浅析DEM在构造地貌研究中的应用新进展

■卢红艳

(辽宁省地理信息院 辽宁沈阳 110034)

浅析DEM在构造地貌研究中的应用新进展

■卢红艳

(辽宁省地理信息院 辽宁沈阳 110034)

随着社会经济的飞速发展，人们对地形地貌的追求也越来越高，尤其是对构造地貌研究要求极高。本文对数字高程模型(DEM)在构造地貌研究中的应用新进展进行分析以供参考。

DEM构造地貌研究

0 引言

为了将地形的高低起伏状态真实地模拟出来，根据具体的制作要求，制成不同格网精度的数字高程模型DEM。DEM是建立“数字城市”的基础信息之一，与数字正射影像DOM叠加形成一个真实反映地形地貌的三维模型。DEM是多学科交叉与渗透的高科技产物，已在测绘、资源与环境、灾害防治、国防等与地形分析有关的各个领域发挥着越来越大的作用。

1 DEM构造地貌研究概述

DEM作为数字地形模拟的一种表达形式，已成为数字地形建设的重要基础数据，是用以构建城市三维景观，进行各种线路(铁路、公路、输电线路等)的设计和土石方工程数量计算，进行坡度、流域、江水面积、洪水流量计算、通视分析、以及绘制任意断面图。DEM在生产管理、生态环境评价、土地复垦中也发挥着越来越重要的作用。

DEM的获取主要通过以下三种方式：航空摄影测量、地面测量和已有图纸数字化。航空摄影测量的方式适用于高精度大范围DEM的生产，但是用于地形监测，范围过大，成本较高。利用基于CORS的网络RTK行地面测量获取DEM可以极大地节省人力物力，提高工作效率，并且能够在范围和精度上满足DEM的要求，能够替代传统地面测量获取DEM的方式。随着GIS技术的发展，其在构造地形中的应用也越来越广泛。

2 DEM在构造地貌研究中的应用新进展

2.1 利用网格DEM建立构造地形数据模型的概述

DEM是数字地形模型（DTM）的一个分支，是DTM中最基本的部分。DTM是地形表面形态属性的数字表达，是对地理空间中位置及其地形属性的描述。当DTM所描述的地形属性是高程时，则为数字高程模型（DEM）。实际上，DEM是描述地表单元空间位置和地形属性分布的有序集合，它以某一地理范围内的地形数据为基础，通过一定的数学变换，将某一地理范围内的地形地物以三维空间的形式表示在一个二维的平面上，以离散分布的平面点来模拟分布的地形。

GRID模型是目前DEM常用的形式，其数据的组织类似于图像栅格数据，只是每个像元的值是高程值。对于每个格网的数值有两种不同的解释：①格网栅格观点，认为该格网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一的高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数；②点栅格观点，认为该网格单元的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值。

2.2 利用网格DEM建立构造地形数据模型的优点

格网DEM的优点是：数据结构简单，便于管理；有利于地形分析，以及制作立体图。其缺点是：格网点高程的内插会损失精度；格网过大会损失地形的关键特征，如山峰、洼坑、山脊等。对于格网的生成，采用内插的方法来得到。TIN是专为产生DTM数据而设计的一种采样表示系统。TIN表示法是利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点（各三角形的顶点）连接成相互连续的三角面。TIN能较好的顾及地貌特征，逼真地表示复杂地形特征，并能克服地形起伏不大区域的数据冗余问题，但是由于数据量大，数据结构复杂建模费时，表面分析能力较差。

2.3 高程插值函数的应用

高程内插是DEM地表形态重构必不可少的环节，高程内插模型成为众多DEM研究者关注的重点，先后研究并提出了近百种内插模型。大量研究表明，不同的插值方法生成的DEM具有明显的差异，而这种差异对地形分析结果也有显著的影响。

2.4 利用网格DEM建立构造地形数据模型的具体操作

DEM是确定综合尺度条件下对地形的近似描述，无论是综合地形显式或隐式存在，地形综合都是DEM地形描述不可逾越的过程。由于综合过程的客观存在，任何一个尺度的DEM地表形态，除了在地表形态突变部位，其他地表形态都具有一定程度的保凸性、光滑性和平顺性特征。然而，现有的格网DEM地表形态重构过程，都是直接以DEM格网点离散采样数据，按照简单四边形面片或三角形面片重构格网DEM地形表面，实际综合地形被表达成一系列折面片，从而导致格网DEM所生成的等高线变得生硬且不准确。

综上所述，利用网格DEM建立构造地形数据模型就要生成高质量等高线，首先是实现高精度格网DEM地表形态重构，即以DEM离散格网点高程数据，采用合适的曲面重构方法，准确且无歧义地再现该DEM所描述的综合地形的地形曲面形态。严格意义上的格网DEM地表形态重构过程，应以格网DEM数据为基础，建立严密的全域三维数学曲面方程，但由于地表形态的复杂多样性，已远远超出了当前数学曲面方程的模拟能力，因此，在实际应用中通常采用某种插值方法的格网加密法，建立不同格网分辨率的地表形态曲面。

对于利用格网DEM生成等高线问题，要探讨了格网DEM生成等高线的方法；在格网DEM提取等高线基本算法基础上，设计了如何得到格网对角线上内插等高点的算法，在一定程度优化了山脊、山谷等地形变化部位的等高线生成精度；总体来说，现有研究仅给出了利用DEM生成等高线的基本方法，在沟道、山脊等地形变化部位生成的等高线生硬，且经常出现等高线相交、异常闭合等错误现象，还不能生成具有良好保凸性、光滑性、平顺性特征的高质量等高线。为此，在剖析DEM地表形态描述机理的基础上，提出DEM格网加密技术的高质量等高线生成方法，以期能有效解决这一需求。

3 结束语

综上所述，目前，DEM的应用已从地形参数统计值的解算，逐步走向顾及局地形态精度的地形参数解析及地表过程模拟分析，在新一代DEM数据的生产中，迫切需要考虑地表形态精度的评价与控制问题。实验表明，对于已确定综合尺度的地形，存在最优DEM格网分辨率阈值，实际DEM格网分辨率应尽可能等于该阈值，高于该阈值仅会增加数据冗余而不会提升地表形态精度，低于该阈值后DEM将难以再现原始综合地形，导致不同程度的地表形态描述失真。关于如何确定顾及地表形态精度的最优DEM格网分辨率阈值，值得进一步深入研究。

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P931[文献码]B

1000-405X（2015）-11-120-1