数字高程模型
数字高程模型（DEM）——知识汇总
数字高程模型（DEM）——知识汇总一、数字高程的定义数字高程模型（Digital Elevation Model,简称DEM）是DTM中最基本的部分，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数学表达。
DEM表示区域D上的三维向量有限序列，用函数的形式描述为：式中,X i,Y i是平面坐标，Z i是（X i ,Y i）对应的高程。
二、数字高程的特点1）表达的多样性，容易以多种形式显示地形信息。
2）精度的恒定，常规地图对着时间的推移，图纸将会变形，而DEM采用数字媒介，能够保持精度不变。
3）更新的实时性，容易实现自动化，实时化。
4）具有多比例尺特性。
三、数字地面模型（DTM）、数字高程模型（DEM）和数字地形模型（DGM）的区别表 1 三者的区别与联系四、数字高程数据1. 来源：DEM数据包括平面和高程两种信息，常用的数据来源有：影像，现有的地形图，地球本身，其他数据源。
2. 数字高程数据类型1) 分辨率①. 10米DEM数据全国10米数字高程模型数据，为栅格图像数据，图像分辨率为10米，数学基础采用2000国家大地坐标系（CGCS2000）及Albers投影。
数据像素值记录了点位高程。
高程值计量单位为米。
②. 12.5米DEM数据12.5米DEM数据是由ALOS的PALSAR传感器采集。
该传感器具有高分辨率、扫描式合成孔径雷达、极化三种观测模式。
该数据水平及垂直精度可达12米。
ALOS（Advanced Land Observing Satellite）卫星于2006年1月24日由日本发射升空，载有3个传感器：全色测绘体例测绘仪（PRISM），主要用于数字高程测绘；先进可见光与近红外辐射计-2（AVNIR-2），用于精确陆地观测；相控阵型L波段合成孔径雷达（PALSAR），用于全天时全天候陆地观测。
③. 不同分辨率下的晕渲图对比10m分辨率数据12.5m分辨率数据来源： databox.store/product/Details/344图1 不同分辨率下的晕渲图2) 遥感测量方法a) SRTM数据SRTM（Shuttle Radar Topography Mission），由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量。
数字高程模型
数字高程模型数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是一种用于表示地球表面高程信息的数字模型。
它通常是基于地理空间数据采集和处理技术得到的数字地形模型，反映了地表不同位置的高程值。
数字高程模型在地理信息系统、地貌分析、水文模拟等领域具有广泛的应用价值。
数字高程模型的原理和构建方法数字高程模型是通过采集地表高程信息，构建数学模型，并进行数字化表达得到的。
构建数字高程模型的最基本方法是通过激光雷达、全球定位系统（GPS）等技术采集地面高程点，并据此构建高程表面模型。
另一种常用的方法是通过航空或卫星影像获取地表高程信息，并结合插值算法生成数字高程模型。
数字高程模型生成的过程中，需要考虑地球椭球体形状、椭球体参数、大地水准面等因素，并进行数学变换和处理以得到准确的高程数据。
常用的数字高程模型包括数字地面模型（DSM）、数字地形模型（DTM）等，它们之间的区别在于对地物表面和地表以下构造的不同描述。
数字高程模型在地理信息系统中的应用数字高程模型在地理信息系统中有广泛的应用，主要包括地形分析、三维可视化、洪水模拟、景观规划等方面。
在地形分析中，数字高程模型可以用于提取地形特征，计算坡度、坡向、流域分割线等地形参数，进而实现地貌分类、地形图绘制等功能。
三维可视化是数字高程模型应用的一个重要领域，通过将数字高程模型与空间数据结合，可以实现虚拟地形的构建和沉浸式视角的展示。
在洪水模拟和预测方面，数字高程模型可以用于模拟雨水径流路径、洪水淹没范围等，为防洪减灾提供重要的数据支持。
数字高程模型的发展趋势随着遥感技术、地理信息系统技术以及计算机处理能力的不断提升，数字高程模型的精度和分辨率也在不断提高。
未来，数字高程模型将更加精细化、高分辨率化，应用领域也将更加广泛，涉及城市规划、资源管理、环境保护等方面。
另外，数字高程模型的数据融合、多源信息整合、模型开放共享等方向也是未来发展的重点。
数字高程模型
1、数字高程模型：它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型（简称DTM)的一个分支，是表示区域D上的三维向量有限序列。
2、DTM：数字地形模型是利用一个任意坐标系中大量选择的已知x、y、z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，DTM就是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。
3、TIN：不规则三角网，通过从不规则分布的数据点生成的连续三角面来逼近地形表面。
4、测绘4D产品（即DLG数字线划图、DRG数字栅格影像、DEM、DOM数字正射影像）：DLG：现有地形图上基础地理要素分层存储的矢量数据集。
数字线划图既包括空间信息也包括属性信息。
DRG：数字栅格地图是纸制地形图的栅格形式的数字化产品。
DEM：数字高程模型是以高程表达地面起伏形态的数字集合。
DOM：数字正射影像利用航空相片、遥感影像，经象元纠正，按图幅范围裁切生成的影像。
5、连续不光滑DEM：指每个数据点代表的只是连续表面上的一个采样值，而表面的一阶导数或更高阶导数不连续的情况。
6、数字地貌模型：是地貌形体及其空间组合的数字形式，是一维、二维、三维、四维空间地貌的可视描述和模拟。
7、DEM误差：DEM高程值与真实值的差异9、插值：根据不同数据集的不同方式，DEM建模可以使用一个或多个数学函数对地表进行表示。
根据若干相邻参考点的高程求出待定点上的高程值。
（内插）14、不规则镶嵌数据模型：用相互关联的不规则形状与边界的小面块集合来逼近不规则分布的地形表面15、行程编码结构：对于一幅栅格图像，常常有行或列方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容，即只在各行或列数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数，从而实现压缩16、细节层次模型：对同一个区域或区域中的局部使用具有不同细节的描述方法得到的一组模型。
DEM数字高程模型
概述：DEM旳点模式表达
高程矩阵(规则矩形格网)，与栅格地图相同。 ●表达措施：将区域划提成网格，统计每个网格旳 高程； ●线模型到高程矩阵旳转换。 ◆优点：计算机处理以栅格为基础旳矩阵很以便， 使高程矩阵成为最常见旳DEM； ◆缺陷：在平坦地域出现大量数据冗余；若不变化 格网大小，就不能适应不同旳地形条件；在视线计 算中过分依赖格网轴线。
概述：建立DEM旳目旳
1）作为国家地理信息旳基础数据； 2）土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计； 3）为军事目旳而进行旳三维显示； 4）景观设计与城市规划； 5）流水线分析、可视性分析； 6）交通路线旳规划与大坝选址； 7）不同地表旳统计分析与比较； 8）生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等； 9）作为背景叠加多种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，以 进行显示与分析； 10）与GIS联合进行空间分析； 11）虚拟现实(Virtual Reality)； 另外，从DEM还能派生下列主要产品：平面等高线图、立体等高线图、等 坡度图、晕渲图、通视图、纵横断面图、三维立体透视图、三维立体彩色图 等。
等高线插值法
三、DEM旳应用
概述应用： 1、三维景观 2、数码城市和虚拟现实 3、DEM在工程上旳应用 应用算法： 1、基于DEM旳信息提取 2、等高线旳绘制 3、基于DEM旳可视化分析
三维景观
数码城市和虚拟现实
City Model
Attribute RDB
DOM
DEM
DLG
数码深圳
3D 建筑
空间插值措施转换成点模式格式数据。
DEM旳生成
措施： 1、人工格网法 2、三角网法 3、立体像对法 4、曲面拟正当 5、等值线插值法
人工格网法
第7章-数字高程模型
1 数字高程模型的定义
地形表面形态等多种信息的一个数字表示
DTM是定义在某一区域D上的m维向量有限序 列：
{Vi ,i 1,2,, n}
➢数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）或 DHM(Digital Height Model) 是表示区域D上地形的三维向量有限序列
0
1 L
L
2kX
[{
0
Ck cos(
k 0
L
k
)
k 0
Ck
cos(2kX
L
k
)]}2
dX
2 z
1 2
m
(Ck
k 0
Ck )2 dX
1 2
m
(1
k 0
Ck Ck
)2 Ck2
1 2
m
[1
k 0
H (uk )]2Ck2
采样间隔和地形的复杂程度
2.利用检查点的DEM精度评定
在DEM内插时，预留一部分数据点作 为检查点,在建立DEM之后，由DEM内 插出这些点的高程，DEM的精度
“任何一个圆滑的数学表面总是可以用一 系列有规则的数学表面的总和，以任意的 精度进行逼近。”也就是一个数学表面上 某点（X，Y）处高程Z的表达式为:
n
Z f (X ,Y ) ajq(X ,Y , X j,Yj ) j 1
a1q(X ,Y , X1,Y1) a2q(X ,Y , X 2,Y2) anq(X ,Y , X n,Yn )
深度学习在DEM数据获取中的应用
1.针对激光点云的地面点和非地面点的分类处理： 一处理Lidar数据，提取每个点与周围点之间的相对高差并将其
转换为表示点特征的图像，用于神经网络的训练。分离地物点
数字高程模型
对地面地形的数字化模拟
01 简介
03 形式
目录
02 建立方法 04 数据来源
05 分辨率
07 产品案例
目录
06 用途
数字高程模型（Digital Elevation Model)，简称DEM，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字 化模拟（即地形表面形态的数字化表达），它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是 数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。
(2)不规则三角。不规则三角是用不规则的三角表示的DEM，通常称DEM或TIN(Triangulated Irregular Network)，由于构成TIN的每个点都是原始数据，避免了内插精度损失，所以TIN能较好地估计地貌的特征点、线， 表示复杂地形比矩形格精确。但是TIN的数据量较大，除存储其三维坐标外还要设点连线的拓扑关系，一般应用 于较大范围航摄测量方式获取数值 。
一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线 性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在 DEM的基础上派生。
简介
DTM的另外两个分支是各种非地貌特性的以矩阵形式表示的数字模型，包括自然地理要素以及与地面有关的 社会经济及人文要素，如土壤类型、土地利用类型、岩层深度、地价、商业优势区等等。实际上DTM是栅格数据 模型的一种。它与图像的栅格表示形式的区别主要是：图像是用一个点代表整个像元的属性，而在DTM中，格的 点只表示点的属性，点与点之间的属性可以通过内插计算获得 。
用途
由于DEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国 民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。如在工程建设上，可用于如土方量计算、通视分析 等；在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析如汇水区分析、水系络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基 础;在无线通讯上，可用于蜂窝的基站分析等等。
如何进行数字高程模型的建立
如何进行数字高程模型的建立数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是一种用于描述地球表面地形和海底地形的数值模型。
它以栅格形式存储，通过离散点的高程值来代表地球表面的形状。
DEM的建立对于地理信息系统、地质勘探、城市规划等领域具有重要意义。
本文将探讨如何进行数字高程模型的建立。
一、数据采集数字高程模型的建立首先需要采集地面高程数据。
目前，主要有两种数据采集方法：激光雷达和光学影像测量。
激光雷达是一种使用激光束测量地面高程的技术。
利用激光雷达扫描地面并记录反射回来的激光束，可以得到地面表面的坐标和高程信息。
由于其高度精度和数据密度高的特点，激光雷达被广泛应用于数字高程模型的建立。
另一种常用的数据采集方法是光学影像测量。
利用航空摄影或卫星遥感技术，可以获取地表影像。
通过解算影像上的像素点坐标，并结合地物的形状和位置信息，可以得到地表的高程模型。
二、数据处理采集到的地面高程数据往往需要进行预处理和后处理，以得到更精确和可靠的数字高程模型。
预处理包括数据去噪、滤波和插值等步骤。
由于采集过程中可能会受到噪声的影响，需要对数据进行去噪处理，以提高数据的准确性。
滤波是指通过平滑算法对数据进行处理，消除异常值和噪声。
插值则是利用已知的高程数据，通过数学算法来估计缺失的高程值。
后处理主要包括数据精度评定和质量控制。
在数据处理过程中，需要对数据的精度进行评定，以验证数字高程模型的准确性。
同时，还要进行质量控制，确保数据的一致性和完整性。
三、数字高程模型应用数字高程模型具有广泛的应用价值。
它不仅可以用于地理信息系统、城市规划和地质勘探等领域，还可以为气象预测、水文模拟和自然资源管理提供支持。
在地理信息系统中，数字高程模型可以用于地形分析、地貌模拟和地学研究。
例如，通过DEM可以计算坡度和坡向，进行水流累积和分布模拟，帮助分析洪水风险和地表蚀变等自然地理问题。
在城市规划中，数字高程模型可以用于土地利用规划、建筑物布局和交通规划。
数字高程模型的认识
城市规划与建设
数字高程模型在城市规划与建设中具有广泛的应用价值。通过数字高程模型，规 划师可以获取城市地形信息，了解城市的地貌特征和地表形态，为城市空间布局 、道路规划、排水系统设计等提供依据。
数字高程模型还可以用于城市景观设计、绿化规划等方面，提高城市的生态环境 质量和美学价值。
土地资源调查
土地资源调查是数字高程模型应用的另一个重要领域。通 过数字高程模型，可以获取土地资源的地形信息，了解土 地资源的分布、质量和利用状况，为土地资源的合理利用 和保护提供科学依据。
数据采集
通过地面测量、航空摄影测量 和卫星遥感等方式获取地形数 据。
网格生成
将处理后的地形数据转换为数 字高程模型，通常采用规则或 不规则的网格形式进行表示。
流程
DEM的建立流程包括数据采集、 数据处理、网格生成和质量控 制等步骤。
数据处理
对采集到的地形数据进行预处 理、编辑和整理，以确保数据 的质量和准确性。
数据可视化与表达
可视化表达
将数字高程模型转换为可视化的地形图，便于分析和应用。
可视化技术
利用GIS、三维可视化等技术，实现数字高程模型的动态展示和交互操作。
04
数字高程模型的精度与 误差分析
精度影响因素
数据源
数字高程模型的数据源直接影响其精度，高质量 的数据源能够提供更准确的地面高程信息。
采样间隔
详细描述
高分辨率数字高程模型能够捕捉到更多的地形细节，对于城市规划、土地利用、地质调 查等领域具有重要意义。同时，精细化的发展趋势使得数字高程模型能够更好地模拟和
预测地形地貌的变化。
多源数据融合与集成应用
总结词
多源数据的融合和集成应用是数字高程模型 发展的重要方向，能够提高模型的准确性和 可靠性。
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图廓内/外整饰和注记的平面图。
DOM同时具有地图几何精度和影像特征，精度高、信 息丰富、直观真实、制作周期短。它可作为背景控制信息，
评价其它数据的精度、现实性和完整性，也可从中提取自
然资源和社会经济发展信息，为防灾治害和公共设施建设
规划等应用提供可靠依据。
16
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DEM与DLG叠加
DLG与DRG叠加
DTM就是地形表面形态属性信息的数字表达， 是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。 地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡 向等，而广义的DTM还包含地物、自然资源、环境、 社会经济等信息。
7
DTM的发展历程
1. 50年代末形成概念；最早由Miller(1956年) 提出，用于解 决高速公路的自动设计；
DLG按不同的地图要素分为若干数据层（如：交通、水
系、植被、行政区划等），可以根据不同的需要实现地图要
素的分层提取或相互叠加，满足GIS的空间检索和空间分析，
因此它被视为带有智能的数据。它还可以和DOM叠加成复合
产品，制作各种专题地图或电子地图，满足各专业部门的需
要。可用于建设规划、资源管理、投资环境分析等各个方面
应用领域：基础测绘、城市规划、国土资源调查、铁 路、公路、水利、电力、能源、环保、农业、林业、海洋、 电信等。
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DLG
数字线划地图（Digital Line Graphic，缩写DLG）是 地形图基础要素信息的矢量数据集，其中保存着要素间的空 间关系和相关的属性信息，能较全面的描述地表目标。
2. 60-70年代主要进行插值问题的研究，即研究如何精确地 表达地面模型；
3. 70年代中后期主要进行采样问题的研究，即研究多途径 （包括等高线、规则格网、解析仪等）的数据获取问题；
4. 80-90年代对DTM的研究涉及很多方面，包括其精度、地 形分类、质量控制、数据压缩、DTM应用等；
5. 90年代以后主要着重于DTM的地形特征提取及分析研究。
3
➢ 18世纪，随着测绘技术的发展，高程数据和平面位置数据 的获取成为可能，对地形的表达也由写景式的定性表达逐 步过渡到以等高线为主的量化表达。用等高线进行地表形 态描述具有直观、方便、可测量等特性，是制图学史上的 一项最重要的发明。
➢ 19世纪初期，平版印刷技术的发展使得用连续色调变化和 阴影变化模拟不规则的地表形态成为可能。但直到19世纪 后期，才将地貌晕渲作为一种区域符号广泛地应用于地形 表达之中，阴影变化具有显示斜坡的能力。
8
DEM的概念
• 数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM） 是表示区域D上地形三维向量的有限序列{Vi=
(Xi, Yi, Zi)}，其中（Xi, Yi∈D）是平面坐标， Zi是（Xi, Yi）对应的高程； DHM( Digital
Height Model)是一个与DEM等价的概念；
第七章 DEM与数字地形分析
表面分析
1
第一节 概述
2
地表形态的表达 ——从模拟到数字
➢ 早期由于测绘知识的缺乏，对地形表面形态的描述主要采 用象形绘图方法进行，例如山体用岩石堆符号表示，山体 范围用一系列的“鱼鳞”符号或类似锥形的符号表示。
➢ 17世纪以后，人们逐步意识到地面起伏变化对气温、植被、 环境等的深刻影响，对地面形态的表达成为人们愈来愈关 心的问题，因此以写景方式进行地形刻画成为这一时期的 主流，如先后出现的透视写真图、晕渲法、斜视区域图、 地貌写景图、地貌形态图等等。
9
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4D产品
• 4D产品：数字高程模型(DEM)、数字正射影像图(Digital OrthoimageMap，DOM)、数字线划图(Digital Line Graphic, DLG) 和数字栅格地图(Digital Raster Graphic, DRG)。前3D为国家空间数据基础设施（NSDI）的框架 数据。
• 现代数字地图主要由DOM (数字正射影像图)、DEM (数字 高程模型)、DRG (数字栅格地图)、DLG (数字线划地图) 以及复合模式组成。
11
DRG
数字栅格地图(DRG)是纸质地图的栅格数字化产品。 每幅图经扫描、几何纠正 、图幅处理与数据的压缩处理， 形成在内容、精度和色彩上与地图保持一致的栅格文件。 彩色地形图还应经色彩校正，使每幅图像的色彩基本一致。 数字栅格地图在内容上、几何精度和色彩上与国家基本比 例尺地形图保持一致。
• 1958年，美国麻省理工学院摄影测量实验室主任Miller教 授对计算机和摄影测量技术的结合在计算机辅助道路设计 方面机进行了实验。他在立体测图仪所建立的光学立体模 型上，量取了设计道路两侧大量地形点的三维空间坐标， 并将其输入计算机，由计算机取代人进行土方计算、方案 遴选等繁重的手工作业。Miller在成功解决道路工程计算 机辅助设计问题的同时，也证明了用计算机进行地形表达 的可行性以及巨大的应用潜力和经济效益。
DOM与DEM叠加
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以DEM+DOM+DLG为数据结构的电子地图服务正悄 悄成为是市场主流 ,如：
以及作为人口、资源、环境、交通、治安等各专业信息系统
的空间定位基础。
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DOM
数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，缩写DOM） 是利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空像片/遥感 影像（单色/彩色），经逐象元进行纠正，再按影像镶嵌， 根据图幅范围剪裁生成的影像数据。一般带有公里格网、
• 随后Miller和LaFamme在Photogrammetric Engineering杂 志上发表题为“The digital terrain model:theory and application”的论文，首次提出了数字地面模型的概念
6
DTM的概念
数字地面模型（Digital Terrain Model, DTM）
由于等高线地形图的可测量性和地貌晕渲表示地形结 构所具有的三维可视化效果，使这两种方法称为20世纪以 来地形图主要的表示方法和手段。
4
5
• 20世纪40年代计算机技术的出现和随后的蓬勃发展，以及 相关技术，如计算机图形学、计算机辅助制图、现代数学 理论等的完善和实用，各种数字地形的表达方式得到迅速 发展。