平面图上如何表现地形起伏的地貌形态是地图学中具有挑战性的问题。虽然数字高程模型 (digital elevation model，DEM) 数据能够直观地表达地形地貌，但是无法在普通的二维地形图中展现出来，而地貌晕渲是地图制图中地形地貌的较为传统的表现方式。地貌晕渲主要运用阴影的原理，在地形图的基础上进行立体塑形，利用阴阳坡面的色彩反差来反映地貌的立体感，可以在普通二维地形图中展现出相对的立体效果。

传统的地貌晕渲图都是由专业人员手工制作，要求高，周期长，不便于保存^{[1, 2]}。随着计算机技术和GIS技术的发展，晕渲图的制作也逐步向计算机自动化方向发展^[3]。部分学者采用ERDAS、MapGIS、GlobalMapper等软件进行了一系列实验。ArcGIS软件制作的晕渲图效果较好、层次丰富，色彩处理较为细腻。

本文通过实验分析设置合理的参数，在DEM的基础上提取山体阴影、坡度等，正确反映山体走向、结构以及起伏特征，能够在计算机上实现地貌晕渲图的快速制作，从而实现以二维地形图来展示三维的地貌信息。

1 数据源及区域特征

实验区域多为高山区，存在少部分的丘陵地带，海拔相对较高，部分地区常年积雪覆盖。实验区DEM和卫星影像如图 1所示。实验采用影像以及SRTM 90 DEM数据，由于不需要进行量算，只是用来显示图形效果，因此，晕渲制作对DEM的要求不高，本次实验数据可满足精度要求^[4]。

2 利用ArcGIS制作晕渲图的方法

主要是结合该区域特点，利用ArcGIS分析DEM，制作山体阴影，分级设色，然后相互叠加，生成直观、立体、形象的地貌晕渲图。采用WGS-84坐标系，选取图 1中部分区域进行实验。

山体阴影是一种DEM可视化技术，通过模拟光照条件，处理阴阳面的明暗对比关系，塑造出山体形状，生成具有三维效果的平面图。使用山体阴影可以制作出较为美观、立体感较强的二维平面地形图，是现代制作地貌晕渲图的重要方式^[5]。

影响山体阴影效果的主要因素有太阳高度角、太阳方位角以及Z因子 (转换因子，用以调整高程单位与水平坐标单位的比例)。实验中通过控制太阳高度角和太阳方位角来模拟太阳对地面照射产生的阴影明暗和强弱程度，Z因子调节山体的显示比例。通常根据三者之间的关系来进行变化选择，最终确定合适的参数。

在ArcGIS中，打开ArcToolbox→3D Analyst工具→栅格表面→山体阴影。采用此工具可方便地生成地貌晕渲效果。

1) 太阳高度角的优选。在实验分析中，首先保持Z因子和太阳方位角不变，通过变换太阳的方位角和高度角，选择最适合制作晕渲图的角度。Z因子为1，太阳方位角为315°，高度角分别为45°、50°、55°、65°时的晕渲效果如图 2所示。

由图 2的实验对比发现，太阳高度角越小，图像越暗，暗部细节损失越大；太阳高度角越大，图像越亮，阴阳坡面反差减小，立体感减弱；一般太阳高度角在45°或50°时，晕渲效果较好；超过50°图像逐渐变亮，低于45°时图像变暗。因此，建议选择50°作为合适的高度角。

2) 太阳方位角的优选。一般来说，西北方向的太阳光照产生的阴影最符合人们的视觉习惯，如果使用东南方向的太阳光照，则会产生反立体的效果 (高的地方显示低，低的地方显示高)，不符合人们的视觉习惯。为此，选择西北方向太阳方位角，具体角度需根据山体的走势和起伏特征进行适当的调整。

固定Z因子为1，高度角为50°时，太阳方位角分别为145°、215°、300°、330°时的晕渲效果如图 3所示。

由图 3可见，当太阳方位角在145°~215°时，呈现反立体效果，所以不能选用该范围。当方位角在300°~330°时，符合正常的视觉效果。本次实验太阳方位角在330°时的纹理效果最为清晰，因此建议选择方位角为330°。

3)Z因子的优选。太阳高度角和方位角的选择确定后，光源的位置也随之确定，然后根据Z因子的取值来确定山体的显示比例。将山体的显示比例和阴影的明暗、强弱程度综合分析，才能最终确定晕渲的效果。固定太阳方位角330°和高度角50°，Z因子按照0.5、1、1.5、2的变化，其晕渲效果如图 4所示。

由图 4可见，Z因子越大，高度比例值越高，容易导致图像的变形，且山体较高容易造成更多的阴影，不利于美观，因此选定Z因子的值为1。

经过多次实验，最终确定的参数为方位角330°、高度角50°、Z因子取1。

3 晕渲图的色彩设计

分层设色是将不同的高程区间按照不同的颜色进行填充，依照高度变化采用由浅到深的颜色来表示^[6]。晕渲则是利用光线照射的阴影效果，假设光从某一方向照射，将不同地形起伏所造成的阴影绘制成图，透过阴影可以显示地形。彩色晕渲图的绘制方式结合分层设色和晕渲的原理，制作彩色的地形阴影效果。

晕渲图的色彩应用准确与否是晕渲图制作成败的关键，好的色彩可以提高地图作品的艺术效果。晕渲图的色彩设计除了遵循常用的规律外，更加注重把色彩作为重要的表现手段，紧紧围绕地貌类型来选择主色调，增强色彩的对比度，使色彩设计不仅贴切地反映地貌形态，而且增加图形的清晰度。

本次实验选用的区域高程范围为740~2 609 m，高差1 869 m，按照高差进行分层设色，最终配置的色彩如图 5所示。根据高程按照分层设色进行着色，共设置9个色段，由浅至深依次表示，增加视觉效果和地图的美观。可以根据需要进一步分层设色，使得分层色彩渐变柔和，但是分层过多容易造成视觉疲劳，且导致图面不够简洁，因此分层设色不宜过多。

4 结束语

晕渲图的制作是否美观清晰，关键取决于以下几个参数的设定。

1)Z因子。采用不同垂直比例尺生成的晕渲图不同，Z因子越大，地形越详细，但效果相对夸大，因此在选定Z因子数值时，要结合整图的效果来确定才能更好的表示。

2) 太阳高度和方位角。不同的光照高度，产生不同面积的阴暗范围，角度过低，阴暗面积过大，角度过高，不利于地貌形态的表达。一般来说，45°~70°的光照高度适用于不同地形的晕渲图。制作坡度平缓的图可采用较低的光照高度，制作地形陡峭的图可采用较高的光照高度。

3) 颜色分级。颜色分级主要用于突出地貌变化和增加地图的美观，可以根据地区的实际地貌以美学的方式设色。

采用ArcGIS软件制作地貌晕渲图，技术较为成熟且方法较为简单，山体阴影的使用可以很好地表现地貌的立体效果，而依据地形特点分层设色能够更加直观形象地表示地貌。本文结合地形地貌特点，叠加山体阴影形成地貌晕渲图，从效果可以看出，采用ArcGIS制作的晕渲图能够满足目前的需求。在中小比例尺地形图的制作中，可以采用此方法进行渲染，增加地形图的可视性和可读性。