面向用戶的光致變色地形圖設計與制作

摘 要:傳統紙質地形圖作為地形、地理信息的重要載體，在軍事和民用上都具有獨特的價值，但根據實地實物配置的各種地物符號分布無規律且彼此交叉重疊，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，即光敏油墨在特定波長光源激發下產生特定波長(顏色)的熒光，對傳統紙質地形圖進行改進，并制作配套的判讀裝置，二者配合使用可以實現對使用者所需信息的突出顯示，以此適應軍事行動快速、高效反應要求。在民用領域，也必將給地形圖信息獲取/傳遞帶來變化。

關鍵詞: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。地形圖通常根據經緯度進行分幅，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、工程建筑等社會經濟要素。為適應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，用統一規定的符號結合注記在地圖上表示出來，叫地物符號。根據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用價值。真正使軍事地形圖發揮巨大作用的正是這些詳細的地物符號。然而，根據實地實物配置的地物符號分布完全無規律可循，且彼此交叉重疊，是任何一張傳統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紙質地形圖的一些問題，但當前電子地圖并未完全列裝部隊，大多數部(分)隊使用的依然是傳統紙質地形圖。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系，以此來判斷實物的空間位置關系，這既對要求用戶具有較高的相關技能，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，也需要耗費相當的時間來尋找目標，無疑嚴重影響軍隊的快速反應。為此，本文嘗試對傳統紙質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，擴展傳統紙質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計與制作

2.1 研究思路

各地物符號多、亂、雜是制約傳統紙質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，就需要想辦法根據用戶的“需要”實現各地物符號的“單獨”、“突出”顯示。為此選擇光敏油墨來實現這一目標。因為光敏油墨在特定波長光源激發下產生特定波長(顏色)的熒光，其熒光效果能夠實現地物符號的單類、突出顯示，即不同類別地物或目標用不同波長光源激發光敏材料即可實現該類目標的單獨激發和突出顯示。

為便于說明，將傳統地形圖大致分三層: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。傳統紙質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。根據用戶不同需要，在傳統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，將與光敏油墨對應的多種激發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，根據所激發熒光的顏色不同即可將不同的地物符號區分開來(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]。

本設計選用生產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的能量，不轉化成熱能，而是激發光子，以低能可見光形式將吸收能量釋放出來，從而產生不同色相的熒光現象，當光停止照射后，發光現象即消失，這就是光致變色的原理。光致變色是一種可逆的化學反應，這是一個重要的判斷標準。而在光作用下發生的不可逆反應，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]。根據印記有無顏色分為有色熒光油墨和無色熒光油墨;根據紫外線的激發波長的不同又分為長波熒光油墨(激發波長為365nm)、短波熒光油墨(激發波長為254nm)和雙波長熒光油墨(在短波254nm激發下顯現一種顏色，在長波365nm激發下顯現另一種顏色)[3]。

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

2.3 激發光源

為對應激發光敏油墨，選擇紫外線作為激發光源。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，以及能發出365nm紫外線的發光二極管(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

印刷品生產一般要經過原稿選擇或設計、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，只需在印刷這一環節加入光敏油墨即可。

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、道路網、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，即可實現光敏材料對對應地物符號的覆蓋。

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。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 產品測試

經實物測試，光敏油墨能夠在0.1秒內響應判讀裝置的激發，熒光強度足以將相應的地物符號激發凸顯出來。同一光敏油墨只受單一波長紫外光激發，不存在相互間的干擾，能夠實現單一地物符號的判讀。關掉激發光源后，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點

光致變色地形圖首先具備傳統地形圖的所有功能，所用技術成熟，應用方便，并提供了較好的交互能力，大大提高了讀圖判圖效率;光敏油墨響應可靠性高，響應時間短，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地圖成本差異不大。同時，光敏油墨本身無色透明，這種應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，所有靜態文本信息都可實現面向用戶的改進，如民用旅游路線圖可利用此技術將不同的旅游路線快速區分開來，并給旅客提供動態的路線顯示，吸引旅客前往有商業價值的景區;平面廣告可利用此技術實現特定效果的凸顯，或在一塊廣告牌中展現多張廣告，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，推廣應用價值大。

4 結語

本文利用光敏材料獨特的性質，將其對傳統地形圖進行改進而制作成光致變色地形圖，實現了特定信息的快速獲取，可應用于軍事地形圖和旅游、廣告等行業，克服了傳統紙質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信息變為有一定交互作用地獲取動態信息。實踐證明，利用光敏材料受特定光源激發產生特定變化實現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研究.軍隊信息化與軍事系統工程[M].北京:海潮出版社，2005.09.