一、定義

數(shù)字高程模型（DEM），是一種用數(shù)字形式表示地表高程的模型。它基于地表的高度數(shù)據(jù)，以離散的點(diǎn)或柵格形式呈現(xiàn)地形的高度變化。簡單說就是 “去除了建筑物、樹木、橋梁等人工和高大自然地表物體，反映裸地地形起伏的高度地圖”，是地形分析、地質(zhì)勘查、災(zāi)害防治的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。

數(shù)字表面模型（DSM），是地球表面所有可見物體（包括地形、建筑物、樹木、橋梁、電線桿等）頂部高程的數(shù)字化模型，簡單說就是 “地表最外層的高度地圖”，是實(shí)景三維建模、城市三維規(guī)劃、地表要素監(jiān)測的核心數(shù)據(jù)。

二者是地理信息領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)，二者互補(bǔ)融合，構(gòu)成了從“裸地”到“全貌”的三維數(shù)字場景，是實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維、構(gòu)建數(shù)字孿生城市的核心數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

二、重要性

數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM）是地理信息大數(shù)據(jù)的重要組成部分，也是大場景三維可視化的核心數(shù)據(jù)載體。通過與遙感影像、地理實(shí)體等多源數(shù)據(jù)融合，可實(shí)現(xiàn)自然資源在統(tǒng)一空間基準(zhǔn)下的二三維一體化管理，構(gòu)建全要素三維大場景分析展示能力，助力自然資源智慧監(jiān)管與數(shù)字化轉(zhuǎn)型。其作為多領(lǐng)域?qū)I(yè)分析的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)源，可為林草、礦產(chǎn)、地質(zhì)勘查、國土空間規(guī)劃、水資源管理、自然資源調(diào)查監(jiān)測等核心職能部門提供精準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)支撐，賦能自然資源領(lǐng)域精細(xì)化、科學(xué)化、智能化管理。

三、應(yīng)用方向

1. 城市基礎(chǔ)管理與規(guī)劃

①　城市三維建模：依托數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM）成果可快速建立高精度大場景實(shí)景三維模型和城市三維模型，地形級三維場景可用于判讀地區(qū)的地形特征，如山脈、河流、山谷等，指導(dǎo)交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃。城市級三維模型可獲取人工建筑物位置和高度，賦能城市規(guī)劃、建筑物設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)設(shè)施管理。如飛燕航空遙感技術(shù)有限公司（以下簡稱“飛燕遙感”）在執(zhí)行莆田市航空攝影測量項(xiàng)目中，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加影像生成點(diǎn)云紋理數(shù)據(jù)，打造高精度城市地形三維模型。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加影像生成的點(diǎn)云紋理數(shù)據(jù)

②　交通規(guī)劃：傳統(tǒng)的公路勘察設(shè)計(jì)方法主要依賴航空攝影測量，輔以人工測量。然而，航空攝影測量受限于天氣、地形和植被的影響，以及精度不足，難以獲取橋隧設(shè)計(jì)所需的1:500比例尺高精度數(shù)據(jù)資料。而人工地面測量則因地勢陡峭、植被遮擋等因素，往往難以實(shí)施，且難以滿足工程建設(shè)的實(shí)際需求。利用機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)生成的高精度數(shù)字高程模型（DEM）可提供精準(zhǔn)的裸地地形高程信息，結(jié)合數(shù)字表面模型（DSM）獲取的地表構(gòu)筑物高程數(shù)據(jù)，可全方位支撐道路選線、橋隧設(shè)計(jì)，有效解決傳統(tǒng)交通設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)獲取難題，優(yōu)化道路設(shè)計(jì)全流程。如飛燕遙感在實(shí)施上虞全域三維實(shí)景模型項(xiàng)目中，通過 LiDAR 點(diǎn)云技術(shù)穿透樹木層直接提取路網(wǎng)信息，并通過分類算法精準(zhǔn)提取道邊樹及路燈等分類圖層數(shù)據(jù)，為交通規(guī)劃與道路周邊設(shè)施管理提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2 穿透樹木層直接提取路網(wǎng)信息（上虞全域三維實(shí)景模型項(xiàng)目）

圖3通過分類算法提取道邊樹及路燈等分類圖層數(shù)據(jù)（上虞全域三維實(shí)景模型項(xiàng)目）

③　用地規(guī)劃：通過 數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM）成果，直觀呈現(xiàn)規(guī)劃區(qū)域的地表空間結(jié)構(gòu)、高程變化與要素覆蓋情況，精準(zhǔn)識(shí)別規(guī)劃沖突區(qū)域，梳理用地矛盾與成因，為多部門協(xié)調(diào)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)，指導(dǎo)用地規(guī)劃優(yōu)化，明確適宜建筑區(qū)域、生態(tài)保護(hù)區(qū)域與斜坡地合理利用方式。如飛燕遙感在執(zhí)行深圳市航空攝影測量項(xiàng)目中，通過顏色區(qū)分不同高度層的地表數(shù)據(jù)，為城市用地規(guī)劃提供清晰的空間數(shù)據(jù)參考。

圖4 用顏色區(qū)分不同高度層的地表數(shù)據(jù)（深圳市航空攝影測量項(xiàng)目）

2. 公共安全治理

①　地質(zhì)災(zāi)害防治：近年來氣候復(fù)雜多變，局部地區(qū)強(qiáng)降雨引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)日益加劇，高隱蔽性高位遠(yuǎn)程泥石流等災(zāi)害點(diǎn)辨識(shí)難度高，需精細(xì)分析山形、坡度坡向等要素。人工測繪山體地形地貌作業(yè)難度大、效率低，而機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)可穿透植被冠層獲取真實(shí)地表數(shù)據(jù)，高效生成數(shù)字高程模型（DEM），并通過 GIS 空間分析算法精準(zhǔn)還原邊坡特征、測算坡度坡向與地形曲率。如飛燕遙感通過生成坡度分布圖、邊坡特征線、坡向分布圖等成果，為災(zāi)害調(diào)查評估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及工程防治提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)地震斷裂帶的精準(zhǔn)監(jiān)測。

圖5  基于高精度數(shù)字高程模型的邊坡分析

圖6 地震斷裂帶監(jiān)測

②　城市內(nèi)澇防治：高精度數(shù)字高程模型（DEM）成果能精準(zhǔn)識(shí)別城市洼地與易澇區(qū)域，結(jié)合地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用城市內(nèi)澇算法可模擬水災(zāi)后的內(nèi)澇場景，輔助決策者制定應(yīng)急救災(zāi)資源調(diào)用方案。如飛燕遙感在貴陽市六城區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)利用項(xiàng)目實(shí)施中，基于快速生成的城市白模開展內(nèi)澇淹沒分析，為貴陽市內(nèi)澇防治與應(yīng)急管理提供科學(xué)依據(jù)。

圖7 基于快速生成城市白模的內(nèi)澇淹沒分析（貴陽市六城區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)利用項(xiàng)目）

3. 自然資源調(diào)查與監(jiān)測

①　全要素本底調(diào)查：自然資源管理涵蓋了“山、水、林、田、湖、草”等元素，這些多樣的管理對象要求更完善且精細(xì)的監(jiān)管手段。數(shù)字高程模型（DEM） 和 數(shù)字表面模型（DSM） 數(shù)據(jù)可通過分析自然資源本體變化，實(shí)現(xiàn)國土、地質(zhì)、森林、草原、水、濕地等專項(xiàng)的精準(zhǔn)調(diào)查監(jiān)測與評價(jià)，全面掌握自然資源本底數(shù)據(jù)，夯實(shí)自然資源一張圖與國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)建設(shè)基礎(chǔ)。如飛燕遙感在江西省實(shí)景三維建設(shè)項(xiàng)目贛東北測區(qū)數(shù)據(jù)采購及生產(chǎn)服務(wù)項(xiàng)目中，完成區(qū)域自然資源本底調(diào)查，為當(dāng)?shù)刈匀毁Y源管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖8 自然資源本底調(diào)查（江西省自然資源測繪與監(jiān)測院實(shí)景三維建設(shè)項(xiàng)目贛東北測區(qū)數(shù)據(jù)采購及生產(chǎn)服務(wù)項(xiàng)目）

②　礦山資源監(jiān)管：利用機(jī)載激光點(diǎn)云的高精度、高密度特性結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM）與數(shù)字表面模型（DSM），能精準(zhǔn)描繪礦區(qū)地表形態(tài)，高效構(gòu)建礦區(qū)高精度三維模型。通過分析模型可定量統(tǒng)計(jì)礦區(qū)現(xiàn)狀，動(dòng)態(tài)監(jiān)管采礦活動(dòng)與儲(chǔ)量變化。對比不同時(shí)期三維模型，可分析礦區(qū)變化、回填情況、治理工作量，對偷采盜采行為定性定量取證，并評估綜合整治與生態(tài)修復(fù)成效。如飛燕遙感在光伏及風(fēng)電工程地形圖航飛服務(wù)技術(shù)項(xiàng)目執(zhí)行中，構(gòu)建高精度礦區(qū)數(shù)字高程模型（DEM），為礦山資源監(jiān)管與工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持。

圖9 礦區(qū)數(shù)字高程模型（光伏及風(fēng)電工程地形圖航飛服務(wù)技術(shù)項(xiàng)目）

③　森林資源監(jiān)測：踐行 “綠水青山就是金山銀山” 理念，利用機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM）與數(shù)字表面模型（DSM）成果，精準(zhǔn)獲取森林蓄積量、森林空間結(jié)構(gòu)、植被覆蓋率、三維綠量、綠化率等核心指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)森林資源高效、精準(zhǔn)、持續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為林草資源保護(hù)、林業(yè)工程規(guī)劃、生態(tài)碳匯核算提供科學(xué)依據(jù)。如飛燕遙感在東北虎豹公園項(xiàng)目中構(gòu)建林地歸一化模型，為公園森林資源保護(hù)與林草生態(tài)修復(fù)提供專業(yè)數(shù)據(jù)支撐。

圖10 東北虎豹公園林地歸一化模型

④　水資源管理：利用機(jī)載激光點(diǎn)云無法在水體獲取反射點(diǎn)的特性，通過算法可精準(zhǔn)探測空洞點(diǎn)邊界，自動(dòng)連接閉合形成水域矢量范圍線，同時(shí)借助數(shù)字高程模型（DEM）的地形起伏分析，可精準(zhǔn)識(shí)別河流流向、水系匯流路徑、水體匯集區(qū)域等關(guān)鍵水文地形特征，數(shù)字表面模型（DSM）則可輔助區(qū)分水域周邊的地表覆被類型，為流域匯水分析、水利工程選址提供參考，顯著提升水資源調(diào)查、水域保護(hù)、流域沿岸管理與水利工程規(guī)劃的效率。如飛燕遙感在深圳市航空攝影測量項(xiàng)目中，繪制高精度水體矢量分布圖，為深圳市水資源管理提供數(shù)據(jù)支撐。

圖11 水體矢量分布圖（深圳市航空攝影測量項(xiàng)目）

4. 對基礎(chǔ)地理信息的保障能力

作為自然資源信息平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)字高程模型（DEM）與數(shù)字表面模型（DSM）的精度水平直接影響各類關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)與分析的準(zhǔn)確性。二者顯著增強(qiáng)了空間信息服務(wù)能力，促進(jìn)了跨部門信息與地理空間信息的融合展示，提升了數(shù)據(jù)承載的質(zhì)量與共享效率，全方位支撐各領(lǐng)域用戶對空間數(shù)據(jù)的多樣化需求。數(shù)字表面模型（DSM）結(jié)合建筑輪廓矢量數(shù)據(jù)與數(shù)字正射影像（DOM），與建筑信息模型（BIM）深度融合，共同構(gòu)建從單體建筑、建筑群到城市片區(qū)的多尺度數(shù)字孿生體。在“天地圖”等地理信息公共服務(wù)平臺(tái)中，數(shù)字高程模型（DEM）與數(shù)字表面模型（DSM）作為基底數(shù)據(jù)，共同向公眾開放高程查詢、三維場景展示等在線服務(wù)，推動(dòng)了地理信息的公共化、普惠化發(fā)展。

四、結(jié)束語

高精度數(shù)字高程模型（DEM）與數(shù)字表面模型（DSM）作為實(shí)景三維中國建設(shè)與數(shù)字孿生發(fā)展的核心基底數(shù)據(jù)，其應(yīng)用價(jià)值將在自然資源城市建設(shè)、公共安全、生態(tài)保護(hù)等多領(lǐng)域持續(xù)釋放。依托航空遙感、機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）等技術(shù)的不斷創(chuàng)新與升級，數(shù)字高程模型（DEM）與數(shù)字表面模型（DSM）成果將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精度提升、效率優(yōu)化與場景拓展，持續(xù)為自然資源調(diào)查監(jiān)測、城市國土空間規(guī)劃、生態(tài)保護(hù)修復(fù)、公共安全治理等提供科學(xué)精準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)支撐，助力山水林田湖草沙一體化保護(hù)和系統(tǒng)治理，為自然資源精細(xì)化管理與經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的空間信息保障。