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山体阴影

2025年10月16日 · 阅读需 5 分钟

杨

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什么是山体阴影

“山体阴影”（Hillshade，也叫地形阴影或地形晕渲）是地理信息系统（GIS）中一种常见的地形可视化技术，用于根据数字高程模型（DEM）模拟太阳照射下的地形明暗效果，让地形起伏更直观。

核心原理简述

山体阴影的生成，本质上是**光照模型（Lighting Model）**在数字高程模型（DEM）上的应用。整个计算链如下：

DEM（高程栅格） → 局部坡度/坡向 → 法向量（Normal）→ 光线方向（Light Vector）→ 光照计算 → 灰度阴影值

即通过模拟光线与地形表面的角度关系，求出每个像元的明暗程度。

最终的亮度计算可概括为：

I=(N⋅L)×LightIntensity+AmbientIntensity

其中：

$N$ ：单位法向量（由DEM梯度计算）
$L$ ：单位光线方向向量（由太阳方位角、太阳高度角定义）
$N \cdot L$ ：二者的点积，表示光线与坡面的夹角余弦，决定明暗
其余参数控制不同的物理尺度或视觉表现

参数简介

LightDirection （太阳方位角） & ZenithAngle（太阳高度角）

这两者决定了光线方向向量 $L$ 。

光线向量分量：

L = (\sin A_z \cos Z, \cos A_z \cos Z, \sin Z)

LightDirection（Azimuth）：控制光从哪边照来（如西北315°、东90°）。
ZenithAngle（Altitude）：控制光线与地面的夹角（0°=地平线，90°=正顶）。

👉 对应效果：

方位角：改变阴影朝向；
高度角：改变阴影长度、立体感强弱。

AmbientIntensity（环境光强度）与 LightIntensity（直射光强度）

两者共同定义光照方程的亮度组成。

基本形式（朗伯光照模型）：

I = N \cdot L \times \text{LightIntensity} + \text{AmbientIntensity}

AmbientIntensity：无方向的柔光，防止背光区全黑；
LightIntensity：有方向的直射光，决定明暗对比度。

ElevationFactor（高程–平面换算因子）

DEM 的高程单位（Z轴）可能与水平坐标（X/Y轴）单位不一致（尤其经纬度 DEM）。

若坐标为经纬度（°），需将高程（m）换算成角度尺度；
若坐标为米制（如UTM、Web Mercator），可设为 1。

这是为了保持在计算法向量时，地形坡度的几何比例真实。否则山体会被“压扁”或“过度夸张”。

Extrusion（拉伸因子）**

这实际上是对 Z 值的视觉夸张因子，用于强调地形起伏。在计算法向量时，Z 值会乘以：

Z' = Z \times \text{ElevationFactor} \times \text{Extrusion}

效果：

小比例尺 DEM（分辨率粗）：适当放大（如 5～8）以增强立体感；
高精度 DEM（如 10m）：值可设 1～2。

参数汇总表

参数	中文名称	常见取值*	作用机理	调整效果 & 建议
LightDirection	太阳方位角（°，顺时针自北）	0 – 360（默认 315° = 西北）	太阳方位角，决定光从哪边照来，控制“阴影朝向”。	- 早晨效果：90°（东）- 中午偏南：180°- 常见“北西向光”凸显南坡：315°
ZenithAngle	太阳高度角（°，0=地平线，90=正顶）	0 – 90（默认 45°）	太阳高度角	- 低角度（10°）：阴影拉长，立体感强，但山谷易过暗。- 高角度（60°+）：阴影短，效果柔和，堆叠阴影少。
LightIntensity	直射光强度	0 – 1（默认 0.7 ~ 1.0）	朗伯项的系数，越大明暗差越大。	- 与 AmbientIntensity 的相对比例才重要。一般 LightIntensity + Ambient ≈ 1。- 若想突出山脊，可把 LightIntensity 提到 1.2，并适当降低 Ambient。
AmbientIntensity	环境光强度	0 – 1（默认 0.6 ~ 0.9）	在朗伯光照模型中加入一条“到处都有的柔光”，公式：I = N·L × LightIntensity + Ambient。	- 提高可见暗部细节，防止背光区域完全黑。- 过高：阴影发灰、立体感削弱；过低：对比度过强、细节丢失。- 若想表现“夕阳侧光”可把 Ambient 设低一些（≈ 0.3）。
ElevationFactor	海拔因子 / 高程–平面换算因子	取决于坐标系- 经纬度 DEM：1 / (地球周长×度数) ≈ 1/(111 km)；- 同单位平面坐标：1	把 Z 高程转换到与 X/Y 相同量纲，否则在 3D 叉积中比例失真。	- 如果 DEM 单位已是米而坐标系是 Web Mercator/UTM 的米，可以直接设 1。- 如果是经纬度（°）+ 高程（m），需乘约 0.000009（即 1 m ≈ 9e-6°）。
Extrusion	拉伸因子	0 – 10（默认 1 ~ 5）	与 ElevationFactor 相乘后用于夸张地形起伏。	- 数值越大，山峰越尖锐、沟谷越深；0 表示完全平坦阴影。- 大比例尺（10 m DEM）通常 1 ~ 2；小比例尺（90 m DEM）可放大到 5 ~ 8。

四种预设效果

为了方便用户使用，XinGEO预设了四种模式

预设	LightDirection(°，顺时针自北)	ZenithAngle(°，光源高度)	LightIntensity	AmbientIntensity	Extrusion*	适用场景与视觉效果
晨光	90°（正东）	20 – 30°	0.85	0.4	2	长阴影、对比强，强调山脊朝西侧投影；适合凸显晨曦氛围。
正午	180°（正南）	70 – 80°	0.6	0.55	1.5	阴影最短，立体感柔和；适合作底图与叠加图层共用时不抢视觉焦点。
夕阳	270°（正西）	15 – 25°	0.9	0.35	2	与晨光对称但方向相反；夕照金黄、山谷朝东侧拉长阴影。
夜光（月光/微光）	315°（西北，常见“斜上方月光”）	60°	0.3	0.7	1.5	几乎无强直射，靠高环境光呈现柔和暗调；可用于暗色系底图或夜景模式。

为地形数据增加山体阴影

在栅格数据使用分级填色时，可以使用山体阴影，这里以全球海陆地形栅格数据为例。

下面为四种效果，依次为晨光、正午、夕阳、夜光。

什么是山体阴影​

核心原理简述​

参数简介​

LightDirection （太阳方位角） & ZenithAngle（太阳高度角）​

AmbientIntensity（环境光强度） 与 LightIntensity（直射光强度）​

ElevationFactor（高程–平面换算因子）​

Extrusion（拉伸因子）**​

参数汇总表​

四种预设效果​

为地形数据增加山体阴影​