¿Cómo funciona Hillshade?

Hillshade es una forma estándar de representación del terreno en la cartografía. La idea es simular la reflectancia de la luz de una superficie del terreno, cuando se ilumina desde una dirección específica (o múltiples direcciones). El método es bien conocido y constantemente mejorado en los SIG como medio de visualización del terreno. Los principios básicos del método hillshade son bastante sencillos (véase más abajo), pero la comprensión y el manejo de los resultados producidos no lo son tanto.

Los principios básicos

Figura 2. Para calcular el hillshade es necesario especificar la dirección del sol (acimut) y la altura del sol, en unidades angulares.

En pocas palabras, el algoritmo de hillshade asigna un valor teórico de reflectancia a cada elemento del terreno (un píxel de un modelo digital del terreno en la mayoría de los casos). Dada una fuente de luz definida, dicha reflectancia dependerá de la inclinación de cada elemento del terreno: los que están perpendiculares a la fuente de luz recibirán y, por tanto, reflejarán más luz que los que están orientados en otras direcciones (véase la Fig. 3). En los SIG, los algoritmos de hillshade normalmente no pretenden modelar escenas verdaderamente realistas; no se tienen en cuenta factores como la textura de la superficie o las distintas cualidades de la luz. Por esta razón, el resultado inmediato es bastante artificial y suele necesitar un tratamiento adicional para proporcionar una representación del terreno visualmente agradable.

Figura 3. La reflectancia de la superficie (es decir, la luminancia) depende del ángulo de incidencia de los rayos solares.

La fórmula comúnmente utilizada es la ideada por el matemático Johan Heinrich Lambert, que postula que el valor de la reflectancia variará en función de la diferencia entre el ángulo de iluminación y el ángulo de la superficie (Fig. 3). Más concretamente, la cantidad de luz reflejada será proporcional al coseno de dicha diferencia angular (ver en Wikipedia).

Para entender el principio, imagine que pone un papel delante de una lámpara de mesa. La sombra del papel en la mesa de abajo se contraerá a medida que lo gires o lo inclines, porque estás aumentando la diferencia angular entre la orientación de la superficie y la fuente de luz. Ahora, el tamaño de la sombra se corresponde con la cantidad de luz que recibe el papel, por lo que aparecerá más oscuro al captar cantidades decrecientes de luz.

Implementación de Hillshade en el módulo Terrain Shading para QGIS

Este enfoque tan sencillo ha demostrado ser útil en los SIG, pero ciertamente tiene algunos inconvenientes. Hillshade suele tener un aspecto bastante artificial y no pueden utilizarse para modelar escenarios de iluminación complejos de la vida real. (La oclusión ambiental es uno de ellos: véase mi post anterior).

El módulo Terrain Shading, desarrollado para QGIS, presenta un algoritmo de sombreado lambertiano, pero con una importante modificación. Permite exagerar artificialmente el ángulo de los elementos de la superficie, es decir, los píxeles (Figura 3). Esto puede hacerse en dos direcciones, a lo largo del eje de iluminación (eje longitudinal) y perpendicular al eje de iluminación (eje lateral : Figura 4). Estos parámetros nos permiten ajustar la calidad de la luz, y representar más detalles que con la fórmula estándar de la ley del coseno.

Figura 4. La orientación de la superficie puede descomponerse en dos ángulos (o vectores): longitudinal, paralelo a la dirección del sol, y lateral, perpendicular a los rayos del sol. El módulo Terrain Shading para QGIS proporciona ajustes separados para estos dos ángulos.
Figura 5. Módulo de sombreado del terreno para el análisis de hillshade. Observe dos ajustes para la exageración angular.

La exageración lateral acentuará las pendientes que pueden ser mal representadas con el sombreado lambertiano estándar – como cuando se superpone un modelo de sombreado con un modelo de pendiente. Este efecto puede ser útil para la detección y visualización de rasgos débiles del terreno que son poco visibles en los modelos de sombreado estándar. Este enfoque también puede evitar la aparición de laderas lavadas y muy iluminadas, un efecto frecuente y no deseado (véase la comparación de imágenes más abajo).

Figura 6. Comparación entre el modelo estándar hillshade y el modelo con exageración del ángulo lateral (factor: 3,0, muy fuerte).

Bibliografía

Artículo sobre la ley del coseno de Lambert en Wikipedia.

B. K. Horn 1981: Hill Shading and the Reflectance Map. Proceedings of the IEEE 69(1), 14-47.

Traducido desde: landscapearchaeology

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