■盧紅艷

(遼寧省地理信息院 遼寧沈陽 110034)

淺析DEM在構(gòu)造地貌研究中的應(yīng)用新進(jìn)展

■盧紅艷

(遼寧省地理信息院 遼寧沈陽 110034)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)地形地貌的追求也越來越高，尤其是對(duì)構(gòu)造地貌研究要求極高。本文對(duì)數(shù)字高程模型(DEM)在構(gòu)造地貌研究中的應(yīng)用新進(jìn)展進(jìn)行分析以供參考。

DEM構(gòu)造地貌研究

0 引言

為了將地形的高低起伏狀態(tài)真實(shí)地模擬出來，根據(jù)具體的制作要求，制成不同格網(wǎng)精度的數(shù)字高程模型DEM。DEM是建立“數(shù)字城市”的基礎(chǔ)信息之一，與數(shù)字正射影像DOM疊加形成一個(gè)真實(shí)反映地形地貌的三維模型。DEM是多學(xué)科交叉與滲透的高科技產(chǎn)物，已在測(cè)繪、資源與環(huán)境、災(zāi)害防治、國防等與地形分析有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。

1 DEM構(gòu)造地貌研究概述

DEM作為數(shù)字地形模擬的一種表達(dá)形式，已成為數(shù)字地形建設(shè)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是用以構(gòu)建城市三維景觀，進(jìn)行各種線路(鐵路、公路、輸電線路等)的設(shè)計(jì)和土石方工程數(shù)量計(jì)算，進(jìn)行坡度、流域、江水面積、洪水流量計(jì)算、通視分析、以及繪制任意斷面圖。DEM在生產(chǎn)管理、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)、土地復(fù)墾中也發(fā)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(cè)量、地面測(cè)量和已有圖紙數(shù)字化。航空攝影測(cè)量的方式適用于高精度大范圍DEM的生產(chǎn)，但是用于地形監(jiān)測(cè)，范圍過大，成本較高。利用基于CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK行地面測(cè)量獲取DEM可以極大地節(jié)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(tǒng)地面測(cè)量獲取DEM的方式。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，其在構(gòu)造地形中的應(yīng)用也越來越廣泛。

2 DEM在構(gòu)造地貌研究中的應(yīng)用新進(jìn)展

2.1 利用網(wǎng)格DEM建立構(gòu)造地形數(shù)據(jù)模型的概述

DEM是數(shù)字地形模型（DTM）的一個(gè)分支，是DTM中最基本的部分。DTM是地形表面形態(tài)屬性的數(shù)字表達(dá)，是對(duì)地理空間中位置及其地形屬性的描述。當(dāng)DTM所描述的地形屬性是高程時(shí)，則為數(shù)字高程模型（DEM）。實(shí)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(nèi)的地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過一定的數(shù)學(xué)變換，將某一地理范圍內(nèi)的地形地物以三維空間的形式表示在一個(gè)二維的平面上，以離散分布的平面點(diǎn)來模擬分布的地形。

GRID模型是目前DEM常用的形式，其數(shù)據(jù)的組織類似于圖像柵格數(shù)據(jù)，只是每個(gè)像元的值是高程值。對(duì)于每個(gè)格網(wǎng)的數(shù)值有兩種不同的解釋：①格網(wǎng)柵格觀點(diǎn)，認(rèn)為該格網(wǎng)單元的數(shù)值是其中所有點(diǎn)的高程值，即格網(wǎng)單元對(duì)應(yīng)的地面面積內(nèi)高程是均一的高度，這種數(shù)字高程模型是一個(gè)不連續(xù)的函數(shù)；②點(diǎn)柵格觀點(diǎn)，認(rèn)為該網(wǎng)格單元的數(shù)值是網(wǎng)格中心點(diǎn)的高程或該網(wǎng)格單元的平均高程值。

2.2 利用網(wǎng)格DEM建立構(gòu)造地形數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)

格網(wǎng)DEM的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于管理；有利于地形分析，以及制作立體圖。其缺點(diǎn)是：格網(wǎng)點(diǎn)高程的內(nèi)插會(huì)損失精度；格網(wǎng)過大會(huì)損失地形的關(guān)鍵特征，如山峰、洼坑、山脊等。對(duì)于格網(wǎng)的生成，采用內(nèi)插的方法來得到。TIN是專為產(chǎn)生DTM數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的一種采樣表示系統(tǒng)。TIN表示法是利用所有采樣點(diǎn)取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點(diǎn)（各三角形的頂點(diǎn)）連接成相互連續(xù)的三角面。TIN能較好的顧及地貌特征，逼真地表示復(fù)雜地形特征，并能克服地形起伏不大區(qū)域的數(shù)據(jù)冗余問題，但是由于數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜建模費(fèi)時(shí)，表面分析能力較差。

2.3 高程插值函數(shù)的應(yīng)用

高程內(nèi)插是DEM地表形態(tài)重構(gòu)必不可少的環(huán)節(jié)，高程內(nèi)插模型成為眾多DEM研究者關(guān)注的重點(diǎn)，先后研究并提出了近百種內(nèi)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(duì)地形分析結(jié)果也有顯著的影響。

2.4 利用網(wǎng)格DEM建立構(gòu)造地形數(shù)據(jù)模型的具體操作

DEM是確定綜合尺度條件下對(duì)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(gè)尺度的DEM地表形態(tài)，除了在地表形態(tài)突變部位，其他地表形態(tài)都具有一定程度的保凸性、光滑性和平順性特征。然而，現(xiàn)有的格網(wǎng)DEM地表形態(tài)重構(gòu)過程，都是直接以DEM格網(wǎng)點(diǎn)離散采樣數(shù)據(jù)，按照簡(jiǎn)單四邊形面片或三角形面片重構(gòu)格網(wǎng)DEM地形表面，實(shí)際綜合地形被表達(dá)成一系列折面片，從而導(dǎo)致格網(wǎng)DEM所生成的等高線變得生硬且不準(zhǔn)確。

綜上所述，利用網(wǎng)格DEM建立構(gòu)造地形數(shù)據(jù)模型就要生成高質(zhì)量等高線，首先是實(shí)現(xiàn)高精度格網(wǎng)DEM地表形態(tài)重構(gòu)，即以DEM離散格網(wǎng)點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，采用合適的曲面重構(gòu)方法，準(zhǔn)確且無歧義地再現(xiàn)該DEM所描述的綜合地形的地形曲面形態(tài)。嚴(yán)格意義上的格網(wǎng)DEM地表形態(tài)重構(gòu)過程，應(yīng)以格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立嚴(yán)密的全域三維數(shù)學(xué)曲面方程，但由于地表形態(tài)的復(fù)雜多樣性，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前數(shù)學(xué)曲面方程的模擬能力，因此，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用某種插值方法的格網(wǎng)加密法，建立不同格網(wǎng)分辨率的地表形態(tài)曲面。

對(duì)于利用格網(wǎng)DEM生成等高線問題，要探討了格網(wǎng)DEM生成等高線的方法；在格網(wǎng)DEM提取等高線基本算法基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如何得到格網(wǎng)對(duì)角線上內(nèi)插等高點(diǎn)的算法，在一定程度優(yōu)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(xiàn)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(jīng)常出現(xiàn)等高線相交、異常閉合等錯(cuò)誤現(xiàn)象，還不能生成具有良好保凸性、光滑性、平順性特征的高質(zhì)量等高線。為此，在剖析DEM地表形態(tài)描述機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出DEM格網(wǎng)加密技術(shù)的高質(zhì)量等高線生成方法，以期能有效解決這一需求。

3 結(jié)束語

綜上所述，目前，DEM的應(yīng)用已從地形參數(shù)統(tǒng)計(jì)值的解算，逐步走向顧及局地形態(tài)精度的地形參數(shù)解析及地表過程模擬分析，在新一代DEM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)中，迫切需要考慮地表形態(tài)精度的評(píng)價(jià)與控制問題。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于已確定綜合尺度的地形，存在最優(yōu)DEM格網(wǎng)分辨率閾值，實(shí)際DEM格網(wǎng)分辨率應(yīng)盡可能等于該閾值，高于該閾值僅會(huì)增加數(shù)據(jù)冗余而不會(huì)提升地表形態(tài)精度，低于該閾值后DEM將難以再現(xiàn)原始綜合地形，導(dǎo)致不同程度的地表形態(tài)描述失真。關(guān)于如何確定顧及地表形態(tài)精度的最優(yōu)DEM格網(wǎng)分辨率閾值，值得進(jìn)一步深入研究。

[1]周獻(xiàn)中,鄭華利.基于可變形模型及區(qū)域流向分析的等高線自適應(yīng)矢量化算法 [J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2004,27(8):1056-1063.

[2]李述,劉勇.掃描地形圖等高線自動(dòng)提取 [J].測(cè)繪通報(bào),2007(1):65-67.

[3]李偉青,彭群生.基于連貫性的地形等高線提取方法研究 [J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2001,24 (9):938-943.

P931[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-120-1