淺析DEM在構造地貌研究中的應用新進展

■盧紅艷

(遼寧省地理信息院 遼寧沈陽 110034)

淺析DEM在構造地貌研究中的應用新進展

■盧紅艷

(遼寧省地理信息院 遼寧沈陽 110034)

隨著社會經濟的飛速發展，人們對地形地貌的追求也越來越高，尤其是對構造地貌研究要求極高。本文對數字高程模型(DEM)在構造地貌研究中的應用新進展進行分析以供參考。

DEM構造地貌研究

0 引言

為了將地形的高低起伏狀態真實地模擬出來，根據具體的制作要求，制成不同格網精度的數字高程模型DEM。DEM是建立“數字城市”的基礎信息之一，與數字正射影像DOM疊加形成一個真實反映地形地貌的三維模型。DEM是多學科交叉與滲透的高科技產物，已在測繪、資源與環境、災害防治、國防等與地形分析有關的各個領域發揮著越來越大的作用。

1 DEM構造地貌研究概述

DEM作為數字地形模擬的一種表達形式，已成為數字地形建設的重要基礎數據，是用以構建城市三維景觀，進行各種線路(鐵路、公路、輸電線路等)的設計和土石方工程數量計算，進行坡度、流域、江水面積、洪水流量計算、通視分析、以及繪制任意斷面圖。DEM在生產管理、生態環境評價、土地復墾中也發揮著越來越重要的作用。

DEM的獲取主要通過以下三種方式：航空攝影測量、地面測量和已有圖紙數字化。航空攝影測量的方式適用于高精度大范圍DEM的生產，但是用于地形監測，范圍過大，成本較高。利用基于CORS的網絡RTK行地面測量獲取DEM可以極大地節省人力物力，提高工作效率，并且能夠在范圍和精度上滿足DEM的要求，能夠替代傳統地面測量獲取DEM的方式。隨著GIS技術的發展，其在構造地形中的應用也越來越廣泛。

2 DEM在構造地貌研究中的應用新進展

2.1 利用網格DEM建立構造地形數據模型的概述

DEM是數字地形模型（DTM）的一個分支，是DTM中最基本的部分。DTM是地形表面形態屬性的數字表達，是對地理空間中位置及其地形屬性的描述。當DTM所描述的地形屬性是高程時，則為數字高程模型（DEM）。實際上，DEM是描述地表單元空間位置和地形屬性分布的有序集合，它以某一地理范圍內的地形數據為基礎，通過一定的數學變換，將某一地理范圍內的地形地物以三維空間的形式表示在一個二維的平面上，以離散分布的平面點來模擬分布的地形。

GRID模型是目前DEM常用的形式，其數據的組織類似于圖像柵格數據，只是每個像元的值是高程值。對于每個格網的數值有兩種不同的解釋：①格網柵格觀點，認為該格網單元的數值是其中所有點的高程值，即格網單元對應的地面面積內高程是均一的高度，這種數字高程模型是一個不連續的函數；②點柵格觀點，認為該網格單元的數值是網格中心點的高程或該網格單元的平均高程值。

2.2 利用網格DEM建立構造地形數據模型的優點

格網DEM的優點是：數據結構簡單，便于管理；有利于地形分析，以及制作立體圖。其缺點是：格網點高程的內插會損失精度；格網過大會損失地形的關鍵特征，如山峰、洼坑、山脊等。對于格網的生成，采用內插的方法來得到。TIN是專為產生DTM數據而設計的一種采樣表示系統。TIN表示法是利用所有采樣點取得的離散數據，按照優化組合的原則，把這些離散點（各三角形的頂點）連接成相互連續的三角面。TIN能較好的顧及地貌特征，逼真地表示復雜地形特征，并能克服地形起伏不大區域的數據冗余問題，但是由于數據量大，數據結構復雜建模費時，表面分析能力較差。

2.3 高程插值函數的應用

高程內插是DEM地表形態重構必不可少的環節，高程內插模型成為眾多DEM研究者關注的重點，先后研究并提出了近百種內插模型。大量研究表明，不同的插值方法生成的DEM具有明顯的差異，而這種差異對地形分析結果也有顯著的影響。

2.4 利用網格DEM建立構造地形數據模型的具體操作

DEM是確定綜合尺度條件下對地形的近似描述，無論是綜合地形顯式或隱式存在，地形綜合都是DEM地形描述不可逾越的過程。由于綜合過程的客觀存在，任何一個尺度的DEM地表形態，除了在地表形態突變部位，其他地表形態都具有一定程度的保凸性、光滑性和平順性特征。然而，現有的格網DEM地表形態重構過程，都是直接以DEM格網點離散采樣數據，按照簡單四邊形面片或三角形面片重構格網DEM地形表面，實際綜合地形被表達成一系列折面片，從而導致格網DEM所生成的等高線變得生硬且不準確。

綜上所述，利用網格DEM建立構造地形數據模型就要生成高質量等高線，首先是實現高精度格網DEM地表形態重構，即以DEM離散格網點高程數據，采用合適的曲面重構方法，準確且無歧義地再現該DEM所描述的綜合地形的地形曲面形態。嚴格意義上的格網DEM地表形態重構過程，應以格網DEM數據為基礎，建立嚴密的全域三維數學曲面方程，但由于地表形態的復雜多樣性，已遠遠超出了當前數學曲面方程的模擬能力，因此，在實際應用中通常采用某種插值方法的格網加密法，建立不同格網分辨率的地表形態曲面。

對于利用格網DEM生成等高線問題，要探討了格網DEM生成等高線的方法；在格網DEM提取等高線基本算法基礎上，設計了如何得到格網對角線上內插等高點的算法，在一定程度優化了山脊、山谷等地形變化部位的等高線生成精度；總體來說，現有研究僅給出了利用DEM生成等高線的基本方法，在溝道、山脊等地形變化部位生成的等高線生硬，且經常出現等高線相交、異常閉合等錯誤現象，還不能生成具有良好保凸性、光滑性、平順性特征的高質量等高線。為此，在剖析DEM地表形態描述機理的基礎上，提出DEM格網加密技術的高質量等高線生成方法，以期能有效解決這一需求。

3 結束語

綜上所述，目前，DEM的應用已從地形參數統計值的解算，逐步走向顧及局地形態精度的地形參數解析及地表過程模擬分析，在新一代DEM數據的生產中，迫切需要考慮地表形態精度的評價與控制問題。實驗表明，對于已確定綜合尺度的地形，存在最優DEM格網分辨率閾值，實際DEM格網分辨率應盡可能等于該閾值，高于該閾值僅會增加數據冗余而不會提升地表形態精度，低于該閾值后DEM將難以再現原始綜合地形，導致不同程度的地表形態描述失真。關于如何確定顧及地表形態精度的最優DEM格網分辨率閾值，值得進一步深入研究。

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P931[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-120-1