DTM數值地形模型

什麼是DTM?


圖:規則網格Grid

  DTM(Digital Terrian Model)數值地形模型,泛指任何以數值化(digital)的方式來展現3D空間地形起伏變化的狀況。其應用範圍相當廣泛,在地形分析上可用來進行坡度坡向計算、等高線製作,土木工方面用來做挖填方計算、坡地或道路開挖,災害評估方面可用在災害崩塌容積計算,其他常見可用來做三度空間展示等等。

  其資料格式可分為:規則網格(GRID)、不規則三角網(TIN)、數值等高線(Digital Contour)三種,一般農委會農航所或水土保持局所生產之DTM資料通常都以使用規則網格的資料格式,在每個網格中紀錄其XY坐標和地形高程屬性(X,Y,H),並也能夠透過GIS軟體轉換去產生不規則三角網或等高線的資料格式。


圖:數值等高線conter

圖:不規則三角網TIN

DTM、DEM、DSM,與其資料結構:

  DTM為一個泛稱之概念名詞,通稱一般以數值方式表現地形的方法。

  DSM (Digital Surface Model) 則指的是地表上所有地物,包含人工構造物或自然森林或人工作物覆蓋地面的高程;DEM (Digltal Elevation Model) 首見於 1970 年代美國地質調查署以二維矩陣方式儲存高程資料的資料格式,中文譯名為數值高程模型。DSM和DEM通常都是規則網點的資料格式,目前最流行通用的40*40m網格大小的DTM通常就是以二維矩陣儲存之DEM,因為其格式演算法容易設計且最容易與遙測影像資料結合。

  因此一般可取得的DEM的40公尺資料大多是儲存為紀錄XYZ的文字檔、或二維矩陣的ASCII格式,儲存檔案容量不但小,且流通性高。其二維矩陣如下圖所示,除了紀錄原點坐標、網格大小、X軸和Y軸數目後,矩陣中則記錄高程值:

DEM資料是如何製作出來的呢?:

  測量DEM最經濟的方法是航空攝影測量,首先以人工或影像自動匹配的方式,在立體模型內量測出地表上足夠密度的離散高程點及用以描述地表特殊起伏形狀的地形特徵線(地形結構線、地形斷線)、特徵點(局部最高或最低點),然後以適當的運算法則將這些量測的數據,過濾量測誤差後內差計算出等間距的網格。

  近年來由於空載光達的發明使DEM的測製又多一種方法。「光達」(Lidar, Light Detection and Ranging) 有別於「雷達」(radar)使用微波,光達是使用「光波(雷射)」去掃瞄地面來進行偵測與距離量測之系統,也可稱為「雷射掃瞄儀」,藉由雷射掃瞄地面並解讀其回傳訊號得到高程資料。

  由於光達採自動掃瞄,所以產製DEM的速度比航空攝影測量快速,但是光達偵測到的也是樹頂房頂之DSM資料,必須經由大量自動與人工的植生濾除過程以得到原始地表之DEM資料。光達對於較密的樹林而言,能穿透樹林直接測到地表的光達點很少,因為人工要由此少數點來估計真實地表也是一件困難的事。其DEM之精度受到兩個因素之影像:

  1. 所量測到地表點的密度及量測的精度。

  2.所量測的地形特徵線及特徵點的數量是否充分掌握地表起伏。

  凡是量測點及線越多則月能表示出地表面較細緻的起伏,而應量測的點密度與精度又與所期望的DEM網格間距有關,製作5公尺間格的DEM所期望能達到的精度當然比10公尺的網格間隔要高。

農航所生產之DEM資料:

  臺灣第一次製作DEM是於1983年到1985年間,40公尺間隔的DEM。由於經費及技術的限制,該DEM製作時是以人工在解析測圖儀內於預先設定好坐標的40公尺間距網格點上,直接量測該點之地表高程做DEM,如果預設好的網格點剛好有樹木或建物時要如何處理也不清楚。一開始此版本並未開放使用,後來經過陸續的修測、提升精度後,才交由中央大學太空及遙測中心管理,供各單位申請使用。長期以來,該DEM資料是學術及工程界使用DEM的唯一來源,對臺灣地區的科學研究及應用貢獻十分卓著。

  但隨精度要求越高,40公尺網格的DEM間距太大,不符合土地利用密集的現況需求,加上福衛二號遙測衛星2公尺高解析力影像之需求,內政部於2004年使用農航所所拍攝的比例尺1:20,000航空影像,全面重測間格5公尺的高精度高解析度DEM,並同時產製DSM資料,整體作業於2006年完成。

DEM之應用領域:

  除最早期為土木工程發展的土方計算、斷面圖繪製、地表坡度及坡向計算等各種應用外,在航空測量最常見的就是以DEM自動繪製地形圖上的等高線。除此還有下列應用:

1. 淹水區分析:依據選定的水文模式,可以在DEM內模擬計算各種不同講與模式,或潰堤時淹沒的區域變化狀況。

2. 地形導航:由於山區地形起伏各有其特徵,如果將DEM儲存在無人飛行器的電腦內,在飛行時利用微波或雷射對地面掃瞄得到飛越地表的起伏狀況,將之與儲存地形資料互相比對,即可確認飛行器所在位置以作為導航之用。

3. 三維飛行模擬:在飛行模擬器內使用DEM搭配真實地表影像,可以塑造出與真實環境相似之即時動態3D視覺效果,作為模擬飛行訓量之用。

4. 輸電線路塔位選定:高壓電塔位置選擇時,必須注意兩塔之間的懸垂電線與地面之間的淨空,利用DEM可在電腦輕易地分析找出最佳路線位置。

5. 工程模擬:在工程設計階段,就可以將設計的數據融合到當前DEM,在還沒有實際施工之前,就至做出未來依據此設計師工完成後的需你模型,據此分析工程設計對環境的影像。

本系統利用DEM資料之應用:

  1. 地形查詢:利用DEM資料來進行坡度、坡向的運算(運算方法可參閱坡度單元)
  2. 地形剖面線:利用DEM資料內插後,繪出地形剖面狀況
  3. 3D地形模型(立體地形圖):利用DEM資料製作三維地形模型後,再覆蓋上農航所所提供的彩色正射影像圖
  4. DTM地形起伏光影圖(或稱彩色暈渲圖):利用DEM資料運算得到以光影顯現的地形起伏情形,再覆蓋上彩色高程DEM資料後產製而成
  5. 坡度圖:利用DEM資料運算出40*40m的網格坡度值
  • 以上資料參考來源:
    1. 財團法人中正農業科技社會公益基金會出版,98年5月,「航遙測技術在自然資源之應用」
    2. 行政院農業委員會水土保持局, 2003年,DTM品質檢核與提昇之研究,收錄於九十二年度土石流防災暨監測科技計畫成果彙編


1.「地形變遷」研究裡的DTM應用:苗栗火炎山崩塌地>>前往Gis觀看
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  地形變遷一直是許多研究領域的重要議題,包括造陸、造山運動、海岸線變遷、河流縱橫剖面變遷、地層下陷、山崩與侵蝕造成種種地表地貌的改變,其尺度從數十公里到數十公尺、公分級皆有。一般都是選擇兩個時間點以上影像利用DTM資料進行地形變遷之分析。

  過去經濟部礦務局曾利用相隔好幾個月以上不同的DSM資料來估算砂石蘊藏量、監測盜採砂石的坑洞用以防止濫採砂石。水利署河川局也曾利用此項技術監測濁水溪流域標售的砂石開採狀況。

  位於苗栗縣三義的火炎山自然保留區,其崩塌地一直是備受關注的土石流崩塌地,由於其地區為礫石層發育的丘陵地,鬆散易崩落,長期溪谷的源頭侵蝕作用更造成長期無植被或植被稀少的「惡地」地形,因此地貌上的變化相當明顯,對於火炎山的地形變遷研究相當地多,而利用DTM資料分析其地形變遷更是研究中相當重要的一環。上網查詢火炎山崩塌地的相關研究,並利用本系統的3DVR功能,好好觀察一下火炎山的地形崩塌狀況吧!

2.地形地勢對氣候之影響:宜蘭喇叭狀地形>>前往Gis觀看
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  今年(2009)10月初侵台的秋颱芭瑪颱風,其暴風圈並未進入臺灣東北地區,但是在宜蘭地區所下之雨量非常驚人。古魯、冬山鄉寒溪,冬山等5處自動雨量站,都創下15年以來「單日最高降雨紀錄」。氣象預報中心解釋:「芭瑪颱風的外圍環流,與東北季風,配合宜蘭地區特殊的喇叭狀地勢,也就是蘭陽平原南北兩側剛好有雪山山脈,雲系移入之後,在地形的舉升下,產生持續性的對流降雨,只要持續的時間越久,累計雨量就會越多。」(參見新聞

  在我們的系統上,開啟「加值底圖」中的以40公尺網格製作的「地形圖」,觀察一下宜蘭的「喇叭狀」地勢吧。你說,這樣的DEM資料是不是很好用呢?