Shaded relief con Mirone


Shaded relief

La tecnica cartografica dello shaded relief si ispira al chiaroscuro degli artisti rinascimentali e fu sviluppata da cartografi austriaci e svizzeri per evidenziare le differenze topografiche fra differenti zone (Burrough & McDonnell, 1998). Essa si basa sul differente grado di riflessione di superfici con inclinazioni variabili rispetto ad una stessa fonte di illuminazione, che viene assunta puntiforme e situata ad una distanza infinita.
L’utilità degli shaded relief è duplice:



  • permettono una ottima resa estetica della rappresentazione cartografica della topografia
  • evidenziano efficacemente le strutture topografiche, anche in funzione della direzione ed inclinazione della fonte luminosa adottata.


I parametri topografici utilizzati per calcolare uno shaded relief sono i valori locali dell’inclinazione e dell'orientazione rispetto al nord geografico (esposizione, aspect) della superficie topografica. In generale non vengono considerati gli effetti di ombreggiamento di una zona su un’altra.

Sono poi  da definire le caratteristiche della fonte di illuminazione. Considerando una sorgente di illuminazione unidirezionale a distanza infinita, la sua orientazione sarà data dall' azimuth che forma rispetto al Nord della mappa (da 0° a 360°) e dalla sua inclinazione rispetto al piano orizzontale, da 0° a 90°. I valori di default sono fissati a 315° e 45° rispettivamente, ma possono essere modificati quando si vogliono enfatizzare strutture con orientazione differente da quella NE-SW. Usando un valore basso di inclinazione anche le strutture con minore rilievo vengono enfatizzate, ma quelle con maggiore rilievo, se presenti, possono diventare troppo marcate. Incrementando il valore di inclinazione l'enfasi di tutte le strutture diminuisce progressivamente.

A seconda del modello di illuminazione, sono poi da considerare altri parametri.

La luce ambientale (
ambient light) è una sorgente di luce diffusa e adirezionale.  E' una proprietà ambientale quindi indipendente dal tipo di materiale che subisce il processo di riflessione.

La riflessione diffusa (
Lambertian/diffuse reflection)  assume una superficie ideale che riflette tutta la luce che la raggiunge e questa riflessione avviene in maniera uniforme in tutte le orientazioni. Per un dato materiale è descritta da un parametro con valore nell'intervallo da 0 a 1.

Nella riflessione speculare (
specular reflection) la riflessione avviene solo lungo la direzione di incidenza del raggio, analogamente a quanto avviene negli specchi. Il coefficiente di riflessione speculare varia tra 0 e 1.

Lo 
specular shine regola l'ampiezza della zona con la riflessione speculare: valori bassi contrano la riflessione in zone più piccole con maggiore lucentezza, tendenti al bianco. valori più alti distribuiscono questa lucentezza su zone più ampie, con minore tendenza verso il bianco.

A seconda del metodo, possono essere settabili dall'utente tutti o solo alcuni dei parametri che regolano la luminosità risultante:

  • azimuth del sole
  • inclinazione del sole
  • luce ambientale (Ambient light)
  • diffuse reflection
  • specular reflection
  • specular shine

Mirone presenta due implementazioni della riflessione Lambertiana: 
GMT grdgradient - Lambertian, in cui i soli parametri settabili sono l'elevazione e l'azimuth, e Lambertian lighting in cui possiamo anche modificare la luce ambientale (Ambient light), la diffuse reflection, la specular reflection e lo specular shine.

Il metodo di Peucker è un algoritmo più semplice e veloce della riflessione lambertiana, nella quale i parametri sono prefissati e non modficabili dall'utente (in GMT e presumibilmente anche in Mirone l'azimuth e l'elevazione sono fissi a 315° e 45°).
Gray produce uno shaded relief secondo una scala di grigi, mentre False Color consente di definire tre differenti direzioni lungo le quali viene calcolato il gradiente e l'immagine finale viene composta con tre canali corrispondenti al Red, Green e Blue.



Esempi di applicazione in Mirone

Con Mirone possiamo aprire direttamente un grid ESRI binario, o un grid in formato Erdas Image. Nell'esempio il file è in formato Image e contiene dati SRTM2 a 90 m di risoluzione nominale per la zona sud-occidentale della Toscana.

Mentre la mappa di colori imposta da Mirone è quella a sx nell'immagine sottostante,  possiamo facilmente cambiare la scala di colore in questa maniera:
Image -> Color Palettes -> Change Palette e nel caso specifico abbiamo applicato:
MR -> Terre







Possiamo impostare lo shading dall'icona  (montagna e sole..), che troviamo a destra.

Proviamo a vedere come cambia la visualizzazione di alcuni rilievi di origine vulcanica, come il Monte Amiata ed il Lago di Bolsena.


Usiamo i casi del 
GMT grdgradient - Peucker e Gray. Ovviamente nel caso della scala di grigi, le elevazioni che vediamo rappresentate a dx della mappa non hanno significato.













Le morfologie vengono enfatizzate. Nel caso del Monte Amiata, in alto a sx, si notano nello shaded grigio, anche delle strutture emicircolare incastonate l'una rispetto all'altra, localizzate a Nord della vetta. Queste strutture ricordano quelle presenti nella zona del lago di Bolsena, palesemente originate da collassi delle camere magmatiche parzialmente svuotate.

In questo secondo esempio, si utilizzano dati Aster a 30 m di risoluzione nominale, in coordinate geografiche. La zona comprende la parte meridionale della piana di Foligno, in Umbria: Spoleto si trova circa al centro, lievemente spostato verso il basso, delle due immagini a sx.
Lo shading applicato nelle due immaginiè di tipo Lambertian, con i parametri standard del metodo. Come si nota, le strutture vengono molto enfatizzate con questo metodo. Oltre alle zone di piana e a quelle corrispondenti alle montagne, l'applicazione dell'hillshading permette di riconoscere chiaramente anche strutture geomorfologiche meno evidenti, come le due conoidi di deiezione che si sviluppano circa al centro delle prime due immagini e sulle quali l'ultima immagine rappresenta uno zoom.






















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