Wikipédia:Atelier graphique/Didacticiels cartographiques/Didacticiel d'optimisation des ombres du relief

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L'objet de ce didacticiel est d´optimiser l'image des ombres d'un relief issue d'un modèle numérique de terrain (MNT) et créée avec le logiciel 3DEM ou GRASS GIS.

Dans de nombreux cas, une source d'illumination unique de la scène ne permet pas de mettre en évidence les formes principales d'un relief, en particulier si celui-ci est orienté Nord-Ouest – Sud-Est, donc dans l'axe de la lumière principale. Afin d'améliorer le rendu, nous allons déplacer la position du Soleil virtuel dans la carte et créer trois vues qui seront assemblées pour réaliser une image composite de l'ombrage destinée à s'intégrer dans la carte envisagée.

Cette page propose une seconde optimisation qui s'appliquera aux cartes générales couvrant un pays. Si pour une carte à grande échelle, sensiblement à la résolution des MNT issus des fichiers de la Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), chaque détail du relief est utile et clairement visible en raison de l'échelle, cela peut nuire à la lecture d'une carte plus générale pour laquelle ce sont davantage les formes principales qui importent. Pour cela, la seconde partie de ce didacticiel montre comment réduire le niveau de ces détails.

Sommaire 1 Les outils 2 Sources des données 3 Création des images du relief ombré 3.1 Avec GRASS GIS 3.2 Avec 3DEM 4 Mise en valeur des formes du relief 4.1 Pour en savoir plus 5 Réduction du niveau de détail du relief ombré 5.1 Pour en savoir plus 6 Notes

[modifier] Les outils

• 3DEM (version utilisée : 20.0) : éditeur SIG gratuit et simple d'utilisation avec lequel seront créées les trois cartes des ombres du relief ;

ou :

• GRASS GIS (version utilisée : winGRASS 6.3.0RC6) : logiciel SIG libre multi plate-formes puissant mais plus délicat à manier ;

• GIMP (version utilisée : 2.2.13) : éditeur bitmap qui va permettre d'optimiser les ombrages du relief ;

[modifier] Sources des données

• NASA Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Digital Elevation Model (DEM ; en français : modèle numérique de terrain – MNT) :

Ce sont des fichiers bitmap versés dans le domaine public, compressés au format .zip, qui contiennent les données topographiques numérisées de la région considérée. La zone couverte par les MNT issus de la SRTM s'étend de 56° de latitude Sud à 60° de latitude Nord. Il est nécessaire de les décompresser avant de pouvoir les utiliser dans 3DEM. Il y a trois types de fichiers SRTM :

• SRTM1 (site ftp de téléchargement) : ce sont les données les plus précises avec une résolution d'une seconde d'arc (31 m à l'équateur) mais qui ne sont disponibles que pour les États-Unis et leurs dépendances. Chaque fichier représente un rectangle d'un degré d'arc de côté référencé suivant les coordonnées du coin inférieur gauche^[1].
• SRTM3 (site ftp de téléchargement) : précision de trois secondes d'arc (93 m à l'équateur) qui couvrent toutes les terres émergées comprises entre les latitudes indiquées plus haut. Type de fichiers et références identiques aux SRTM1. Ce sont ces données qui seront le plus souvent utilisées car couvrant la majorité des besoins au sein de Wikipédia.
• SRTM30 (site ftp de téléchargement) : précision de 30 secondes d'arc (926 m à l'équateur), adaptés pour les cartes couvrant plusieurs pays ou un continent.

Chaque carte couvre une région de 50° en latitude sur 40° en longitude référencée suivant les coordonnées du coin supérieur gauche. Chacune d'elle est contenue dans un répertoire spécifique qui regroupe un ensemble de 12 fichiers. Seuls 10 d'entre eux nous sont utiles, à l'exception des fichiers *.jpg.zip et *.gif.zip qui ne sont que des images de prévisualisation. Ces 10 fichiers devront tous être téléchargés et décompressés avant d'être utilisés dans 3DEM. Dans ce logiciel, sélectionner l'option GTOPO30 Tile puis dans la nouvelle fenêtre représentant la carte du monde, centrer le cadre sur la région d'intérêt et spécifier comme projection Lat/Lon. Naviguer dans l'arborescence et sélectionner le fichier .DEM.

[modifier] Création des images du relief ombré

[modifier] Avec GRASS GIS

1. Ouvrir GRASS et entrer dans le projet suivant une projection UTM. Lancer le module r.shaded.relief (Raster -> Terrain analysis -> Shaded relief).

2. Dans la fenêtre du module, cliquer sur le bouton du champ Input elevation map: et sélectionner la carte du MNT qui a auparavant été importée au sein de GRASS. Par défaut, GRASS utilise un éclairage venant de l'Ouest (270° - de la gauche), mais en cartographie la norme veut que l'illumination vienne du Nord-Ouest (coin supérieur gauche). Cet éclairage, impossible dans la réalité pour l'hémisphère Nord, est devenu une convention et évite en particulier l'illusion d'optique d'inversion du relief pour laquelle on a l'impression de voir des vallées comme des montagnes et inversement. Dans le champ Output shaded relief map name:, entrer un nom pour la première carte des ombres qui sera créée, par exemple Ombres_315. Dans le champ Altitude of the sun..., spécifier une valeur d'environ 60°. Pour l'azimut, entrer 315 et laisser le facteur d'exagération à 1, sauf si le terrain est particulièrement plat ce qui entraînerait des ombres peu visibles. Cliquer sur le bouton Run pour lancer l'opération qui est détaillée dans la fenêtre Output - GIS.m.

3. Quand l'opération est achevée (indiquée par la phrase : « Shaded relief map created and named <Ombres_315>. »), vous pouvez afficher un aperçu de ces ombres pour vérifier si l'aspect est correct (hauteur du Soleil et donc luminosité de la carte, facteur d'exagération du relief, etc.) : dans la fenêtre de gestion du logiciel, créer une couche bitmap puis cliquer sur le bouton Base map: et sélectionner le fichier Ombres_315. Dans la fenêtre Map Display 1, cliquer sur le bouton Display active layers pour afficher la carte.

4. Dans la fenêtre du module r.shaded.relief, modifier l'azimut en spécifiant une position d'éclairage à 275°. Corriger le nom du fichier de sortie pour Ombres_275 puis cliquer sur le bouton Run. Répéter l'opération pour une position d'éclairage à 355°. Fermer le module.

5. Exporter la première carte des ombres au format PNG : File -> Export raster map -> PNG. Dans la fenêtre du module, cliquer sur le bouton et sélectionner le fichier Ombres_315. Dans le champ Name for new PNG file:, remplacer l'expression <rasterfilename> par Ombres_315 puis cliquer sur le bouton Run. Le fichier est enregistré par défaut dans le répertoire C:\GRASS.

6. Exporter aussi les deux autres cartes des ombres après avoir modifié les champs. Quitter GRASS.

[modifier] Avec 3DEM

Note : Les points 1 à 6 sont déjà traités dans le didacticiel de création de carte du relief bitmap. Si le relief ombré est destiné à ce type de carte que vous êtes en train de créer, vous pouvez directement passer au point 7.

1. Ouvrir 3DEM. Cliquer sur File -> Load Terrain Model (1). Sélectionner l'option SRTM Data (2) puis dans la nouvelle fenêtre l'ensemble des fichiers .hgt. Confirmer avec Ouvrir.

2. Le MNT comportant des pixels sans informations^[2], il est nécessaire de les remplir : appuyer sur F7 et sélectionner grâce à la souris l'ensemble de la carte (1). Confirmer avec Enter. 3DEM remplit ces pixels en interpolant les valeurs des pixels adjacents (2).

3. Modifier la projection : Operation -> Change Projection -> Convert to UTM Projection (1). Sélectionner l'option WGS84 (2) qui est le système géodésique utilisé par les fichiers SRTM. Valider. La carte est retracée et les méridiens, auparavant parallèles, sont à présent convergents vers les pôles.

Note : Les captures d'écran suivantes montrent la carte avec les couleurs de la convention colorimétrique de la Wikipédia-fr, étape qu'il n'est pas nécessaire de réaliser ici.

Modification de la projection	La carte suivant une projection UTM

4. Si en validant apparaît un message indiquant que la carte est trop grande et qu'il faut d'abord la redimensionner, c'est que votre carte couvre plus d'un fuseau UTM, opération de fusion que 3DEM n'est à l'heure actuelle pas capable de traiter. Il est alors nécessaire de redimensionner la carte : appuyer F8 et sélectionner avec la souris une zone moins large sur toute la hauteur de la carte puis valider avec ENTER. Procéder à la modification de la projection comme indiqué au point 3. Cette action devra être répétée pour l'autre partie de la carte en rechargeant les MNT correspondants dans 3DEM et les opérations reprises depuis le point 1.

5. Redimensionner la carte : appuyer sur F6 et déplacer le curseur jusqu'aux valeurs largeur / hauteur en pixels désirées. Valider.

6. Exporter un aperçu de la carte : vérifier que le quadrillage des coordonnées soit affiché (Geo Coordinates -> Lat-Lon Grid On) (1), aller dans File -> Save Map Image (2) et sélectionner le format jpeg (3), valider et indiquer un nom pour l'image. Enregistrer. Cette carte compressée au format .jpg n'est destinée qu'à servir de référence grâce aux coordonnées pour faciliter les transformations nécessaires sur la carte finale (rotation, alignement des calques, etc.). Supprimer l'affichage du quadrillage des coordonnées (Geo Coordinates -> Lat-Lon Grid Off).

7. Appuyer sur F3 et modifier l'échelle colorimétrique du terrain en spécifiant pour chaque tranche d'altitude une couleur blanche afin de supprimer les informations topographiques.

8. Les MNT de la SRTM ayant un tracé des côtes imprécis^[3], nous allons forcer 3DEM à considérer qu'il n'y a pas d'océan pour éviter des « escaliers » dans le dégradé au niveau de ces zones par rapport au tracé issu des SRTM Water Body Data (SWBD). Dans la section Terrain Type (toujours dans la fenêtre Terrain colors, F3), sélectionner l'option Mountain/Plain : 3DEM appliquera sur toutes les surfaces aquatiques une couleur grise correspondant à la couleur d'une plaine plate sans ombres. Cette méthode est empirique mais adaptée aux besoins dans Wikipédia car rendant pratiquement invisibles ces défauts. Valider.

Détail d'un relief montrant des zones dans le SRTM considérées comme étant des surfaces aquatiques (cerclées de rouge). Ici, la mer dans 3DEM avait une couleur blanche ; le trait de côte et la mer bleue proviennent d'une carte SWBD affichée pour comparaison ; les zones blanches cerclées de vert sont des flancs de montagnes à l'illumination saturée (n'est pas un défaut).	Sélection de l'option Mountain/Plain

9. Modifier l'illumination de la carte : par défaut, 3DEM utilise un éclairage venant du Sud-Ouest (240° - coin inférieur gauche) qui est naturel, mais en cartographie la norme veut que l'illumination vienne du Nord-Ouest (coin supérieur gauche). Cet éclairage, impossible dans la réalité pour l'hémisphère Nord, est devenu une convention et évite en particulier l'illusion d'optique d'inversion du relief pour laquelle on a l'impression de voir des vallées comme des montagnes et inversement. Cliquer sur Color Scale -> Shaded Relief et modifier le champ Deg Azimuth pour 315. Valider.

10. Aller dans File -> Save Map Image, sélectionner le format bmp pour une qualité optimale, et sauvegarder cette image, par exemple sous le nom Ombres_315.

11. Aller à nouveau dans Color Scale -> Shaded Relief et spécifier cette fois dans le champ Deg Azimuth une valeur de 275. Valider puis enregistrer cette image au format BMP sous le nom Ombres_275.

12. Modifier une nouvelle fois la position de l'illumination en indiquant 355. Sauvegarder cette troisième image sous Ombres_355. Fermer 3DEM.

[modifier] Mise en valeur des formes du relief

1. Ouvrir l'image Ombres_315.png (ou .bmp) dans GIMP. Dupliquer ce calque et lui appliquer un mode de fusion < Multiplier > pour renforcer la densité des ombres suivant cet éclairage principal.

2. Ouvrir en tant que calque (CTL + ALT + O) l'image Ombres_275, modifier sa fusion pour < Multiplier > (dans le menu déroulant mode de la fenêtre calques, canaux, chemins) et lui ajouter un masque noir (calques > masque > ajouter un masque de calque).

3. Agrandir l'affichage vers 200 % (affichage > zoom > 200 %). Sélectionner l'outil Pinceau flou d'une taille d'environ 7 pixels et peindre le masque en blanc au niveau des ombres des formes principales du relief orienté sensiblement Nord-Sud afin de rehausser ces lignes.

Rehausser les lignes Nord-Sud du relief	Aspect du masque du calque < Ombres 275 >

4. Répéter les opérations des points 2 et 3 pour l'image Ombres_355 afin de rehausser les lignes Est-Ouest. Prendre garde de ne pas renforcer les ombres sur les flancs opposés d'une même montagne.

5. Enregistrer l'image au format .xcf pour préserver les calques s'il est nécessaire d'effectuer des modifications par la suite. Exporter l'image au format .png afin de pouvoir l'utiliser en tant que calque au dessus de votre carte (consulter le didacticiel spécifique s'appliquant à votre type de carte pour cette opération). Renforcer éventuellement le contraste grâce à l'outil Courbes (CTL + M) – ne pas utiliser l'outil Luminosité-Contraste… qui ne permet pas un contrôle précis de l'opération.

Remarque : Une solution plus simple et rapide est d'additionner les calques avec une fusion Multiplier sans leur ajouter de masque noir, mais cette méthode n'est pas très efficace pour mettre en valeur les formes du relief.

[modifier] Pour en savoir plus

• (en) Reliefshading.com : site présentant les règles graphiques en cartographie et qui traite de la question des ombres du relief.

[modifier] Réduction du niveau de détail du relief ombré

Note : Cette optimisation s'applique aux cartes à petite échelle couvrant une large zone terrestre et montagneuse pour laquelle l'excès de détails perturbe la lecture des formes générales du relief.

1. Ouvrir dans GIMP l'image png du relief ombré optimisé créée précédemment. Noter ses dimensions en pixels. Aller dans Image -> Échelle et taille de l'image…. Spécifier un redimensionnement en < pourcent > et indiquer une valeur de 20 %. Cliquer sur le bouton Échelle pour valider.

2. Ouvrir à nouveau la fenêtre de redimensionnement de l'image et indiquer une valeur de < 500 % > (vérifier que la dimension en pixels indiquée correspond bien à la taille de l'image originale). Ces opérations ont pour effet de diminuer les détails et de rendre peu visibles les petites vallées. Enregistrer l'image sous un nom différent de l'image source. Fermer le document.

Redimensionnement à la taille originale	Aspect de la carte après l'opération

3. Ouvrir l'image originale des ombres détaillées. Ouvrir en tant que calque (CTL + ALT + O) la carte modifiée qui vient d'être créée au point 2 et lui appliquer une transparence d'environ 50 %, le but étant d'obtenir une image des ombres qui ne paraisse pas floue mais dont les plus petits détails seront très peu visibles sur la carte finale afin de mettre en valeur les lignes générales du relief. Renforcer éventuellement le contraste grâce à l'outil Courbes (CTL + M).

Fusion des deux calques	Comparaison carte originale / carte optimisée

[modifier] Pour en savoir plus

• (en) Shadedrelief.com : didacticiel entrant davantage dans les détails sur cette technique.

	Les didacticiels pour la cartographie numérique géoréférencée
Carte géographique vectorielle - Carte du relief bitmap - Carte topographique vectorielle
Carte vectorielle des surfaces aquatiques - Optimisation des ombres du relief - Intégration des données complémentaires
Ressources cartographiques géoréférencées - Conventions colorimétriques Aide:Cartographie - Atelier graphique-Cartes

[modifier] Notes