来源：《武汉大学学报·信息科学版》2018年12期
作者：李振洪， 李鹏，丁咚， 王厚杰
第一作者：李振洪, 博士, 教授, 主要研究方向为影像大地测量及其在地质灾害、精准农业与人工建筑物稳定性监测方面的应用。
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摘 要：简要介绍了数字高程模型(digital elevation model，DEM)的起源与定义，根据4种不同的观测平台分类介绍了DEM数据获取方法，给出目前国际上发布的高分辨率全球DEM的主要性质和特点。重点介绍了9大类全球DEM，分析了DEM质量评估相关的评定方法和精度指标。论述了DEM在地质灾害监测、海岸带脆弱性分析方面的应用，以美国地质勘探局和德国航空太空中心正在开展的DEM项目为例，讨论了高精度、高分辨率全球同质DEM和地形测深高程模型的最新需求，最后总结展望全球高分辨率DEM的发展趋势。
关键词：数字高程模型 合成雷达干涉测量 光学立体像对 地质灾害 质量评估
地球表面的地球物理过程通常受到地形的控制或强烈影响，大尺度自然灾害与气候环境变化相关的研究(如地震、火山、滑坡、地面沉降、洪水淹没等)均需要区域或全球尺度的精密地形信息。构建具有长期稳定大地测量参考框架(包含海岸带浅水测深数据)的高质量、高分辨全球数字高程模型(digital elevation model, DEM)是全球地球观测系统(Global Earth Observation System of Systems, GEOSS)过去十年的主要任务之一，对其正在发挥其作用的环境、气候相关的社会福利领域(societal benefit areas, SBAs)具有极其重要的价值。
本文主要介绍全球高分辨率DEM的主要特征、数据获取与质量评估方法，分析其在地质灾害与海岸带等方面的应用，讨论其最新需求与挑战及未来发展趋势。
1 DEM的起源和定义
地形(topography)是指地球表面的高低起伏形态，高程是描述地表起伏形状的最基本的几何量。美国麻省理工学院摄影测量学实验室的Miller和Laflamme[1]通过摄影测量技术采样地形数据, 用于解决计算机辅助道路设计相关的工程问题，最早提出了数字地形/地面模型(digital terrain model, DTM)的概念，即利用一个任意坐标场中选择大量已知X、Y、Z的坐标点对连续地面进行简单统计表示，得到描述地球表面形态多种信息空间分布特征的有序数值阵列。基于高程数据得到的派生产品，如坡度、坡向、曲率等地貌因子，均可以作为DTM的第三维分量用于描述地形特征。
仅用于描述地面高程信息，采用有限的离散点高程实现对地形曲面的数字化模拟，以数字形式按照一定结构组织表示实际地形特征空间分布的DTM模型称为DEM。DEM原本是DTM的一个子集[2-3]。
由于地球表面被各种自然或人工地物覆盖，难以直接获取精确的地形形态。特别是基于摄影测量与遥感技术观测得到的DEM，通常包含了森林植被、建筑物等地物分布形态，此类DEM又称为数字地表模型(digital surface model, DSM)。
给定平面坐标(Xi，Yi 、相应离散点高程Zi (规则或不规则)，DEM可以采用如下函数表示地面起伏形态的数字集合：
若平面位置为规则格网形式，式(1)可以简化为一维向量序列：
20世纪90年代以来，DEM被列为中国国家空间数据基础设施(National Spatial Data Infrastructure, NSDI)和数字地球空间数据框架(Digi- tal Geospatial Data Framework, DGDF)的标准产品，同时也是地理国情监测的重要产品之一[4-7]。作为地学分析与建模的基础数据(如海岛礁及周边复杂环境[8]，DEM逐步替代等高线成为地形描述与分析的重要数据源;同时，数字地球和智慧地球的建设和发展促进了DEM与遥感学科等的一体化进程[9-10]。
2 DEM数据获取方法
根据式(1)可知，建立DEM实现地表重建的前提是对连续地球表面进行有限离散点的精确采样和三维坐标测量[2]。目前，DEM数据获取方法主要包括野外地面测量、地形图数字化、航空航天摄影测量与遥感(激光雷达扫描(light detection and ranging, LiDAR)、合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)、立体光学影像)等，本文根据观测平台的差异来分类介绍DEM数据来源。
2.1 地基模式
地基模式主要指野外地面测量方法。
1) 传统地面测量方法，如全球导航卫星系统静态或动态测量、全站仪测量等。这类方法采用单点采集方式耗时费力，但是观测精度较高，主要适用于小范围、大比例尺测图任务，服务于工程建设项目等。
2) 地面三维激光扫描仪(如加拿大Optech、奥地利Rigel、瑞士Leica等)采用无合作目标激光测距仪与角度测量系统组成自动化快速测量系统，可以快速获得海量点云数据，有效数据采集速率可达几十万点/s，可以构建高精度(mm级)、高分辨率DTM[11]。点云数据采集包括场地踏勘、控制网布设、靶标布设、扫描作业等步骤，点云数据处理包括配准、分析、优化压缩、分层、等高线拟合、三维建模、纹理分析等方面。另外，集成惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)与全球导航卫星系统等组合单元的车载移动测图系统可以支持激光扫描仪进行动态数据采集[12]。
3) 基于数字化仪通过交互式跟踪数字化或半自动扫描数字化和栅格矢量化，可以实现已有地形图要素的数字化，是目前常见的DEM数据采集方法之一。由于原始地形图、数字化、栅格化、插值等步骤均存在误差，该方法效率和精度相对较低，但对历史记录或存档信息提取而言，可能是唯一选项[13-14]。
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