一文了解DEM数字地形“全家桶”

在今年自然资源部发布的《实景三维中国建设技术大纲（2021版）》中，空间数据部分包括“数字高程模型 （DEM）、数字表面模型（DSM）、数字正射影像（DOM）、 真正射影像（TDOM）、倾斜摄影三维模型、激光点云等。”

近日，陕西测绘地理信息局也交出成果 —— 其承担的实景三维中国建设前期工作项目，新疆166万平方千米数字高程模型(DEM)制作任务成果成功通过验收，将作为国内最权威、可靠、全面、现势性好的数字高程模型(DEM)数据提供给相关部门和其他行业使用。

这些空间数字模型和影像到底有什么区别？为什么它们听上去、看上去都那么像？它们来自何方，又如何应用？为什么实景三维、自然资源管理、“三调”、防灾救灾...都离不开它们？

DEM、DOM、DSM...

确定不是“绕口令”？

单看英文简称，DEM、DSM、DOM、TDOM..它们不仅读起来像绕口令，看上去也像一家子 —— 不过在空间信息上，它们确实有亲戚关系，而且除了以上这些，还有不少旁系派生，妥妥的就是地形空间“全家桶”。

第一位出场的肯定是最有名的，数字高程模型（DEM）。

数字高程模型 （DEM）

数字高程模型（Digital Elevation Model)，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，是数字地面模型(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。

值得注意的是，虽然通过DEM通常表现出的是地理空间的图像形态，实际上，它是一种数字阵列信息模型（x,y,z)，描述地理空间中的地形高低起伏，通过表示模型和渲染后，成为人们看到的地形图。

DEM有三种主要的表示模型：规则格网模型，等高线模型和不规则三角网，上图为不规则三角网（TIN）表示模型 | 图：百度百科

由于DEM数据能够反映一定分辨率的局部地形特征，通过其可提取各种类型的地表形态信息，可用于绘制等高线、坡度图、坡向图、立体透视图、立体景观图，并应用于制作正射影像（DOM）、立体地形模型与地图修测。所以，广义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。

DEM的形态多种多样，并不一定是三维立体的，也可通过渲染颜色深浅，识别地形高低。上图为同一片区域的等高线和晕渲图配准制作的立体地形地图 | 图：Jo Hannah Asetre

DEM是研究分析地形、流域、地物识别的重要原始资料。

大家也发现了，在解释DEM的同时，也出现了不少“亲戚”的身影，所以接下来请出的是DEM的长辈 ——数字地面模型（DTM）。

数字地面模型 （DTM）

数字地面模型（Digital Terrain Model），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种模拟表示，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。x、y表示该点的平面坐标，z值可以表示高程、坡度、温度等信息，当z表示高程时，就是数字高程模型，即DEM。地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。

从上到下依次为温度图、日照图、坡度图 | 图：FATMAP

可以看到，DTM是一个地理坐标+多属性数字模型，通过z值的多变，可以生成不同地面数字模型，认识DTM也有助于理解DEM。

不过，无论是DTM还是DEM，都专精于地面，在人类建筑和森林树木之类的地物面前还是力不从心，所以DEM又多了一个兄弟——数字地表模型（DSM）。

数字地表模型（DSM）

数字地表模型（Digital Surface Model）是包含了地表建筑物、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有重要作用。

DSM表达了真实地球表面的起伏情况，让DEM的世界多了建筑物和森林等地物的身影！它表现的信息量更大，除了自然地理空间信息，还可从中直接提取社会经济信息；DSM和DTM之间的差异还可以提供非常有用的信息，例如，建筑物高度、植被冠层高度等。

这张图说明了DSM和DTM的区别：上为DSM关注的地表是包括了建筑、树木等地物的表面高度，而DEM和DTM关注的地面是下图中的红色线条 | 图：CRIS

以上三位数字地形模型选手集结完毕，接下来是它们的两位旁系出场：数字正射影像（DOM）和真正射影像（TDOM）。之所以说它们是旁系，是因为它们的属性是影像地图，而非数字模型。

数字正射影像（DOM）

数字正射影像图（Digital Orthophoto Map）是利用DEM对经过扫描处理的数字化航空像片或遥感影像（单色或彩色），经逐像元进行辐射改正、微分纠正和镶嵌，并按规定图幅范围裁剪生成的形象数据，带有公里格网、图廓（内、外）整饰和注记的平面图。

通过超擎影像云发布正射影像（DOM）成果数据

虽然DEM、DOM听上去很押韵，但“单押”的“M”的意义不同（Model模型和Map地图），让它们变成了表亲。

比起渲染后也只能用颜色或阴影区分地形特征的DEM数字模型家族，正射影像DOM终于让人感觉“回到人间” —— 它是经过DEM高程模型几何校正、消除了地形误差的遥感影像地图，与人们感官的现实世界无异，我们现在看到的互联网卫星地图大多是正射影像产品。

互联网卫星影像地图 | 高德地图

由于DOM同时具有地图几何精度和影像特征，它也是4D基础地理信息产品模式中的重要组成部分，不仅可以作为实景三维城市模型的基础数据，同时也可以结合多源空间数据，提取生产数字线划图（DLG）和数字栅格地图（DRG）。

但即使DOM如此亲切自然、准确丰富，依然逃脱不了被挑毛病的命运，比如——

是时候请出 ——

真正射影像（TDOM）

数字真正射影像图（True Orho / True Digital Ortho Map），又叫全正射影像，是基于数字表面模型（DSM），利用数字微分纠正技术，改正原始影像的几何变形。

一般正射影像（DOM）

真正射影像（TDOM）

看多了经过正射纠正的楼体，竟有一种强迫症被治愈的感觉..图：李观石

通过以上内容介绍，我们可以得知：DOM是经过DEM校正生产的影像地图，而TDOM则是经过DSM。DEM派生的地形家族也是符合逻辑的“成对帮扶”，整体家庭关系为——

制图：Meta小擎

DEM地形“全家桶”已陆续登场，那么一个重要的问题来了：它们从而哪儿来？

DEM数据源有哪些？

如何获取、生产与管理？

DEM数据最为主要为卫星遥感和航空摄影获取，随着空间信息获取技术的发展，也有更多灵活的手段可以对需求区域进行获取，如Lidar激光雷达技术等。

光学卫星影像&航空摄影：根据卫星遥感、航空摄影的质量和规模，以各种分辨率从立体数字航空摄影中提取DEM或DSM。

如资源三号、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），日本先进陆地观测卫星 (ALOS) PRISM (2.5m)、印度 Cartosat (2.5m)、法国SPOT卫星 (5-10m) 。其中，资源三号（ZY-3）卫星是中国第一颗自主的民用高分辨率立体测绘卫星，ASTER 是全球中等分辨率 (30m) 的免费DEM数据来源。

Aster DEM

雷达卫星：DEM也可以使用雷达卫星影像导出，合成孔径雷达卫星 (InSAR) 可用于生成数字高程模型，在实际应用中，它们主要用于检测与不同危险地质过程相关的地形高度变化，例如地面沉降、缓慢移动的滑坡、构造运动、冰运动和火山活动。

如RADARSAT、TerraSAR-X、ALOS PALSAR、ALOS DSM，ERS-1 和 2、ENVISAT，WorldDEM获取的是地球整个地表一致DEM。除此之外，SRTM C 波段数据，DLR数据（即SRTM X 波段数据），GMTED2010，ETOPO也是现存的主流DEM数据源。

WorldDEM

Lidar激光雷达：采用自行发射和接收激光脉冲主动式穿透测量，获取更接近真实地表形态的数字高程模型，LiDAR技术可做为大区域高精度数字高程模型数据获取的合适手段，推导出更详细的DEM，并直接进行DEM和DOM的生产。

地面控制点（GCP）：经过实地测量或者通过其它渠道获取到的已知的准确的地面点信息，通过在影像上标定出控制点信息来纠正影像出现的几何误差以及地理位置信息。

超擎影像云平台可对这些多源影像数据进行统一的管理、处理、发布与呈现，不仅支持卫星、航片、无人机影像数据，同时支持DOM、DEM、倾斜摄影等成果数据。

超擎影像云统一综合管理多源影像数据

通过颜色渲染，DEM可输出地形晕渲图，基于颜色差别呈现地形高低。超擎影像云支持数据流自动化实时在线处理并发布，包括DEM颜色表渲染、水体信息提取、植被指数计算、地形阴影提取等，发布前只需配置简单的计算参数即可支持全程自动化实时计算、实时发布服务，同时提供OGC标准的WMTS、WMS服务，可在QGIS，ArcGIS中直接使用，也支持Leaflet、OpenLayers、Cesium、Mapbox、ArcGIS等GIS、JS框架，以及基于任意区域的源数据导出、切片导出、镶嵌数据导出，以进一步制作二三维一体化立体地形晕渲图。

通过超擎影像云颜色表渲染实时在线配置地形晕渲图

而要制作市面上常看到的美观精准影像地图，即DOM，TDOM，DEM、DSM需要与多源、高分遥感影像融合应用，通过专业的地信软件产品，如像素工厂、Erdas，可输出DSM、DOM成果影像地图。

地形应用：自然资源管理、“三调”为何需要它们？

通过前文我们也了解到，DEM、DSM是数字模型，做为一种中间过程，通过它们可以提取地形参数，或者作为航空摄影或卫星图像的校正手段，构建更为精准立体的实景三维模型。

而DEM本身，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、人文和自然科学领域应用非常广泛，特别在自然资源管理、全国国土调查（简称“三调”）、灾害应急等领域，有着关键性的基础作用。

宏观数字空间表达：“三调”与自然资源管理基底

上文中我们也看到，晕渲图是DEM地表形态表达的一种形式，晕渲图使用阴影与颜色渐变来展现全球地表的起伏变化。在二维视角下，借助地形晕渲图能够更加快速、准确地分辨出平原、丘陵、山地、盆地等地形地貌，不同地形区域晕渲立体效果区别对比明显；

国家地理信息平台天地图的地形专题图

而在三维立体视角下，地表起伏变化，在此基础上叠加植被、水系、行政要素以及主要道路，方便用户展示和突出特定专题要素。

设计处理后的河流叠加地形图，剖分水系与地形的关系 | 图：Dmitriy Vorontzov

正是因为着眼于底层地形的地理空间信息，DEM与高分卫星遥感影像数据被用来做为“三调”与自然资源管理的基础数据，能够很好地构建自然资源数字管理的底层框架和宏观视野，并与多源遥感数据、专题数据、时空数据融合，掌握各类型自然资源的精确空间分布与利用情况，构建更加实时、多维、真实形态的自然资源智慧管理数字孪生环境，建立国土资源调查，耕地、生态红线等业务的时空数据基础体系，形成自然资源高质量发展的有力支撑。

自然资源管理与国土资源调查中的DEM高程模型位置 | 图：中国国土勘测院 白晓飞

在实景三维中，它们也是“重点对象”。DEM、DSM、DOM、TDOM等数据是建设“实景三维中国”的核心数据，它们与多源地理空间数据，如矢量数据、BIM模型、倾斜摄影、雷达激光点云等，以及物联网动态时空数据，汇聚、融合构建实景三维数据库，通过时空数据索引快速查询、组织、管理，与各级政企单位共享，形成支撑智慧城市治理、业务数字化的全息数字空间。

实景三维城市

空间仿真智能分析：防灾控灾、应急救灾

DEM、DSM地形模型不仅服务于常态化的自然资源管理和生态保护，由于地形是大多数类型的灾害分析中的主要因素之一，它们在灾害管理中同样起到关键作用。

通过地形学和自然地理学中的地形分析，模拟水流量或质量运动，形成对自然地理空间的数字孪生仿真动态模拟，与遥感、GNSS、物联网等智能感知设备配合，DEM家族在应急救灾、水利水文管理领域，是精准的空间模型与时空框架。

2021年我国多地经历了强降水。持续的强降水在山区可形成山洪爆发与山体滑坡等灾害；在城市中，由于地形空间分布不匀，近水空间、低洼地区如遇排水不畅，在短时间就可能形成水灾，造成损失。通过DEM、DSM的地形空间，与气象降水的动态仿真模拟，可准确掌握自然灾害下风险区域的时空分布。

超擎影像云基于DEM三维地形的山区淹没分析。| 超擎

在水利水文领域，基于DEM数据，计算坡度、坡向，结合自然资源空间全息仿真分析，例如地表水系、河网、土地利用类型、植被覆盖、土壤湿度、地质层数据和地下水流等，并创建假设降水与流量，可更加精确地进行水文分析，进行河流分级、捕捉倾泻点等河流治理建设；通过道路纵断面坡度分析，实现水库坝址选择，以及库容量估计和淹没范围估计。

超擎影像云支持快速处理发布地形成果数据，图为江西鄱阳湖地形渲染图，浅色为低、深色为高，可发现整个鄱阳湖地区为漏斗型盆地。| 图：超擎

在地质灾害中，DEM数据有着精准的地理空间坐标数据，DEM数据与北斗、遥感、网格数据等结合，可对山体滑坡、山体塌陷、道路损毁发出预警，并及时对损害范围、深度等定量。

最近，由于元宇宙概念的火热，三维数字空间相关技术也引起了广泛关注。如果说元宇宙的底层和基础就是“数字孪生”技术，那么时空信息产业（3S）已经走在前沿：从“数字地球”到“数字城市”，从“基础地理”到“实景三维”。

其中，DEM数字地形家族就承载着这个数字世界的底层形态框架，像肥沃的土壤支持多维时空信息的叠加和精准化，同时也赋能多元业务的数字化成长。希望这种数字孪生的赋能，能够进一步挖掘和融合时空信息，为我国自然资源管理、生态与低碳发展发挥中坚力量。