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DEM 除了包括地面高程信息外，还可以派生地貌特性，包括坡度、坡向等，还可以计算地形特征参数，包括山峰、山脊、平原、位面、河道和沟谷等。在测绘中用于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，作为三维 GIS 的基础地形数据。在军事上可用于导航及导弹制导、作战电子沙盘等。 本文主要包括： l 几个概念 l 表示模型 l DEM 获取途径 l 立体像对 DEM 提取
数字高程模型 (Digital Elevation Model) ，简称 DEM ，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。 1. 几个概念
l 数字地形模型（ DTM, Digital Terrain Model ） DTM 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个简单的统计表示，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。地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。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。 l 数字高程模型（ DEM, Digital Elevation Model ） DEM 是高程 Z 关于平面坐标 X ， Y 两个自变量的连续函数， DEM 只是它的一个有限的离散表示。高程模型最常见的表达是相对于海平面的海拔高度，或某个参考平面的相对高度。 l 数字表面模型（ DSM ， Digital Surface Model ） DSM 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。 我们可以看出三个定义相互有交集又有区别。 DTM 定义的范围最大，是一种广义的定义，用数字方式描述地形的统称。 DEM 是用高程来描述地形的 DTM 。 DSM 可以看成是 DEM 的衍生，用的较多的是城市 DSM 和森林 DSM 。 实际上，在空间信息领域使用最多的是 DEM 。 2. 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。 3. 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：
当然还有一些侧轨立体成像的卫星，包括 IKONOS, KOMPSAT-2, OrbView-3, QuickBird, SPOT 5 等。 4. 立体像对 DEM 提取下面介绍使用 ENVI 的 DEM Extraction 扩展模块 ，以 CartoSAT -1 （ P5 ）数据为例，在 ENVI5 下介绍基于立体像对的方式提取 DEM 。 图 1 为基于立体像对的 DEM 提取流程图，总体上分为六步。
第一步：输入立体像对 （1） 单击 File->Open ，打开 BANDA.TIF 和 BANDF.TIF 级数据。 （2） 选择 Toolbox/ Terrain/DEM Extraction/DEM Extraction Wizard: New ，单击 Select Stereo Image 按钮，选择 BANDA.TIF 左影像（ left image ）， BANDF.TIF 为 右影像（ right image ）， ENVI 自动识别 RPC 文件，否则需要手动选择 RPC 文件（ BANDA_RPC_ORG_bj.TXT 和 BANDF_RPC_ORG_bj.TXT ）。 （3） 单击 Next 按钮。
第二步：定义地面控制点 提供三种定义地面控制点方式：不定义、交互式定义和读取控制点文件。这里选择不定义控制点，单击 Next 按钮。 注：不定义地面控制点得到的 DEM 是相对高程，即以卫星地势面为基准。 第三步：定义连接点 （1） 提供三种定义连接点方式：自动寻找、交互式手工定义和外部读取控制点文件。选择选择自动寻找，参数设置如下所示， l 连接点数目（ Number of Tie Points ）： 60 。 l 搜索窗口大小（ Search Windows Size ）： 481 。 l 移动窗口大小（ Moving Window Size ）： 41 。 l 平均高程（ Region Elevation ）：自动从影像读取。 l 是否检查连接点（ Examine and Edit Tie Points ）： Yes （2） 单击 Next 按钮，进入查看 / 添加 / 编辑连接点步骤 （3） 单击 Show Table ，选择 Sort Table By Error ，误差大的点排在前面，逐个选择 Tie 点查看精度，将偏离较大的点进行微调或者直接删除。 （4） 自动寻找的 Tie 点分布有间隙，手动增加一些点，充分利用 Predict Left （或 Right ）预测功能可以提高效率。 （5） 当误差达到一定范围（ Maximum Y Parallax<10 ），单击 Next 按钮。 注： 1 、搜索窗口和移动窗口值设置的都比较大，原因用 RPC 文件定位的 BANDA 和 BANDF ，发现两个图像的地理位置偏差比较大，故这里设置的值都比较大，搜索窗口大小可以参照立体像对两个图像。 2 、可先单击 Delete ALL 删除所有点，再单击 Restore 加载 Tie.pts 文件。
第四步：设定 DEM 提取参数 （1） ENVI 会生成核线图像，可以用于立体观测，选择一个路径分别输出，单击 Next 。 （2） 设置 DEM 输出投影参数。这里直接设置为 UTM 坐标，输出像元大小为 5m （记得回车自动计算输出像元行列数，否则结果会带很多黑背景），单击 Next 。 （3） 设置 DEM 输出参数，根据需求设置背景值，地形精细程度等参数。
图 4 输出核共线图像
图 5 DEM 输出投影与输出参数设置 第五步：输出 DEM 并检查结果 将得到的 DEM 在 3D SurfaceView 下查看。 第六步：编辑 DEM 生成的 DEM 有些地方如厚云等，对获得的地形有影响，需要手动更改这些区域的高程数据。 最好将整个流程保存为工程文件，以备下次使用。
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