在今年自然資源部發(fā)布的《實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)技術(shù)大綱（2021版）》中,，空間數(shù)據(jù)部分包括“數(shù)字高程模型 （DEM）,、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字正射影像（DOM）,、 真正射影像（TDOM）,、傾斜攝影三維模型、激光點(diǎn)云等,?！?nbsp;

近日，陜西測(cè)繪地理信息局也交出成果 —— 其承擔(dān)的實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)前期工作項(xiàng)目,，新疆166萬(wàn)平方千米數(shù)字高程模型(DEM)制作任務(wù)成果成功通過(guò)驗(yàn)收,，將作為國(guó)內(nèi)最權(quán)威、可靠,、全面,、現(xiàn)勢(shì)性好的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)提供給相關(guān)部門和其他行業(yè)使用。

這些空間數(shù)字模型和影像到底有什么區(qū)別,？為什么它們聽(tīng)上去,、看上去都那么像？它們來(lái)自何方,，又如何應(yīng)用？為什么實(shí)景三維,、自然資源管理,、“三調(diào)”,、防災(zāi)救災(zāi)...都離不開它們？

全球5米,、12.5米,、30米DEM

確定不是“繞口令”？

單看英文簡(jiǎn)稱,，DEM,、DSM、DOM,、TDOM..它們不僅讀起來(lái)像繞口令，看上去也像一家子 —— 不過(guò)在空間信息上,，它們確實(shí)有親戚關(guān)系，而且除了以上這些,，還有不少旁系派生,，妥妥的就是地形空間“全家桶”,。

第一位出場(chǎng)的肯定是最有名的，數(shù)字高程模型（DEM）,。

數(shù)字高程模型 （DEM）

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model),，是通過(guò)有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬（即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)）,。它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地面模型(Digital Terrain Model,，簡(jiǎn)稱DTM)的一個(gè)分支，其它各種地形特征值均可由此派生,。

值得注意的是,，雖然通過(guò)DEM通常表現(xiàn)出的是地理空間的圖像形態(tài)，實(shí)際上,，它是一種數(shù)字陣列信息模型（x,y,z),，描述地理空間中的地形高低起伏，通過(guò)表示模型和渲染后,，成為人們看到的地形圖,。

DEM有三種主要的表示模型：規(guī)則格網(wǎng)模型,，等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng),，上圖為不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）表示模型 | 圖：百度百科

由于DEM數(shù)據(jù)能夠反映一定分辨率的局部地形特征,，通過(guò)其可提取各種類型的地表形態(tài)信息，可用于繪制等高線,、坡度圖,、坡向圖、立體透視圖,、立體景觀圖,，并應(yīng)用于制作正射影像（DOM）、立體地形模型與地圖修測(cè),。所以,，廣義的DEM還包括等高線、三角網(wǎng)等所有表達(dá)地面高程的數(shù)字表示,。

DEM的形態(tài)多種多樣,，并不一定是三維立體的，也可通過(guò)渲染顏色深淺,，識(shí)別地形高低,。上圖為同一片區(qū)域的等高線和暈渲圖配準(zhǔn)制作的立體地形地圖 | 圖：Jo Hannah Asetre

DEM是研究分析地形、流域,、地物識(shí)別的重要原始資料,。

大家也發(fā)現(xiàn)了，在解釋DEM的同時(shí),，也出現(xiàn)了不少“親戚”的身影,，所以接下來(lái)請(qǐng)出的是DEM的長(zhǎng)輩 —— 數(shù)字地面模型（DTM）。

數(shù)字地面模型 （DTM）

數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model）,，是利用一個(gè)任意坐標(biāo)系中大量選擇的已知x,、y、z的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)連續(xù)地面的一種模擬表示,，或者說(shuō),，DTM就是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá),，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述,。x、y表示該點(diǎn)的平面坐標(biāo),，z值可以表示高程,、坡度,、溫度等信息，當(dāng)z表示高程時(shí),，就是數(shù)字高程模型,，即DEM。地形表面形態(tài)的屬性信息一般包括高程,、坡度,、坡向等,。

從左到右依次為溫度圖、日照?qǐng)D,、坡度圖 | 圖：FATMAP

可以看到,，DTM是一個(gè)地理坐標(biāo)+多屬性數(shù)字模型，通過(guò)z值的多變,，可以生成不同地面數(shù)字模型,，認(rèn)識(shí)DTM也有助于理解DEM。

不過(guò),，無(wú)論是DTM還是DEM,，都專精于地面，在人類建筑和森林樹木之類的地物面前還是力不從心,，所以DEM又多了一個(gè)兄弟——數(shù)字地表模型（DSM）,。

數(shù)字地表模型（DSM）

數(shù)字地表模型（Digital Surface Model）是包含了地表建筑物、橋梁和樹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的基礎(chǔ)上,，進(jìn)一步涵蓋了除地面以外的其它地表信息的高程。在一些對(duì)建筑物高度有需求的領(lǐng)域有重要作用,。

DSM表達(dá)了真實(shí)地球表面的起伏情況,，讓DEM的世界多了建筑物和森林等地物的身影！它表現(xiàn)的信息量更大,，除了自然地理空間信息,，還可從中直接提取社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息；DSM和DTM之間的差異還可以提供非常有用的信息,，例如,，建筑物高度、植被冠層高度等,。

這張圖說(shuō)明了DSM和DTM的區(qū)別：上為DSM關(guān)注的地表是包括了建筑,、樹木等地物的表面高度，而DEM和DTM關(guān)注的地面是下圖中的紅色線條 | 圖：CRIS

以上三位數(shù)字地形模型選手集結(jié)完畢,，接下來(lái)是它們的兩位旁系出場(chǎng)：數(shù)字正射影像（DOM）和真正射影像（TDOM）。之所以說(shuō)它們是旁系,，是因?yàn)樗鼈兊膶傩允怯跋竦貓D,，而非數(shù)字模型。

數(shù)字正射影像（DOM）

數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map）是利用DEM對(duì)經(jīng)過(guò)掃描處理的數(shù)字化航空像片或遙感影像（單色或彩色）,，經(jīng)逐像元進(jìn)行輻射改正,、微分糾正和鑲嵌,，并按規(guī)定圖幅范圍裁剪生成的形象數(shù)據(jù)，帶有公里格網(wǎng),、圖廓（內(nèi),、外）整飾和注記的平面圖。

通過(guò)超擎影像云發(fā)布正射影像（DOM）成果數(shù)據(jù)

雖然DEM,、DOM聽(tīng)上去很押韻,，但“單押”的“M”的意義不同（Model模型和Map地圖），讓它們變成了表親,。

比起渲染后也只能用顏色或陰影區(qū)分地形特征的DEM數(shù)字模型家族,，正射影像DOM終于讓人感覺(jué)“回到人間” —— 它是經(jīng)過(guò)DEM高程模型幾何校正、消除了地形誤差的遙感影像地圖,，與人們感官的現(xiàn)實(shí)世界無(wú)異,，我們現(xiàn)在看到的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星地圖大多是正射影像產(chǎn)品。

互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星影像地圖 | 高德地圖

由于DOM同時(shí)具有地圖幾何精度和影像特征,，它也是4D基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品模式中的重要組成部分,，不僅可以作為實(shí)景三維城市模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以結(jié)合多源空間數(shù)據(jù),，提取生產(chǎn)數(shù)字線劃圖（DLG）和數(shù)字柵格地圖（DRG）,。

但即使DOM如此親切自然、準(zhǔn)確豐富,，依然逃脫不了被挑毛病的命運(yùn),，比如——

...

是時(shí)候請(qǐng)出 ——

真正射影像（TDOM）

數(shù)字真正射影像圖（True Orho / True Digital Ortho Map），又叫全正射影像,，是基于數(shù)字表面模型（DSM）,，利用數(shù)字微分糾正技術(shù)，改正原始影像的幾何變形,。

一般正射影像（DOM）

真正射影像（TDOM）

看多了經(jīng)過(guò)正射糾正的樓體,，竟有一種強(qiáng)迫癥被治愈的感覺(jué)..

圖：李觀石

通過(guò)以上內(nèi)容介紹，我們可以得知：DOM是經(jīng)過(guò)DEM校正生產(chǎn)的影像地圖,，而TDOM則是經(jīng)過(guò)DSM,。DEM派生的地形家族也是符合邏輯的“成對(duì)幫扶”，整體家庭關(guān)系為—— 

DEM地形“全家桶”已陸續(xù)登場(chǎng),，那么一個(gè)重要的問(wèn)題來(lái)了：它們從而哪兒來(lái),？

DEM數(shù)據(jù)源有哪些？

如何獲取,、生產(chǎn)與管理,？

DEM數(shù)據(jù)最為主要為衛(wèi)星遙感和航空攝影獲取，隨著空間信息獲取技術(shù)的發(fā)展，也有更多靈活的手段可以對(duì)需求區(qū)域進(jìn)行獲取,，如Lidar激光雷達(dá)技術(shù)等,。

光學(xué)衛(wèi)星影像&航空攝影：根據(jù)衛(wèi)星遙感、航空攝影的質(zhì)量和規(guī)模,，以各種分辨率從立體數(shù)字航空攝影中提取DEM或DSM,。

如資源三號(hào)、ASTER (15-30m),、Quickbird,、IKONOS（2-5m分辨率）、Pleiades 1A/1B星座（1m分辨率）,、WoldView-2和GeoEye-2（1-2m分辨率）,，日本先進(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星 (ALOS) PRISM (2.5m)、印度 Cartosat (2.5m),、法國(guó)SPOT衛(wèi)星 (5-10m)  ,。其中，資源三號(hào)（ZY-3）衛(wèi)星是中國(guó)第一顆自主的民用高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星,，ASTER 是全球中等分辨率 (30m) 的免費(fèi)DEM數(shù)據(jù)來(lái)源,。

Aster DEM

雷達(dá)衛(wèi)星：DEM也可以使用雷達(dá)衛(wèi)星影像導(dǎo)出，合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星 (InSAR) 可用于生成數(shù)字高程模型,，在實(shí)際應(yīng)用中,，它們主要用于檢測(cè)與不同危險(xiǎn)地質(zhì)過(guò)程相關(guān)的地形高度變化，例如地面沉降,、緩慢移動(dòng)的滑坡,、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、冰運(yùn)動(dòng)和火山活動(dòng),。

如RADARSAT,、TerraSAR-X、ALOS PALSAR,、ALOS DSM,，ERS-1 和 2、ENVISAT,，WorldDEM獲取的是地球整個(gè)地表一致DEM,。除此之外，SRTM C 波段數(shù)據(jù),，DLR數(shù)據(jù)（即SRTM X 波段數(shù)據(jù)）,，GMTED2010，ETOPO也是現(xiàn)存的主流DEM數(shù)據(jù)源,。

WorldDEM

Lidar激光雷達(dá)：采用自行發(fā)射和接收激光脈沖主動(dòng)式穿透測(cè)量,，獲取更接近真實(shí)地表形態(tài)的數(shù)字高程模型,，LiDAR技術(shù)可做為大區(qū)域高精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)獲取的合適手段，推導(dǎo)出更詳細(xì)的DEM,，并直接進(jìn)行DEM和DOM的生產(chǎn)。

地面控制點(diǎn)（GCP）：經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量或者通過(guò)其它渠道獲取到的已知的準(zhǔn)確的地面點(diǎn)信息,，通過(guò)在影像上標(biāo)定出控制點(diǎn)信息來(lái)糾正影像出現(xiàn)的幾何誤差以及地理位置信息,。

超擎影像云平臺(tái)可對(duì)這些多源影像數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理、處理,、發(fā)布與呈現(xiàn),，不僅支持衛(wèi)星、航片,、無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù),，同時(shí)支持DOM、DEM,、傾斜攝影等成果數(shù)據(jù),。

超擎影像云統(tǒng)一綜合管理多源影像數(shù)據(jù)

通過(guò)顏色渲染，DEM可輸出地形暈渲圖,，基于顏色差別呈現(xiàn)地形高低,。超擎影像云支持?jǐn)?shù)據(jù)流自動(dòng)化實(shí)時(shí)在線處理并發(fā)布，包括DEM顏色表渲染,、水體信息提取,、植被指數(shù)計(jì)算、地形陰影提取等,，發(fā)布前只需配置簡(jiǎn)單的計(jì)算參數(shù)即可支持全程自動(dòng)化實(shí)時(shí)計(jì)算,、實(shí)時(shí)發(fā)布服務(wù)，同時(shí)提供OGC標(biāo)準(zhǔn)的WMTS,、WMS服務(wù),，可在QGIS，ArcGIS中直接使用,，也支持Leaflet,、OpenLayers、Cesium,、Mapbox,、ArcGIS等GIS、JS框架,，以及基于任意區(qū)域的源數(shù)據(jù)導(dǎo)出,、切片導(dǎo)出、鑲嵌數(shù)據(jù)導(dǎo)出,，以進(jìn)一步制作二三維一體化立體地形暈渲圖,。

通過(guò)超擎影像云顏色表渲染實(shí)時(shí)在線配置地形暈渲圖

而要制作市面上常看到的美觀精準(zhǔn)影像地圖，即DOM,，TDOM,，DEM、DSM需要與多源,、高分遙感影像融合應(yīng)用,，通過(guò)專業(yè)的地信軟件產(chǎn)品，如像素工廠,、Erdas,，可輸出DSM、DOM成果影像地圖,。

地形應(yīng)用：自然資源管理,、“三調(diào)”為何需要它們？

通過(guò)前文我們也了解到,，DEM,、DSM是數(shù)字模型，做為一種中間過(guò)程,，通過(guò)它們可以提取地形參數(shù),，或者作為航空攝影或衛(wèi)星圖像的校正手段，構(gòu)建更為精準(zhǔn)立體的實(shí)景三維模型,。

而DEM本身,，在測(cè)繪、水文,、氣象,、地貌、地質(zhì),、土壤,、工程建設(shè)、通訊,、軍事等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè),、人文和自然科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，特別在自然資源管理,、全國(guó)國(guó)土調(diào)查（簡(jiǎn)稱“三調(diào)”）,、災(zāi)害應(yīng)急等領(lǐng)域，有著關(guān)鍵性的基礎(chǔ)作用,。

宏觀數(shù)字空間表達(dá)：“三調(diào)”與自然資源管理基底

上文中我們也看到,，暈渲圖是DEM地表形態(tài)表達(dá)的一種形式，暈渲圖使用陰影與顏色漸變來(lái)展現(xiàn)全球地表的起伏變化,。在二維視角下,，借助地形暈渲圖能夠更加快速,、準(zhǔn)確地分辨出平原、丘陵,、山地,、盆地等地形地貌，不同地形區(qū)域暈渲立體效果區(qū)別對(duì)比明顯,；

國(guó)家地理信息平臺(tái)天地圖的地形專題圖 

而在三維立體視角下,，地表起伏變化，在此基礎(chǔ)上疊加植被,、水系、行政要素以及主要道路,，方便用戶展示和突出特定專題要素,。

設(shè)計(jì)處理后的河流疊加地形圖，剖分水系與地形的關(guān)系 | 圖：Dmitriy Vorontzov

正是因?yàn)橹塾诘讓拥匦蔚牡乩砜臻g信息,，DEM與高分衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)被用來(lái)做為“三調(diào)”與自然資源管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),，能夠很好地構(gòu)建自然資源數(shù)字管理的底層框架和宏觀視野，并與多源遙感數(shù)據(jù),、專題數(shù)據(jù),、時(shí)空數(shù)據(jù)融合，掌握各類型自然資源的精確空間分布與利用情況,，構(gòu)建更加實(shí)時(shí),、多維、真實(shí)形態(tài)的自然資源智慧管理數(shù)字孿生環(huán)境,，建立國(guó)土資源調(diào)查,，耕地、生態(tài)紅線等業(yè)務(wù)的時(shí)空數(shù)據(jù)基礎(chǔ)體系,，形成自然資源高質(zhì)量發(fā)展的有力支撐,。

自然資源管理與國(guó)土資源調(diào)查中的DEM高程模型位置 | 圖：中國(guó)國(guó)土勘測(cè)院 白曉飛

在實(shí)景三維中，它們也是“重點(diǎn)對(duì)象”,。DEM,、DSM、DOM,、TDOM等數(shù)據(jù)是建設(shè)“實(shí)景三維中國(guó)”的核心數(shù)據(jù),，它們與多源地理空間數(shù)據(jù)，如矢量數(shù)據(jù),、BIM模型,、傾斜攝影、雷達(dá)激光點(diǎn)云等,，以及物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù),，匯聚,、融合構(gòu)建實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)時(shí)空數(shù)據(jù)索引快速查詢,、組織,、管理，與各級(jí)政企單位共享,，形成支撐智慧城市治理,、業(yè)務(wù)數(shù)字化的全息數(shù)字空間。

實(shí)景三維城市

空間仿真智能分析：防災(zāi)控災(zāi),、應(yīng)急救災(zāi)

DEM,、DSM地形模型不僅服務(wù)于常態(tài)化的自然資源管理和生態(tài)保護(hù)，由于地形是大多數(shù)類型的災(zāi)害分析中的主要因素之一,，它們?cè)跒?zāi)害管理中同樣起到關(guān)鍵作用,。

通過(guò)地形學(xué)和自然地理學(xué)中的地形分析，模擬水流量或質(zhì)量運(yùn)動(dòng),，形成對(duì)自然地理空間的數(shù)字孿生仿真動(dòng)態(tài)模擬,，與遙感、GNSS,、物聯(lián)網(wǎng)等智能感知設(shè)備配合,，DEM家族在應(yīng)急救災(zāi)、水利水文管理領(lǐng)域,，是精準(zhǔn)的空間模型與時(shí)空框架,。

2021年我國(guó)多地經(jīng)歷了強(qiáng)降水。持續(xù)的強(qiáng)降水在山區(qū)可形成山洪爆發(fā)與山體滑坡等災(zāi)害,；在城市中,，由于地形空間分布不勻，近水空間,、低洼地區(qū)如遇排水不暢,，在短時(shí)間就可能形成水災(zāi)，造成損失,。通過(guò)DEM,、DSM的地形空間，與氣象降水的動(dòng)態(tài)仿真模擬,，可準(zhǔn)確掌握自然災(zāi)害下風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的時(shí)空分布,。

超擎影像云基于DEM三維地形的山區(qū)淹沒(méi)分析。| 超擎

在水利水文領(lǐng)域,，基于DEM數(shù)據(jù),，計(jì)算坡度、坡向,，結(jié)合自然資源空間全息仿真分析,，例如地表水系,、河網(wǎng)、土地利用類型,、植被覆蓋,、土壤濕度、地質(zhì)層數(shù)據(jù)和地下水流等,，并創(chuàng)建假設(shè)降水與流量,，可更加精確地進(jìn)行水文分析，進(jìn)行河流分級(jí),、捕捉傾瀉點(diǎn)等河流治理建設(shè),；通過(guò)道路縱斷面坡度分析，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)壩址選擇,，以及庫(kù)容量估計(jì)和淹沒(méi)范圍估計(jì),。

超擎影像云支持快速處理發(fā)布地形成果數(shù)據(jù)，圖為江西鄱陽(yáng)湖地形渲染圖,，淺色為低、深色為高,，可發(fā)現(xiàn)整個(gè)鄱陽(yáng)湖地區(qū)為漏斗型盆地,。| 圖：超擎

在地質(zhì)災(zāi)害中，DEM數(shù)據(jù)有著精準(zhǔn)的地理空間坐標(biāo)數(shù)據(jù),，DEM數(shù)據(jù)與北斗,、遙感、網(wǎng)格數(shù)據(jù)等結(jié)合,，可對(duì)山體滑坡,、山體塌陷、道路損毀發(fā)出預(yù)警,，并及時(shí)對(duì)損害范圍,、深度等定量。

最近,，由于元宇宙概念的火熱,，三維數(shù)字空間相關(guān)技術(shù)也引起了廣泛關(guān)注。如果說(shuō)元宇宙的底層和基礎(chǔ)就是“數(shù)字孿生”技術(shù),，那么時(shí)空信息產(chǎn)業(yè)（3S）已經(jīng)走在前沿：從“數(shù)字地球”到“數(shù)字城市”,，從“基礎(chǔ)地理”到“實(shí)景三維”。

其中,，DEM數(shù)字地形家族就承載著這個(gè)數(shù)字世界的底層形態(tài)框架,，像肥沃的土壤支持多維時(shí)空信息的疊加和精準(zhǔn)化，同時(shí)也賦能多元業(yè)務(wù)的數(shù)字化成長(zhǎng),。希望這種數(shù)字孿生的賦能,，能夠進(jìn)一步挖掘和融合時(shí)空信息,，為我國(guó)自然資源管理、生態(tài)與低碳發(fā)展發(fā)揮中堅(jiān)力量,。

全球5米,、12.5米、30米DEM

高程數(shù)據(jù)下載：http://www./store.html