nelze prakticky vyhodnocovat v administrativních hranicích a proto je zobrazení základní kostry krajiny nutné pro orientaci na mapách prakticky všech měřítek. Interakce podkladu s tématikou je dalším aspektem, kterým se okrajově  příspěvek zabývá.

Příspěvek je součástí grantu GA ČR číslo: 205/00/D019.

1. Charakteristika tématu

Klimatologie, jako věda založená především na statistickém zpracování empirických údajů, má dva základní požadavky na vizualizaci. Prvním z nich je zobrazení změny měřených prvků v čase a druhým zobrazení proměnlivosti prvků v prostoru. Pro časové změny se jako nejnázornější používají různé typy grafů (v kartografii známé spíš pod označením diagramy),  pro změny prostorové jsou pak využívány mapy. Vzhledem k tomu, že měření jsou prováděna v  nepravidelné konfiguraci bodů a současně se jedná o kontinuální jevy, je nutné hodnoty interpolovat. Vymezené hranice pak mají stochastický průběh. Jejich hlavní charakteristikou je však naprosté nerespektování hranic vymezených člověkem – tedy nemožnost vyhodnocování jevů v administrativních hranicích. Z toho vyplývá nutnost topografického podkladu s bohatším obsahem, než je tomu  například u map s demografickou náplní.

V klimatologii lze nalézt jak jevy s kontinuálním charakterem (teploty, sluneční svit), tak jevy svou podstatou diskrétní (srážky). K vybraným charakteristikám zpracovávaným do podoby map patří:

1)      teplotní charakteristiky

a.       průměrná roční teplota

b.      průměrná teplota jednotlivých měsíců(charakteristické měsíce jsou zejména leden a červenec)

c.       počet charakteristických dnů podle extrémních teplot vzduchu (ledové, mrazové, letní, …)

d.      počátky a konce období s danou teplotní charakteristikou (počátek období s průměrnou denní teplotou 5oC a vyšší …) …

2)      srážkové charakteristiky

a.       roční úhrn srážek

b.      úhrn srážek za jednotlivé měsíce

c.       úhrn srážek v letním / zimním období

d.      intenzita srážek

e.       počet dnů se srážkami (1mm a vyššími, se sněhem, s bouřkou …) 

3)      charakteristiky spojené se slunečním zářením a oblačností

4)      fenologické charakteristiky (kvetení lísky …)

5)      charakteristiky související s prouděním vzduchu (četnosti a směry větrů – zpracovává se pomocí kartodiagramů)

6)      …..

 

Do map jsou zpravidla vynášeny průměry charakteristik za delší období (v klimatologii je obecně uznávané jako ideální období měření 30 let,  často se však používají i kratší období). Ve vybraných bodech je možné mapu obohatit o časovou řadu prvku (typickým příkladem může být mapa rozložení průměrné roční teploty, obohacená o digramy ročního chodu teploty).

 

2. Způsoby vizualizace

 

Pro většinu výše zmíněných klimatických charakteristik (s výjimkou charakteristik proudění vzduchu) je obvykle používaným způsobem vizualizace izopletová mapa. Pro izopletové (někdy též izoliniové) mapy platí obdobná pravidla jako pro  kartogramy. Hlavním vyjadřovacím prostředkem je barva, metoda znázornění je areálová. Na rozdíl od kartogramů je zde nutný topografický podklad.

S ohledem na  charakter zobrazovaných jevů lze topografický podklad zredukovat na:

-         říční síť

-         státní hranice

-         významná sídla

-         orografie řešená popisem areálu

Důvody k výběru těchto prvků jsou  - říční síť tvoří kostru reliéfu a jako taková je základním orientačním prvkem v případě zpracovávání témat fyzické geografie. Státní hranice vymezují základním způsobem antropogenní jednotky. Významná sídla – mohou být klima ovlivňujícím faktorem, ale především zpřesňují orientaci tam, kde říční síť nepostačuje. Orografie je jedním z klimatotvorných faktorů.

Nad vrstvu topografického podkladu je nanesena tématická izopletová mapa, obvykle s detekovatelnými izoliniemi příslušného jevu (izotermy, izohiety …), které tvoří hranice intervalů. Pro vizualizaci bývají využity  jednoduché barevné škály, hranice je zvýrazněná. Textury se prakticky nepoužívají.

U jevů s charakteristickým teplotním podtextem (jako jsou mapy rozložení teplot, které teplotní orientaci mají přímo v názvu) není teorie teplotního spádu barev vždy plně využita.

Skutečnost, která na klimatických mapách nejvíce snižuje čitelnost je snaha použít co nejvyšší počet intervalů pro charakterizaci jevu. Tím pádem nelze využívat melodické (dvoutónové) škály, které by nejlépe odpovídaly struktuře jevu, ale nastává zde nutnost použít spektrální škály.

 V atlasové tvorbě lze vysledovat tři trendy, jak vyřešit  vizualizaci většího počtu map s příbuznou tématikou.:

-                          pro všechna subtémata je použit jeden typ škály (obvykle se jedná o spekrální nebo polospektrální škálu)

-                          pro skupiny témat jsou generovány zvláštní škály (teplotní charakteristiky, srážkové charakteristiky …)

-                          pro každé jednotlivé téma (mapu) je vygenerována zvláštní škála

Jak bylo zmíněno výše, má klimatologie výrazný časový aspekt. Uvnitř přirozených skupin témat, jako jsou  teplotní nebo srážkové charakteristiky, lze vytvářet mapy s jedním tématem, ale různým časovým aspektem (teploty v lednu, únoru,…). I zde jsou různé přístupy k využití barevných škál:

-                          škála s plovoucími hodnotami - tatáž škála (ne nutně celá) je použita pro vizualizaci všech  map, nezávisle na časové a tedy i hodnotové proměnlivosti jevu. Z toho vyplývá, že škála má plovoucí hodnoty – podle potřeby tématiky je celá škála posunuta do příslušných hodnot (viz obr.1a).

-                          škála s fixními hodnotami –  je vygenerována rozsáhlá škála obsahující celý obor hodnot, jichž charakteristika dosahuje v čase (viz obr.1 b).

 

Obr č. 1 – Interpretace proměnlivosti hodnot charakteristiky v závislosti na čase

 

Oba přístupy mají kladné i záporné aspekty. V prvním případě lze díky nepříliš vysokému počtu intervalů dosáhnout opravdu kvalitní škály i při použití dvou odstínů barev. Taková škála je použitelná jak pro mapy v tištěné podobě, tak je využitelná i pro elektronické publikování. Díky použití omezeného počtu barev pro vytvoření jedné škály je umožněna větší proměnlivost barevnosti mezi skupinami témat, než by tomu bylo při použití spektrální škály. Nevýhodou prvního přístupu je ztráta informace o absolutní proměnlivosti hodnot v čase (zůstává pouze proměnlivost prostorová).

V druhém případě je velmi názorná proměnlivost charakteristiky v čase (při zpracování např. teplot po měsících – barevnost map se posunuje podle výše hodnot). Při vysokém počtu intervalů však může dojít k situaci, kdy jsou jednotlivé mapky takřka jednobarevné – dochází ke stížení čitelnosti prostorové proměnlivosti jevu.

Najít lze i kombinaci obou výše zmíněných přístupů. V tom případě dochází pouze k částečnému posunu oboru hodnot po škále, která díky nižšímu počtu potřebných intervalů zůstává přehledná. Částečný posun škály  po spektru pak zajišťuje názornost posunu hodnot v čase.

 

3. Tvorba vizualizační databáze

 

Pro stanovení optimálních vizualizačních charakteristik bylo potřebné zjistit a vyhodnotit praktické zvyklosti zobrazování zmiňované  tématiky (tradice), srovnat je s teoretickým základem (ideální vizualizace) a vyhodnotit použitelnost tradičních způsobů vizualizace. Během výzkumu bylo zjištěno,  že jedinou tradiční vizualizací je používání spektrálních škál a částečné využívání teplotního aspektu barev. Pro stanovení optimální vizualizace je tedy otevřené poměrně široké pole. Zpracování dosavadní tvorby bylo (a stále ještě je) prováděno pomocí odečítání použitých barevných škál prostřednictvím vzorníku barev PANTONE. Byl zvolen vzorník pro CMYK tisk. Z toho vyplývá, že v případě tisku přímými barvami, jak tomu někdy u atlasů bývá, nemusí být interpretace barvy stoprocentní. Ukázku části databáze se záznamem barevných škál lze vidět v Tabulce č. 1.

 

 

Téma

Typ škály

Barevné

schéma

Interval (barevný kód – C/M/Y/K)

1

2

3

4

5

6

Roční úhrn srážek

min/max

Y/B

0/5/50/0

0/10/35/3

10/0/25/0

30/0/20/3

40/5/20/5

50/5/15/25

Úhrn srážek v lednu

min/max

Y/B

0/5/50/0

0/10/35/3

10/0/25/0

30/0/20/3

40/5/20/5

---

Počet dnů se srážkami

min/max

Y/G/B

0/10/35/3

10/0/25/0

30/0/20/3

---

---

---

Úhrn srážek v červenci

min/max

R/Y/B

0/5/50/0

0/10/35/3

10/0/25/0

30/0/20/3

40/5/20/5

50/5/15/25

Max. sněhové pokrývky

min/max

R/Y/B

0/5/50/0

0/10/35/3

10/0/25/0

30/0/20/3

40/5/20/5

40/5/15/25

Rozdíl srážek v IX. a X.

centr

R/Y/B

0/5/50/0

0/10/35/3

10/0/25/0

30/0/20/3

40/5/20/5

50/5/15/25

Počet dnů se sněh. Pokrýv.

min/max

Y/G/B

0/10/35/3

10/0/25/0

30/0/20/3

---

---

---

Tabulka č. 1 –Ukázka části databáze barevných škál

 

Do této chvíle bylo částečně zpracováno 13 atlasů, z toho je 7 atlasů národních, zbytek jsou tématické atlasy. Největší pozornost byla věnována národním atlasům České Republiky (Atlas RČS, 1935 a Atlas ČSSR, 1966) a Atlasu SSR, 1980 z důvodu zaměření na českou kartografii. Spolu s údaji o barevných škálách jsou v databázi udržovány i metainformace o zdrojových atlasech a do budoucna se počítá i s obohacením databáze o metody zpracování zdrojových dat tématických map.

4. Závěr

Není nijak jednoduché stanovit výsledná  doporučení pro vizualizace klimatologických charakteristik. Ze studia atlasové tvorby zaměřené na tuto problematiku lze jasně vymezit skupiny témat (subtémata), sdružující vždy větší počet map (izopletových, diagramových), u nichž by bylo užitečné je na jednu stranu pomocí ustálené vizualizace vyčlenit jako skupinu a na druhé straně je prostřednictvím této vizualizace sjednotit v rámci této skupiny.

Nejčastěji byly zmiňovány mapy  teplotních a srážkových charakteristik. Tyto charakteristiky také patří k nejčastěji se vyskytujícím se, současně se jedná o kompaktní skupinu témat, dostatečně strukturovanou a známou. Je chybou používat tytéž (nebo obdobné) barevné škály pro obě skupiny. Jedno z možných řešení, jak odlišit skupinu témat srážek a teplot je na Obr. č. 2.

Obr. č. 2 – Ukázka řešení mapy teplot (vlevo) a srážek (vpravo) při dodržení požadavku na jasné barevné odlišení skupiny témat a současné zachování teplotního (vlhkostního) spádu barev (teploty modrá-chlad/červená-teplo, srážky zelená-vlhko/žlutá-sucho)

 

Navrhované řešení (použití duotónových škál) počítá i s možností „ostrého přechodu“ – do místa, které je z hlediska charakteristiky podstatné (střední hodnota …) je umístěn přechod z oblasti jednoho tónu do druhého a tím pádem místo škály minimo-maximální získat škálu centrální.

Tento článek je součástí širšího výzkumu, orientovaného na vizualizační charakteristiky obecně a jako takový je součástí grantu GA ČR číslo: 205/00/D019. Úzce navazuje na projekt kartografického systému Laboratoře geoinformatiky a kartografie při Katedře geografie Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně „CASTOR“.

Literatura

Chu, G.: Color selection and specification in map quality control: crossing different digital color systems, In: Proceedings ICC 1997, vol.3, str.1502-1509.

Drápela, M.V.: Vybrané kapitoly z kartografie, SPN, 1983, 128s.

Friedmannová, L.: Multiconditional  Visualization of Geographic Data. In: GI in Europe: Integrative – Interoperable – Interactive, proceedings of 4th AGILE Conference on geographic Infromation Science, ed.: Konečný M., Brno 2001, s.726-731.

 

Friedmannová, L.: Automatizovaná tvorba barevných škál pro WWW kartografickou vizualizaci v GIS. In: GIS Ostrava 2001. Ostrava : VSB - TUO, 2001. 6 s. GIS Ostrava 2001.

 

Friedmannová, L.: Transformace tématických mapových děl z analogové formy do formy digitální, Disertační práce, MU Brno, 2000, 126s.

Friedmannová, L.: Srovnání barevných modelů z hlediska jejich využití v digitální kartografii. In Integrace prostorových dat - Olomouc 99 - sborník příspěvků. Olomouc : ed.: Voženílek, V., 1999., s. 78-85.

 

Friedmannová, L., Staněk, K.: Desktop GIS and Cartographic Visualisation. In GIS: Information Infrastructures and Interoperability for the 21th Century Information Society - Proceedings. Brno (Czech Republik) : ed.: M.Konečný, 1998., s. B3-29-5. sv.II.

 

Friedmannová, L., Staněk, K.: Publikace kartografických výstupů na WWW. In GIS Ostrava 99 - sborník referátů. Ostrava (Czech Republic) : ed.: P. Rapant, 1999., s. 212-215.

 

Jones, CH.: GIS and Computer Cartography, Longman, 1997, 319s.

Kaňok, J.: Kvantitativní metody v geografii: grafické a kartografické metody, Ostravská univerzita, 1992, 233s.

Keates, J.S.: Understanding Maps, Longman, 1996, 334s.

Kraak, M.J., Ormeling, F.J.: Cartography, Longman, 1996, 222s.

Lammens, J.M.G.: A Computational Model of Color Perception and Color Naming, Disertační práce, State University of New York at Buffalo, 1994, 253s.

Monmonier, M.: Proč mapy lžou, Computer Press, 2000, 221s.

Murdych, Z.: Koncept a kresba map, SPN, 1978, 151s.

Parramón, J.M.: Teorie barev. Svojtka a Vašut, 1995, 112s.

WWW.color.org: International Color Consorcium

 

Robinson A.H., Morrison J.L.: Elements of Cartography, John Wiley and sons, Inc., 1995, 674s.

 

Zpracovávané atlasy

 

Atlas ČSSR, ČAV a Ústřední správa geodesie a kartografie, 1966

 

Atlas ČSSR, Geodetický a kartografický podnik v Praze, 1984

 

Atlas ČSSR, Kartografie Praha, 1972

 

Atlas of Britain and Notherh Ireland, Clarendon Press, Oxford 1963.

 

Atlas of Finland, The Geographical Society of Finland and Department of geography, helsinky University, helsinki, 1960.

 

Atlas of Israel, The department of surveys, Ministry of Labour and the Bialik Institute, Jerusalem, 1956.

 

Atlas podnebí Československé republiky, Ústřední správa geodesie a kartografie, 1958

 

Atlas SSR, Slovenská akadémia ved, 1980.

 

Atlas RČS, Česká akademie věd a umění, Praha, 1935

 

Fyziko-geografičeskij atlas mira, akademia nauk CCCR, Moskva, 1964.

 

Narodowy atlas Polski, Polska Akademia Nauk, Instytut geografii, Wroclav, 1973-1978

 

Školní atlas světa, Kartografie Praha, Praha, 1994.

 

Velký atlas světa, Kartografie Praha, Praha, 1995.