科普 | 影像信息提取之——DEM提取

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数字高程模型DEM

DEM，（DigitalElevation Model，缩写DEM）是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作DOM的基础数据。

采集方式

(1)直接从地面测量,例如用GPS、全站仪、野外测量等;

(2)根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取,如立体坐标仪观测及空三加密法、解析测图、数字摄影测量等等;

(3)从现有地形图上采集，如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集然后通过内插生成DEM等方法。DEM内插方法很多,主要有分块内插、部分内插和单点移面内插三种。目前常用的算法是通过等高线和高程点建立不规则的三角网(TriangularIrregular Network, 简称TIN)。然后在TIN基础上通过线性和双线性内插建DEM。

获取途径

建立DEM的方法有多种，从数据源及采集方式主要有：根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获；野外测量或者从现有地形图上采集高程点或者等高线，后通过内插生成DEM等方法。如下表所示：

要想快速的获取大范围的DEM数据，卫星手段是一种好的方法。而且随着卫星传感器的发展，获取的DEM精度越来越高。如目前商业卫星最高分辨率的0.41米GeoEye-1，在使用高质量控制资料时，垂直精度的中误差可达到0.5米，可满足1:5000的地图比例尺生产。

目前具有单轨立体成像的卫星传感器主要有：

表示模型

三个模型都是用数字的方式表达，主要有以下表示模型：

l 规则格网模型

规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值，这个数值就是高程。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。

规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式，目前许多国家提供的DEM数据都是以规则格网的数据矩阵形式提供的。

这里我们可以看到，最常见的规则格网的存在形式就是图像。

l 等高线模型

等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知的高程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。

最常见的等高线模型的存在形式是矢量数据，高程值存放在矢量属性表中。

l 不规则三角网（TIN）模型

尽管规则格网DEM在计算和应用方面有许多优点，但也存在许多难以克服的缺陷：1）在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余；2）在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象；3）在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。

不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一种表示数字高程模型的方法[Peuker等，1978]，它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。

TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。

TIN的数据存储方式比格网DEM复杂，常见的有ArcGIS中TIN数据模型。

这三种表达模型中，使用最多也最简单的就是栅格图像（格网）。等高线模型往往在地形图或者线画图中表现。TIN由于数据存储较复杂，用的较少。值的注意的是，这三种模型很容易互相转换。

DTM、DEM、DSM傻傻分不清

1）DTM（Digital Terrain Model）

        最初是为了高速公路的自动设计提出来的（Miller，1956）。此后，它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制。在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测。在遥感应用中可作为分类的辅助数据。它还是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规划及洪水险情预报等。在军事上可用于导航及导弹制导、作战电子沙盘等。对DTM的研究包括DTM的精度问题、地形分类、数据采集、DTM的粗差探测、质量控制、数据压缩、DTM应用以及不规则三角网DTM的建立与应用等。

 2）DEM(Digital Elevation Model)

        是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作DOM的基础数据。

　　DEM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DTM的一个分支。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。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，格网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。

　　建立DEM的方法有多种。从数据源及采集方式讲有：(1)直接从地面测量,例如用GPS、全站仪、野外测量等；(2)根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取，如立体坐标仪观测及空三加密法、解析测图、数字摄影测量等等；(3)从现有地形图上采集，如格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集然后通过内插生成DEM等方法。DEM内插方法很多，主要有分块内插、部分内插和单点移面内插三种。目前常用的算法是通过等高线和高程点建立不规则的三角网(Triangular Irregular Network, TIN)。然后在TIN基础上通过线性和双线性内插建DEM。

　　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、气象、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、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础；在无线通讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等。

3）DSM(Digital Surface Model)

          是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。和DEM相比，DEM只包含了地形的高程信息，并未包含其它地表信息，DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程。在一些对建筑物高度有需求的领域，得到了很大程度的重视。

    DSM表示的是最真实的表达地面起伏情况，可广泛应用于各个行业。例如在森林地区，可以用于检测森林的生长情况；在城区，可以用于检查城市的发展情况；特别是众所周知的巡航导弹，它不仅需要数字地面模型，而更需要的是数字表面模型，这样才有可能使巡航导弹在低空飞行过程中，逢山让山，逢森林让森林。

下图形象地说明了DTM与DSM的不同

主要应用

（1）在国家数据库中存储数字地形图的高程数据；

（2）计算道理设计、其它民用和军事工程中挖填土石方量；
（3）为军事目的（武器导向系统、驾驶训练）的地表景观设计与规划（土地景观构筑）等显示地形的三维图形；
（4）越野通视度情况分析（也是为了军事和土地景观规划等目的）；
（5）规划道路线路、坝址选择等；问
（6）不同地面的比较和统计分析；
（7）计算坡度、坡向图，用于地貌晕渲的坡度剖面图。帮助地貌分析，估计侵蚀和径流等；
（8）显示专题信息或将地形起伏数据与专题数据如土壤、土地利用、植被答等进行组合分析；
（9）提供土地景观和景观处理模型的影像模拟所需的数据；
（10）用其它连续变化的特征代替高程后，DEM还可以表示如下方面：通行时间和费用、人口、直观风景标志、污染状况及地回下水水位等。

Arcgis水文分析-Dem提取集水区

一、流向提取Flow Direction

输入：使用dem数据；输出：flowdir_dem

二、洼地的判定-汇 sink

输入：flowdir_dem；输出：sink

三、分水岭-watershed

输入：1、flowdir_dem；2、sink；3、默认；

输出：Watersh_sink

四、分区分析-Zonal Statistics

输入：1、Watersh_sink；2.默认 value；3.ChangShaDEM30.tif高程数据；最后一个选择最小值

输出：ronal_min

五、计算洼地最高的高程-区域填充Zonal Fill

输入：1、1、Watersh_sink；2、flowdir_dem

输出：ronal_max

六、计算洼地深度-栅格计算器-Map Algebra

"ronal_max" - "ronal_min" 最大减去最小

输出结果：sinkdep

七、填洼-Fill

输入：原始dem数据；

输出：fill_men

八、无洼地的dem流向分析-Flow Direction

输入：fill_men

输出：demfill_dir

九、水流长度-Flow Length

输入：demfill_dir

输出：down_len

十、流量-Flow Accumulation

输入：demfill_dir

输出：flow_acc

十一、流量-栅格计算

使用flow_acc 进行栅格计算，输出streamnet

计算公式：Con("flow_acc">1000,1)

十二、栅格矢量化-Stream to Feature

输入：1、streamnet；2、demfill_dir

输出：StreamT_streamn1

十三、河流连接-Stream Link

输入：1、流向栅格 streamnet；2、流量栅格 demfill_dir

输出：streamlink

十四、子流域生成-Watershed

输入：1、demfill_dir；2、streamlink

输出：Watershed

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