文章方法与制图

2025年10月16日/8 分钟阅读

如何设置山体阴影

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。本篇文章介绍昕图中如何设置山体阴影。

栅格

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

山体阴影的本质，是把一个简化的光照模型应用到 DEM 上。系统会根据每个像元周围的高程变化，估算该位置坡面的朝向，再判断这个坡面是迎光还是背光，从而计算明暗。

整个计算过程可以概括为：

DEM（高程栅格）
-> 计算局部坡度和坡向
-> 求表面法向量 N
-> 根据太阳参数求光线向量 L
-> 计算亮度 I
-> 转成灰度值 Gray

在这个过程中，最核心的亮度公式可以写成：

I = \operatorname{clamp}\Big(\max(0,\,N \cdot L) \times \text{LightIntensity} + \text{AmbientIntensity},\ 0,\ 1\Big)

如果要输出为 8 位灰度值，可以进一步写成：

Gray = 255 \times I

公式中的量分别表示什么

$N$ ：地形表面的单位法向量，表示坡面朝向。
$L$ ：光照方向的单位向量，表示太阳光从哪个方向照来。
$N \cdot L$ ：两者点积，也就是夹角余弦；值越大，表示坡面越朝向光源。
$\max(0, N \cdot L)$ ：背光坡面的点积可能小于 0，实际计算中通常截断为 0，表示没有直射光。
LightIntensity：直射光强度，用来控制亮部对比度。
AmbientIntensity：环境光强度，用来保留暗部细节，防止阴影区完全发黑。
$I$ ：归一化亮度值，通常在 $[0,1]$ 之间。
$Gray$ ：最终显示灰度值，通常在 $[0,255]$ 之间。

可以简单理解为：

直射光项 决定“哪里亮、亮多少”；
环境光项 决定“阴影里还能不能看见细节”；
两者共同形成最终的山体阴影效果。

参数简介

为了更容易理解，可以把这些参数分成三组：

光从哪里来：LightDirection、ZenithAngle
明暗有多强：LightIntensity、AmbientIntensity
地形起伏看起来多明显：ElevationFactor、Extrusion

光线方向：方位角与高度角

这两个参数共同决定光线方向向量 $L$ 。

光线向量可写为：

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

其中：

$A_z$ ：太阳方位角（Azimuth）
$Z$ ：太阳高度角（Altitude）

对应到参数设置：

LightDirection（Azimuth）：太阳方位角，表示光从哪个方向照来，例如 315° 表示西北来光。
ZenithAngle（Altitude）：这里实际表示太阳高度角，表示太阳抬升的角度；值越低，阴影越长；值越高，阴影越短。

直观效果：

改 LightDirection：主要改变阴影朝向；
改 ZenithAngle：主要改变阴影长度和立体感强弱。

亮度组成：环境光与直射光

这两个参数决定亮部和暗部之间的关系。

可把亮度理解为：

I_{light} = \max(0, N \cdot L) \times \text{LightIntensity} + \text{AmbientIntensity}

其中：

LightIntensity：直射光强度。值越大，迎光坡面越亮，对比越强。
AmbientIntensity：环境光强度。值越大，阴影越柔和，暗部细节越容易保留。

可以按效果理解：

想增强立体感：提高 LightIntensity，适当降低 AmbientIntensity
想保留阴影细节：提高 AmbientIntensity

几何比例：高程-平面换算因子

ElevationFactor 用来处理 Z 方向高程单位与 X/Y 平面单位不一致的问题。

例如：

如果平面坐标单位是米，高程单位也是米，那么通常可设为 1；
如果平面坐标是经纬度（度），高程单位是米，就需要换算，否则坡度计算会失真。

它解决的是：

算出来的坡面方向是否几何真实

如果这个参数设置不合理，山体可能会显得“被压扁”或“被夸张”。

视觉夸张：拉伸因子

Extrusion 是视觉上的地形夸张因子，用于增强起伏表现。

在计算中，可理解为实际参与光照的高程为：

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

这里两者分工不同：

ElevationFactor 负责单位换算；
Extrusion 负责视觉夸张。

因此：

ElevationFactor 决定“算得是否真实”；
Extrusion 决定“看起来是否足够明显”。

经验上：

小比例尺或较粗分辨率 DEM：可适当提高 Extrusion（如 5 - 8）增强立体感；
高精度 DEM（如 10 m）：通常 1 - 2 就够了。

参数汇总表

参数	中文名称	常见取值*	作用机理	调整效果与建议
`LightDirection`	太阳方位角（°，顺时针自北）	0 - 360（默认 315° = 西北）	决定光从哪边照来，直接控制阴影朝向。	早晨效果：90°（东）。中午偏南：180°。常见的“西北来光”一般用 315°，更利于凸显南坡。
`ZenithAngle`	太阳高度角（°，0 = 地平线，90 = 正顶）	0 - 90（默认 45°）	控制光线与地面的夹角，决定阴影长度和立体感强弱。	低角度（10°）：阴影拉长，立体感强，但山谷容易过暗。高角度（60° 以上）：阴影更短，整体效果更柔和。
`LightIntensity`	直射光强度	0 - 1（默认 0.7 ~ 1.0）	朗伯项系数，值越大，明暗对比越强。	重点看它和 `AmbientIntensity` 的相对比例。通常 `LightIntensity + Ambient` 约等于 1。想突出山脊时，可适当提高到 1.2，并同步降低环境光。
`AmbientIntensity`	环境光强度	0 - 1（默认 0.6 ~ 0.9）	给背光区域补充无方向柔光，避免暗部完全发黑。	适合提升暗部细节可见性。过高会让阴影发灰、立体感下降。过低会让对比过强，细节损失明显。想做“夕阳侧光”时，可降到约 0.3。
`ElevationFactor`	海拔因子 / 高程-平面换算因子	经纬度 DEM：约 1 / 111 km。平面坐标与高程同单位时：1。	把 Z 高程转换到与 X/Y 一致的量纲，避免法向量计算失真。	Web Mercator / UTM 且 DEM 单位也是米时，可直接设为 1。经纬度（°）+ 高程（m）时，通常需乘约 0.000009。
`Extrusion`	拉伸因子	0 - 10（默认 1 ~ 5）	与 `ElevationFactor` 一起作用，用于夸张地形起伏。	值越大，山峰更尖、沟谷更深。 0 表示完全平坦的阴影效果。 10 m DEM 常用 1 ~ 2，90 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	ZenithAngle	LightIntensity	AmbientIntensity	Extrusion*	适用场景
晨光	90°（正东）	20 - 30°	0.85	0.4	2	长阴影、对比强，强调山脊向西投影，适合表现晨曦氛围。
正午	180°（正南）	70 - 80°	0.6	0.55	1.5	阴影最短，立体感柔和，适合作为底图使用，不会过度抢占视觉焦点。
夕阳	270°（正西）	15 - 25°	0.9	0.35	2	与晨光方向相反，适合做夕照效果，山谷会向东拉出更长阴影。
夜光	315°（西北）	60°	0.3	0.7	1.5	直射光较弱，主要依赖环境光营造柔和暗调，适合暗色底图或夜景模式。