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(jīng)濟的飛速發(fā)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(shù)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(tài)真實地模擬出來，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”的基礎信息之一，與數(shù)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(chǎn)物，已在測繪、資源與環(huán)境、災害防治、國防等與地形分析有關的各個領域發(fā)揮著越來越大的作用。

1 DEM構造地貌研究概述

DEM作為數(shù)字地形模擬的一種表達形式，已成為數(shù)字地形建設的重要基礎數(shù)據(jù)，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(shù)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(chǎn)管理、生態(tài)環(huán)境評價、土地復墾中也發(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：航空攝影測量、地面測量和已有圖紙數(shù)字化。航空攝影測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，范圍過大，成本較高。利用基于CORS的網(wǎng)絡RTK行地面測量獲取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)地面測量獲取DEM的方式。隨著GIS技術的發(fā)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(wǎng)格DEM建立構造地形數(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，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(shù)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(nèi)的地形數(shù)據(jù)為基礎，通過一定的數(shù)學變換，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(shù)據(jù)的組織類似于圖像柵格數(shù)據(jù)，只是每個像元的值是高程值。對于每個格網(wǎng)的數(shù)值有兩種不同的解釋：①格網(wǎng)柵格觀點，認為該格網(wǎng)單元的數(shù)值是其中所有點的高程值，即格網(wǎng)單元對應的地面面積內(nèi)高程是均一的高度，這種數(shù)字高程模型是一個不連續(xù)的函數(shù)；②點柵格觀點，認為該網(wǎng)格單元的數(shù)值是網(wǎng)格中心點的高程或該網(wǎng)格單元的平均高程值。

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

格網(wǎng)DEM的優(yōu)點是：數(shù)據(jù)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(wǎng)點高程的內(nèi)插會損失精度；格網(wǎng)過大會損失地形的關鍵特征，如山峰、洼坑、山脊等。對于格網(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)而設計的一種采樣表示系統(tǒng)。TIN表示法是利用所有采樣點取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點（各三角形的頂點）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)結構復雜建模費時，表面分析能力較差。

2.3 高程插值函數(shù)的應用

高程內(nèi)插是DEM地表形態(tài)重構必不可少的環(huán)節(jié)，高程內(nèi)插模型成為眾多DEM研究者關注的重點，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，而這種差異對地形分析結果也有顯著的影響。

2.4 利用網(wǎng)格DEM建立構造地形數(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(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)重構過程，都是直接以DEM格網(wǎng)點離散采樣數(shù)據(jù)，按照簡單四邊形面片或三角形面片重構格網(wǎng)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(wǎng)DEM所生成的等高線變得生硬且不準確。

綜上所述，利用網(wǎng)格DEM建立構造地形數(shù)據(jù)模型就要生成高質量等高線，首先是實現(xiàn)高精度格網(wǎng)DEM地表形態(tài)重構，即以DEM離散格網(wǎng)點高程數(shù)據(jù)，采用合適的曲面重構方法，準確且無歧義地再現(xiàn)該DEM所描述的綜合地形的地形曲面形態(tài)。嚴格意義上的格網(wǎng)DEM地表形態(tài)重構過程，應以格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)為基礎，建立嚴密的全域三維數(shù)學曲面方程，但由于地表形態(tài)的復雜多樣性，已遠遠超出了當前數(shù)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(wǎng)加密法，建立不同格網(wǎng)分辨率的地表形態(tài)曲面。

對于利用格網(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上，設計了如何得到格網(wǎng)對角線上內(nèi)插等高點的算法，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、平順性特征的高質量等高線。為此，在剖析DEM地表形態(tài)描述機理的基礎上，提出DEM格網(wǎng)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(shù)統(tǒng)計值的解算，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(yōu)DEM格網(wǎng)分辨率閾值，實際DEM格網(wǎng)分辨率應盡可能等于該閾值，高于該閾值僅會增加數(shù)據(jù)冗余而不會提升地表形態(tài)精度，低于該閾值后DEM將難以再現(xiàn)原始綜合地形，導致不同程度的地表形態(tài)描述失真。關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，值得進一步深入研究。

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P931[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-120-1