面向用戶的光致變色地形圖設(shè)計與制作

摘 要:傳統(tǒng)紙質(zhì)地形圖作為地形、地理信息的重要載體，在軍事和民用上都具有獨特的價值，但根據(jù)實地實物配置的各種地物符號分布無規(guī)律且彼此交叉重疊，嚴重阻礙了同類使用者所需信息的快速準確獲取。為使用戶快速獲取同類有效信息，本文利用光敏材料獨特的性質(zhì)，即光敏油墨在特定波長光源激發(fā)下產(chǎn)生特定波長(顏色)的熒光，對傳統(tǒng)紙質(zhì)地形圖進行改進，并制作配套的判讀裝置，二者配合使用可以實現(xiàn)對使用者所需信息的突出顯示，以此適應(yīng)軍事行動快速、高效反應(yīng)要求。在民用領(lǐng)域，也必將給地形圖信息獲取/傳遞帶來變化。

關(guān)鍵詞:光敏材料地形圖光致變色

中圖分類號:TU2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(c)-0022-03

1 引言

地形圖(topographic map)指地表起伏形態(tài)和地物位置、形狀在水平面上的全要素投影圖。具體來講，就是將將地面上的地物和地貌按水平投影的方法(沿鉛垂線方向投影到水平面上)，按一定比例尺縮繪到圖紙上得到的圖形。地形圖的基本要素包括:比例尺、圖例和指向標。地形圖通常根據(jù)經(jīng)緯度進行分幅，常用比例尺包括1:100萬，1:50萬，1:25萬，1:15萬，1:10萬，1:5萬等。地形圖能比較詳細地表示地面地貌水文、地形、土壤、植被等自然地理要素，以及居民點、交通線、境界線、工程建筑等社會經(jīng)濟要素。為適應(yīng)軍事需要制作的綜合反映地形各要素且大于1:100萬比例尺的正攝影圖，稱為軍事地形圖。

地面上的地物，用統(tǒng)一規(guī)定的符號結(jié)合注記在地圖上表示出來，叫地物符號。根據(jù)地物符號就可以在地形圖上識別出實地地物的種類、形狀、大小和分布情況，了解它在軍事上的應(yīng)用價值。真正使軍事地形圖發(fā)揮巨大作用的正是這些詳細的地物符號。然而，根據(jù)實地實物配置的地物符號分布完全無規(guī)律可循，且彼此交叉重疊，是任何一張傳統(tǒng)地形圖都無法克服的固有弊端，造成了地形圖判讀的困難。電子地圖很好地解決了傳統(tǒng)紙質(zhì)地形圖的一些問題，但當前電子地圖并未完全列裝部隊，大多數(shù)部(分)隊使用的依然是傳統(tǒng)紙質(zhì)地形圖。因此，實際使用過程中，想要獲取某一地形地理信息必須從眾多無規(guī)律的符號中分離出所需符號，同時還要抽象出各層地物符號的位置關(guān)系，以此來判斷實物的空間位置關(guān)系，這既對要求用戶具有較高的相關(guān)技能，而且使用也很不方便，限制了地形圖的推廣。即便是長期使用地形圖的熟練讀圖員，也需要耗費相當?shù)臅r間來尋找目標，無疑嚴重影響軍隊的快速反應(yīng)。為此，本文嘗試對傳統(tǒng)紙質(zhì)地形圖用光敏材料進行改造后，再用特殊光源照射，從而改變其判讀困難、難以快速獲取單類有效信息的弊端，擴展傳統(tǒng)紙質(zhì)地形圖的功能和適用性，為用戶提供一種快速、便捷、可靠獲取所需地形地理信息的方法，提高判讀效率，提高軍隊快速識別地形的能力。

2 光致變色地形圖的設(shè)計與制作

2.1 研究思路

各地物符號多、亂、雜是制約傳統(tǒng)紙質(zhì)地形圖難以快速獲得某類地形信息的原因。要解決這一問題，就需要想辦法根據(jù)用戶的“需要”實現(xiàn)各地物符號的“單獨”、“突出”顯示。為此選擇光敏油墨來實現(xiàn)這一目標。因為光敏油墨在特定波長光源激發(fā)下產(chǎn)生特定波長(顏色)的熒光，其熒光效果能夠?qū)崿F(xiàn)地物符號的單類、突出顯示，即不同類別地物或目標用不同波長光源激發(fā)光敏材料即可實現(xiàn)該類目標的單獨激發(fā)和突出顯示。

為便于說明，將傳統(tǒng)地形圖大致分三層:基層，即承載油墨的地圖印制專用紙;油墨層，即油墨附著在基層上形成的色層，地形圖即由其顏色、形狀的不同呈現(xiàn)出不同信息;保護層，即一層無色透明的薄膜，覆蓋在地形圖表面起防水防油作用。傳統(tǒng)紙質(zhì)地形圖一般采用膠印方式快速印刷出來的，地形圖上每一個點都由四種顏色油墨按不同比例混合出來，即:青色、洋紅、黃色和純黑。按照顏色減色混合理論，使用青色、黃色、洋紅三種顏色即可調(diào)配出所有的顏色，再考慮成本的因素加入純黑，即形成CMYK顏色系統(tǒng)。根據(jù)用戶不同需要，在傳統(tǒng)地形圖油墨層之上覆蓋一層光敏油墨(見圖1)，新型光致變色地形圖即可完成。

另一方面，將與光敏油墨對應(yīng)的多種激發(fā)光源集成為判讀裝置，使用時利用不同波長的紫外燈光照射光致變色地形圖，根據(jù)所激發(fā)熒光的顏色不同即可將不同的地物符號區(qū)分開來(見圖2)，從而達到快速判讀的目的。

2.2 光敏油墨

光敏油墨是一種特種油墨，隸屬變色油墨分支。變色油墨通常作為防偽油墨，即在油墨連接料中加入特殊性能的防偽材料，經(jīng)過特殊工藝加工而成的特殊油墨，它由色料、連接料和油墨助劑三部分組成。變色油墨在各種不同條件下能發(fā)生顏色變化，主要有熱敏變色油墨、光敏變色油墨、濕敏變色油墨、壓敏變色油墨、紫外熒光油墨、紅外熒光油墨等[1]。

本設(shè)計選用生產(chǎn)工藝較成熟且較為便宜的紫外熒光油墨。紫外熒光油墨(通常稱熒光油墨)指在紫外光(200～400nm)照射下，能發(fā)出可見光(400～800nm)的特種油墨。熒光油墨的變色原理是當油墨被紫外線照射時，熒光材料吸收一定形態(tài)的能量，不轉(zhuǎn)化成熱能，而是激發(fā)光子，以低能可見光形式將吸收能量釋放出來，從而產(chǎn)生不同色相的熒光現(xiàn)象，當光停止照射后，發(fā)光現(xiàn)象即消失，這就是光致變色的原理。光致變色是一種可逆的化學反應(yīng)，這是一個重要的判斷標準。而在光作用下發(fā)生的不可逆反應(yīng)，也可導致顏色的變化，只屬于一般的光化學范疇，不屬于光致變色范疇[2]。根據(jù)印記有無顏色分為有色熒光油墨和無色熒光油墨;根據(jù)紫外線的激發(fā)波長的不同又分為長波熒光油墨(激發(fā)波長為365nm)、短波熒光油墨(激發(fā)波長為254nm)和雙波長熒光油墨(在短波254nm激發(fā)下顯現(xiàn)一種顏色，在長波365nm激發(fā)下顯現(xiàn)另一種顏色)[3]。

制作時選用的是無色長波熒光油墨(受激發(fā)變紅)和無色短波熒光油墨(受激發(fā)變橙色)，二者分別受365nm和254nm紫外光激發(fā)。受激發(fā)后，可見明亮鮮艷的熒光。

2.3 激發(fā)光源

為對應(yīng)激發(fā)光敏油墨，選擇紫外線作為激發(fā)光源。紫外線是電磁波譜中波長從10nm到400nm輻射的總稱，不能引起人們的視覺。根據(jù)波長不同，紫外線分作近紫外線UV-A(320-400nm)，遠紫外線UV-B(280-320nm)和超短紫外線UV-C(200-280nm)。紫外線熒光作用強，有生理作用，波長越短對人類皮膚危害越大。

本設(shè)計選用市面上最常見的365nm長波紫外燈管和254nm短波紫外燈管，以及能發(fā)出365nm紫外線的發(fā)光二極管(LED)。鑒于市場上銷售的紫外光源單色性都不佳，又增設(shè)濾波片以過濾雜波，提高光源單色性。其光學特性曲線見圖3、圖4。

2.4 制作與測試

2.4.1 光致變色地形圖印制

印刷品生產(chǎn)一般要經(jīng)過原稿選擇或設(shè)計、原版制作、印版曬制、印刷、印后加工五個工藝過程。制作新型光致變色地形圖無需改變印刷一般流程，只需在印刷這一環(huán)節(jié)加入光敏油墨即可。

由于印制地形圖的普通膠片是按照印刷要求經(jīng)電分儀器分解出CMYK比例信息制作而成的，并不能單獨抽離出所需符號，故我們利用Photoshop軟件進行了專門的抽取，制作了等高線網(wǎng)、道路網(wǎng)、橋梁等符號的圖層并制成了印刷膠片。由地形圖掃描件提取地物符號的優(yōu)化方法可參見文獻[4]。當然，如地形圖電子版包含各地物符號分層信息，則可略去此步驟。

制作好印刷用版后，按照正常制作工藝印刷出一定數(shù)量地形圖，接著將裝有光敏油墨的墨盒替換黑色墨盒，將欲覆蓋的地物符號的印刷用版裝上印刷機，再次印刷剛印制的地形圖，即可實現(xiàn)光敏材料對對應(yīng)地物符號的覆蓋。

2.4.2 判讀裝置制作

選購適宜的紫外線燈管，將長波和短波的燈管集成到一個燈管座上，并制作換向開關(guān)。在燈管上罩上適宜濾波片以過濾雜波，提高單色性。制作好的判讀裝置見圖5。

2.4.3 產(chǎn)品測試

經(jīng)實物測試，光敏油墨能夠在0.1秒內(nèi)響應(yīng)判讀裝置的激發(fā)，熒光強度足以將相應(yīng)的地物符號激發(fā)凸顯出來。同一光敏油墨只受單一波長紫外光激發(fā)，不存在相互間的干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)單一地物符號的判讀。關(guān)掉激發(fā)光源后，熒光立刻消失，地形圖恢復原狀，不影響正常使用。

3 光致變色地形圖的優(yōu)點

光致變色地形圖首先具備傳統(tǒng)地形圖的所有功能，所用技術(shù)成熟，應(yīng)用方便，并提供了較好的交互能力，大大提高了讀圖判圖效率;光敏油墨響應(yīng)可靠性高，響應(yīng)時間短，對比鮮明;輕便易攜、使用方便、壽命長;改造成本低廉，印刷費用加上配套裝置與印制傳統(tǒng)地圖成本差異不大。同時，光敏油墨本身無色透明，這種應(yīng)用并不會破壞目標物的原有外觀，具有一定的保密和防窺視功能。

基于此思路，所有靜態(tài)文本信息都可實現(xiàn)面向用戶的改進，如民用旅游路線圖可利用此技術(shù)將不同的旅游路線快速區(qū)分開來，并給旅客提供動態(tài)的路線顯示，吸引旅客前往有商業(yè)價值的景區(qū);平面廣告可利用此技術(shù)實現(xiàn)特定效果的凸顯，或在一塊廣告牌中展現(xiàn)多張廣告，提高利用率;城市地圖可標記不同的旅店、商店，方便用戶使用，推廣門檻低，推廣應(yīng)用價值大。

4 結(jié)語

本文利用光敏材料獨特的性質(zhì)，將其對傳統(tǒng)地形圖進行改進而制作成光致變色地形圖，實現(xiàn)了特定信息的快速獲取，可應(yīng)用于軍事地形圖和旅游、廣告等行業(yè)，克服了傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖難以獲取特定信息的缺點，并改變了信息的提供方式，由用戶被動地接受靜態(tài)信息變?yōu)橛幸欢ń换プ饔玫孬@取動態(tài)信息。實踐證明，利用光敏材料受特定光源激發(fā)產(chǎn)生特定變化實現(xiàn)特定信息的自主快速顯示可靠、實用、成本低廉。

參考文獻

[1]劉永輝，古潔.防偽油墨的原理與應(yīng)用. 廣東印刷[J]，2004(04):73-74.

[2]張彥，王凱.光致變色防偽油墨的應(yīng)用及前景.中國防偽報道[J]，2008(02):9-13.

[3]蒲冬華.常用防偽油墨及其應(yīng)用.廣東印刷[J]，2008(05):40-41.

[4]李勇，饒侃，唐迪.軍事地形圖中的道路紋理提取技術(shù)研究.軍隊信息化與軍事系統(tǒng)工程[M].北京:海潮出版社，2005.09.