上海城市高精度DEM空間數據庫建設與應用研究

張唯，毛煒青

(上海市測繪院，上海 200063)

上海城市高精度DEM空間數據庫建設與應用研究

張唯*，毛煒青

(上海市測繪院，上海 200063)

城市高精度數字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是智慧城市建設和管理的重要基礎數據。基于上海基礎地理框架數據和局部三維激光掃描數據，構建了覆蓋全市的高精度DEM，并創新地采用了對象化管理技術實現了不同精度DEM數據的融合，建立了上海全市統一的DEM空間數據庫和相應的數據庫管理系統，實現了上海全市海量DEM數據的高效管理和動態更新。針對上海DEM的應用需求，還深入研究并實現了DEM基礎分析算法和發布了全市DEM彩色暈渲圖服務，相關成果在上海智慧城市建設的土地規劃、市政和水務等領域發揮了重要的作用，對其他城市的DEM的管理和應用工作具有借鑒意義。

地圖學與地理信息系統；DEM；高精度；不規則三角網；矢量切片；空間數據庫；智慧城市

1 引 言

隨著上海智慧城市建設的推進，高精度數字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)作為城市建設管理的基礎數據之一在城市各行各業中的應用需求日益增強。在城市規劃行業，利用DEM數據可以進行用地評定、水源保護區規劃、水系規劃、景觀規劃以及三維規劃方案審批和比選等；在市政管理部門，利用DEM數據可以提取等高線和坡度分布信息，輔助進行道路設計施工、道路斷面分析、地下管線設計施工和地下空間管理等；在水利和氣象部門，利用DEM數據可以進行城市積澇分析、流域水域分析等，對解決城市暴雨積澇等有重要作用。上海城市高精度DEM空間數據庫的建設，提高了DEM數據的存儲、檢索、處理和分析的效率，為相關領域的智能管理、智能分析、預警預報、科學決策提供有力支持，進一步推動上海城市建設管理智慧水平的提升[1]。

2 上海城市高精度DEM生成

上海城市級的DEM不同于全球和全國級的DEM，城市級DEM具有地形地貌破碎、細部結構豐富等特點，如馬路沿、水體岸線、下沉式廣場、隧道出入口等。目前國內外主要的DEM生成方法有全野外測量采集、地形圖數字化生成數字模型、攝影測量和遙感的方法和激光雷達法等方法[2]。

本文結合上海地區地形和數據特點，利用上海市已有的豐富的空間地理信息數據資源，將高精度城市框架數據和超高精度三維激光掃描技術相結合，通過上海城市基礎地理框架數據生成覆蓋全市的高精度DEM，局部區域融合三維激光掃描點云數據生成的局部超高精度DEM數據，構建全市范圍的高精度DEM，滿足了上海城市多部門、多層次的DEM應用需求。

2.1 基于城市基礎地理框架數據高精度DEM生成

上海城市基礎地理框架數據含有豐富的地形地貌信息，如道路、河流、街坊以及城市實測的地面高程散點。上海市建立了在全國領先的“0511”的基礎地理信息數據更新機制，市中心區域 1∶500比例尺數據半年更新一次，其他區域 1∶1 000和 1∶2 000比例尺數據一年更新一次。通過城市基礎地理框架數據，可以提取整理全市的地形特征點線信息(如道路邊線、河流岸線、高程散點等)[3]。

本文根據上海的數據特點研制了基于基礎地理框架特征點線數據不規則三角網的構建模塊，構建生成了覆蓋全市范圍的高精度DEM不規則三角網模型，精細完整表現上海城市地形起伏情況。通過精度評定和測算，數據整體精度中誤差達到 0.18 m[4]，能夠滿足一般的DEM應用需求。本文基于城市基礎地理框架數據構建的DEM三角網如圖1所示。

圖1 基于城市框架數據生成的上海高精度DEM

2.2 基于三維激光掃描數據超高精度DEM生成

地面三維激光掃描是一門新興的技術，可以在較短時間內獲取局部超高精度的地形點云數據，能夠用于表達局部區域超高精度的DEM[5]，從而解決城市下立交等區域精準積澇分析的數據需求。

本文研究了從三維激光掃描點云生成局部超高精度DEM的完整的處理方法，從最開始的點云數據采集開始，經過點云解算、點云合并、點云分類去噪、點云特征線提取和點云抽稀等環節[6，7]。

(1)點云解算，對原始的點云數據根據測站或POS等信息解算得到最終成果點云(常見的有LAS和XYZ格式)。

(2)點云合并，是將生成的多個LAS文件和XYZ文件根據軟件導入合并，因為點云數據往往數據量很大，合并時要兼顧合并后文件數量和點云處理軟件數據的承載量。

(3)點云分類去噪，是將合并好的數據對其進行分類，保留需要的數據去除路面上等噪點。

(4)點云特征點線提取，點云分類去噪后對道路邊線及馬路牙子邊線等道路重要的特征線進行提取。

最后利用本文開發的特征點線構建不規則三角網模塊，生成局部道路超高精度的DEM不規則三角網模型。通過對局部數據精度評定和測算，數據精度平面中誤差為 0.1 m，高程中誤差為 0.03 m。相關數據已經滿足上海水務氣象部門局部積水精確分析的要求。本文所生成的局部道路超高精度的DEM效果如圖2所示。

圖2 基于激光掃描數據構建的局部道路超高精度DEM

2.3 基于對象化管理技術的多源、多精度的DEM數據融合

本文考慮到城市多層次的DEM應用需求，采用多種源數據生成全市高精度DEM。在多源多精度DEM數據融合時，本文創新性地采用“對象化存儲”技術，相比于直接存儲TIN的三角形數據，采用分塊管理的思路，將一小塊區域的三角形存儲為Multipatch三維模型對象。利用Multipatch這一常見的三維數據格式，對所有的三角形進行組合管理，可以顯著減少數據記錄數，提高查詢和檢索效率。采用“對象”管理后，可以在必要的時候對相關“對象”直接進行三維瀏覽分析。同時，也可以對“對象”進行打散或者進一步的合并，來滿足不同的應用尺度，大大提高了海量數據管理和檢索效率[8]。

在對不同數據進行融合時，查找并替換相應的“對象”，將局部范圍精度更高的DEM數據替換精度較低的DEM數據，從而實現了不同源和不同精度的DEM數據融合，融合效果如圖3所示。本文通過多源、多精度的DEM數據融合實現了上海全市DEM數據的統一，為DEM數據的進一步數據庫管理和應用打下了良好的基礎。

圖3 多源多精度DEM數據融合結果

3 上海DEM空間數據庫建設

上海城市高精度DEM空間數據分辨率高、數據量大，考慮到數據的日常管理、應用和更新的需求，本文建立了上海DEM空間數據庫，并研發了相應的DEM空間數據庫管理系統輔助數據庫管理人員進行日常的管理操作。

3.1 DEM空間數據庫建設

考慮上海城市海量DEM三角網數據的存儲和管理需求，DEM空間數據庫建設必須考慮數據庫的效率，結合上海城市基礎地理數據庫的管理經驗，本文在建立DEM空間數據庫時，采用了ArcSDE+Oracle的數據庫管理模式。ArcSDE以數據庫為后臺存儲中心，為前端的GIS應用提供快速的空間數據訪問，能實現海量數據的快速讀取，保證數據存儲的安全高效。Oracle數據庫是一種高效率、可靠性好的適應高吞吐量的數據庫解決方案。ArcSDE+Oracle對于海量空間數據庫的管理方面具有比較明顯的優勢[9]，數據管理時，來自多種來源的DEM數據通過入庫工具入庫后，數據庫中通過DEM空間信息表、分塊信息表、圖幅信息表等，將全市高精度的DEM三角網進行統一管理，所有的三角網按照對象分塊存儲為Multipatch對象類型，通過空間數據引擎ArcSDE來實現對Oracle的增加、刪除和更新操作，達到對DEM數據管理和維護的目的。本文所建立的DEM空間數據庫的整體框架如圖4所示。

圖4 上海DEM空間數據庫框架圖

3.2 DEM空間數據庫管理系統建設

針對上海DEM數據的日常生產、更新和應用需求，本文研究了相應的數據庫管理系統對DEM空間和屬性數據進行統一管理，系統采用C/S結構，包含數據加載、瀏覽、查詢和交換等模塊。利用該管理系統，可以實現DEM數據的入庫、提取和瀏覽等操作，還可對數據進行查詢、檢查和統計，并可對數據庫中的指定區域進行更新，在實際工作中滿足了上海DEM數據的生產和管理應用需求。本文所研究的數據庫管理系統功能模塊劃分如圖5所示。

圖5 上海DEM空間數據庫管理系統功能模塊

4 上海DEM空間數據庫應用研究

4.1 DEM基礎分析算法研制

(1)點位高程內插

DEM應用中最常用的功能之一就是獲取指定點(X0，Y0)的地面高程Z0，本文作者基于城市DEM空間數據庫，利用GIS的空間分析功能，研究實現了DEM點位高程獲取算法[10]。首先根據輸入(X0，Y0)的坐標空間位置，在數據庫中利用GIS空間分析功能，確定與其投影相交的三角形。然后，根據三角形的三個頂點的空間坐標，(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)和(X3，Y3，Z3)，通過內插方法獲取指定點地面高程Z0值。指定點(X0，Y0)的地面高程Z0的內插計算表達式為：

(2)地形剖面分析

地形剖面能反映地面線性起伏變化情況，在市政、水務等領域有廣泛的需求。本文基于地面高程計算基礎算法，封裝實現了地形剖面分析服務，用戶通過輸入剖面線起始點坐標和采樣間隔，就可以自動計算剖面上各個間隔點對應的DEM空間數據庫中的地面高程，從而得到整個剖面的地形起伏情況。地形剖面分析結果如圖6所示。

圖6 上海DEM剖面分析結果

(3)地形三維體積計算

城市建設中涉及大量的地形相關的立體體積計算，如施工土方量計算等，這些分析都離不開城市高精度DEM空間數據的支持。本文研究了地形三維體積計算算法，通過施工空間范圍和DEM空間數據庫進行空間分析，獲取所影響的DEM三角形區域范圍，然后結合開挖深度統計計算總共的三維體積大小。本文還對地形三維體積計算的功能進行了服務封裝，在三維場景中用戶輸入或導入范圍，輸入深度就能獲取體積計算結果。服務功能效果如圖7所示。

圖7 DEM三維體積計算結果

4.2 DEM彩色暈渲圖服務發布

針對普通的DEM管理部門和用戶需求，本文研究了相應的模塊實現從DEM空間數據庫自動生成DEM彩色暈渲圖，使用戶能方便快捷地了解指定區域的地形起伏情況。DEM彩色暈渲圖通過彩色分級渲染，分別使用不同的顏色表示不同高度信息，可以直觀地應地形地勢的變化，有較好的可讀性，方便用圖者的使用[11]。同時本文還將DEM彩色暈渲圖發布成標準的地圖服務，作為上海市基礎地理信息公共服務平臺的標準服務之一，廣泛地服務于全市各個相關的政府部門、事業單位和企業等用戶。本文所研究的DEM彩色渲染圖如圖8所示。

圖8 上海佘山、臨港區域DEM彩色暈渲圖

5 結論和展望

高精度的DEM數據是智慧城市建設必不可缺的基礎數據。本文針對上海城市DEM數據管理和應用需求，基于城市基礎地理框架的特征點線數據構建了全市的DEM三角網，局部區域融合了三維激光掃描構建的超高精度DEM，建立了全市統一的DEM空間數據庫，并開發了相應的DEM數據庫管理系統實現數據的集中管理。針對海量TIN數據，創新性地采用了DEM三角網“對象化”存儲技術，對所有的三角形進行組合管理，顯著減少了數據記錄數，大幅度提高查詢和檢索效率。在DEM數據庫應用方面，深入研究并實現了DEM地形的點位高程、剖面分析、立體體積計算等算法，并基于數據庫自動生成了上海全市的DEM彩色暈渲圖，相關成果在上海智慧城市建設的規劃土地管理、市政施工、氣象水務等領域得到了實際的應用。

今后隨著DEM數據獲取手段更加豐富、技術更加先進，DEM數據源的種類會不斷增加，這將有利于DEM數據的進一步深入應用，但也給多種來源DEM數據的管理帶來更大挑戰。同時隨著智慧城市建設的進一步推進，城市精細化、智能化管理程度也會不斷提高，這對DEM數據的精度提出更高的要求，未來城市DEM的建設應用將朝著分辨率更高、精度更高、更新周期更快的趨勢發展。綜合以上，本文所建立的DEM空間數據庫將隨著DEM應用的推廣和深入進一步完善和擴展，將支持更多的DEM數據源，支持更高精度數據，維護更新更及時，分析功能更豐富，從而更好地服務于上海智慧城市建設工作開展。

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Research on the Construction and Application of the Shanghai High-precision DEM Spatial Database

Zhang Wei，Mao Weiqing

(Shanghai Surveying and Mapping Institute，Shanghai 200063，China)

The high-precision DEM is one of the most important basic data for the construction of smart Shanghai. In this paper，the Shanghai DEM database was built by using the DEM object management method and merging DEM constructed by city framework data and 3D laser scanning，and the DEM management system was developed to manage and maintain massive DEM data effectively. According to the DEM application needs，several basic analysis algorithms and DEM render map were developed which are used in the city planning，municipal and water management of smart shanghai.

cartography & GIS；DEM；high-precision；triangulated irregular network；vector tile；spatial database；smart city

1672-8262(2017)02-5-06

P208.1

A

2017—01—18

張唯(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事城市三維地理信息研究及應用工作。 基金項目：現代工程測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金課題(TJES1309)