【图像处理基石】什么是数字高程模型？如何使用数字高程模型？

数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是一种通过数字化方式表达地表高程信息的模型，是地表起伏形态的数字载体。它通过规则网格（如矩形网格）或不规则离散点（如三角网顶点）的高程值，结合对应的平面坐标（经纬度或平面直角坐标），精确描述区域内的地形高低变化，是地理空间信息中表征地形的核心数据。

数字高程模型的主要使用场景与方法

DEM的价值在于通过高程数据支撑各类地形分析和应用，具体使用场景如下：

1. 基础地形分析

这是DEM最核心的应用，通过对高程数据的计算，提取地形特征参数，反映地表形态属性：

• 坡度与坡向：坡度表示地表倾斜的陡峭程度（单位：度或百分比），坡向表示倾斜的方向（如正北、东南等）。例如，农业中通过坡度判断耕地适宜性（陡坡不适宜耕种），生态学中用坡向分析光照、湿度差异对植被分布的影响。
• 地形起伏度与粗糙度：起伏度反映区域内最高与最低高程的差值，粗糙度表示地表的破碎程度（如山区 vs 平原），用于地质、地貌类型划分。

2. 水文与水资源分析

基于DEM的高程差异，可模拟地表水流运动，支撑水文过程分析：

• 流域划分与水系提取：通过计算水流方向（由高到低）和汇水量，自动划分流域边界（如长江流域、黄河流域），并提取河流网络（从支流到干流的拓扑关系）。
• 洪水模拟与淹没分析：结合水位数据，用DEM计算某一水位下的淹没范围（低于水位的区域），用于洪水风险评估和防灾规划。

3. 工程建设与规划

在工程设计中，DEM用于优化方案、降低成本：

• 线性工程（道路、管线）规划：通过DEM计算线路沿线的高程变化，确定挖填方量（挖去高地、填充洼地），选择坡度平缓的路线以减少施工难度。
• 场地选址：分析候选场地的高程（避免低洼易涝区）、坡度（如建筑场地坡度需≤5%），辅助工厂、住宅等选址决策。

4. 遥感与三维建模

DEM是遥感和地理信息系统（GIS）的基础数据，用于提升空间信息的真实性：

• 遥感影像校正：山区遥感影像因地形倾斜会产生“畸变”（如陡坡区域影像被拉伸），结合DEM可消除地形影响，提高影像精度。
• 三维场景构建：将DEM与卫星影像、航拍纹理叠加，生成真实的地表三维模型（如城市三维地图、景区虚拟游览场景），用于规划展示或导航。

5. 灾害监测与评估

DEM可辅助识别灾害风险区域，评估灾害损失：

• 地质灾害预警：在滑坡、泥石流高发区，通过DEM分析坡度（＞25°易发生滑坡）、沟谷分布（泥石流通道），圈定高风险区域。
• 灾后评估：对比灾前（如滑坡前）和灾后（如滑坡后）的DEM，计算地表高程变化，量化灾害规模（如滑坡体的体积、位移高度）。

6. 军事与导航

• 军事地形匹配：导弹、无人机等利用DEM与实时地形数据对比，校正飞行路径，避开高地等障碍。
• 导航路径优化：车辆或无人机导航中，结合DEM考虑地形起伏对能耗的影响（如爬坡增加油耗），规划最优路线。

使用DEM的工具与流程

实际应用中，DEM数据需通过专业工具处理，常用软件包括ArcGIS、QGIS（开源）、Global Mapper等，基本流程为：

1. 获取DEM数据（来源：卫星遥感如SRTM、ASTER GDEM；航空激光雷达LiDAR；地形图数字化等）；
2. 数据预处理（如去除噪声、填补空洞，确保高程数据连续）；
3. 选择分析工具（如ArcGIS中的“坡度计算”“流域分析”工具）；
4. 输出结果（如坡度图、流域边界矢量图、三维模型等），支撑具体应用。

总之，DEM是“数字化地形”的核心，通过将高程信息转化为可计算的数字数据，为地理研究、工程实践、灾害防控等领域提供了高效的分析工具。