基于城市框架數據的大比例尺城市DEM建模與管理方法研究

馮 琰

（蘇州科技大學 環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009）

隨著城市管理科學化、精細化水平的提高，城市各行各業對城市高精度DEM的應用需求也有了更高的要求。在城市規劃行業，DEM數據是城市規劃的重要基礎數據，利用DEM數據可以進行土地監測[1]、水源保護區規劃、水系規劃、景觀規劃以及規劃方案[2]的三維效果顯示等；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，進行道路設計和施工、道路橫縱斷面分析、地下管線設計管理等；在水利部門，利用DEM數據可以進行水流向分析、流域分析、城市積水分析等，對于城市洪水暴雨預警等有積極作用。

與全球和國家級別DEM相比，城市級別DEM在制作方法、表現方式、存儲方法和更新維護方法等方面具有以下特點：（1）由于城市中地形地貌破碎復雜，具有豐富的特征線，比如馬路牙、下沉式廣場、隧道出入口等都需要表現，因此，必須有高精度、高分辨率DEM表現城市級別DEM。（2）國內各大中型城市都具有豐富的基礎地形數據，例如上海市擁有1∶500、1∶1000和1∶2000多種大比例尺地形數據，更新周期分別為0.5 a、1 a、1 a。大比例尺基礎地形數據具有豐富的特征點線數據，例如道路面、水域面、陡坎線和斜坡線等，這些特征點線可以直接用于城市DEM建模，從而可以代替傳統的航空攝影測量方法，提高DEM的生產和更新效率。（3）DEM數據結構包括規則格網（GRID）和不規則三角格網（TIN），針對城市地形地貌特點，TIN能較好的顧及城市地貌特征，逼真的表示復雜地形特征，并能克服地形起伏不大區域的數據冗余問題。因此，對TIN組織管理DEM數據方法進行了深入研究。（4）城市發展到一定程度，城市的地形地貌變化相對變緩，每年只是局部區域會有變化和調整，DEM數據的維護更新也須適應這一特點。在原有城市TIN數據基礎上實現局部TIN的更新。不同于傳統DEM建模方法，對基于城市框架數據的大比例尺城市DEM建模方法進行了研究，基于不規則三角格網（TIN）的城市DEM數據管理方法，建立城市DEM數據庫，并解決基于TIN的DEM局部增量動態更新問題。

1 大比例尺城市DEM建模方法

1.1 DEM建模方法概述

目前國內外常用的DEM制作方法有：（1）全野外測量數據構建，這種方法雖然精度很高，但耗時長，成本高，更新困難，應用范圍也比較??；（2）將現有的地形圖數字化，生成數字網絡模型，該方法雖然節約成本，但對于城市中的細節無法準確表達；（3）攝影測量和遙感的方法，即利用兩相鄰像對，在全自動攝影測量系統的支持下，通過輸入地面控制點、相對定向和絕對定向以及影像自動匹配，生成DEM數據；（4）激光雷達法，這種方法采集到的數據為DSM點云數據[3]，利用DSM數據制作DEM數據也是近來研究的熱點，但是此方法成本高，技術難度大，難以完全濾掉建筑、樹木等噪聲的影響。以上幾種建模方法各有優缺點，目前比較常用的是攝影測量與遙感方法。這種建模方法可以得到高精度、高分辨率的DEM數據，在有高分辨率影像前提下，可以準確表達城市地貌細節特征。但是這種方法需要大量的人工干預，建模效率較低。

以上幾種DEM建模方法中，攝影測量和遙感方法是目前比較常用的方法，較廣泛地應用于國家和省級DEM的建模中；近幾年由于激光雷達技術的發展，利用該技術進行DEM建模也在一些地區得以開展研究，但由于其成本高，一些關鍵技術一直未得到較好解決，該種建模方法也未得到廣泛推廣。充分利用城市中已有的數據資源，大比例尺城市框架數據，結合城市地形地貌特點，開展城市DEM建模方法研究。

1.2 建模方法

城市框架數據包括高程散點、道路面、道路附屬設施、鐵路中心線、水域面、街坊面、等高線、陡坎線和斜坡線。利用以上數據，在城市DEM中可以準確描述道路、水域、陡坎、下沉式廣場、隧道出入口等復雜城市地形地貌。基于大比例尺城市框架數據的DEM建模方法包括以下幾步：數據準備、數據篩查、特征線采集、三維特征線插值和TIN網構建。

1.2.1 數據準備

該方法所需數據源包括1∶500、1∶1000、1∶2000大比例尺基礎地形數據及航空數字正射影像數據。由于上海市1∶500、1∶1000和1∶2000數據覆蓋不同區域范圍，因此，在數據準備階段需要將三種比例尺數據進行合并，形成覆蓋上海全域的、無縫拼接的大比例尺城市框架數據。此外，為了保證數據現勢性，需要利用最新航空正射影像數據對城市框架數據進行更新，主要包括：（1）對與影像上不符的已竣工通車的市政道路及其以上等級道路，進行現勢性更新；（2）對與影像上不符的通航河道，進行現勢性更新；（3）對城市重點區域，進行現勢性更新。

1.2.2 數據篩查

數據篩查是對城市框架數據中不合理部分、缺失部分、邏輯關系不正確部分進行處理，使其滿足DEM建模需求。主要包括以下工作：

（1）數據完整性排查：將所有道路面、水域面、街坊面及池塘面按作業區塊合并分割，排查出作業范圍內存在的空白區域，并根據正射影像賦予空白區域相應的屬性。

（2）水域面篩查：水域面包括河流、湖泊和水庫等，通過水域面篩查，保留大面積的，貫通的水域面，刪除其中零星的水域面。

（3）池塘面篩查：通過池塘面篩查，保留大面積的，連片的池塘面，刪除其中小面積的、零星的池塘面。

（4）道路標高點篩查：刪除高架、橋梁及引橋上的標高點。

（5）地形地貌高程點篩查：刪除高程特殊的高程散點（如-900 m或9 999 m），篩選每一個街坊面內部的高程點，保留具有代表性的點，刪除一些微地貌上的點。

1.2.3 特征線采集

這里特征線采集是指框架數據中不包含的，對表現城市形態非常重要的地形地貌特征線，比如下沉式廣場、大堤大壩、隧道出入口等。這些特征線需要在航空影像立體像對環境下采集，利用城市框架數據中的陡坎線和斜坡線，分割原街坊面，使得建筑物附近的地表盡可能平緩，構成新街坊面，并保留該街坊面內所有地形地貌高程點。對沿海地區的街坊面，利用城市框架的陡坎線和斜坡線，采集大堤邊線及大堤旁的斜坡線。

1.2.4 三維特征線插值

三維特征線插值是指利用城市框架數據中的高程散點數據對城市框架數據特征線插值賦予高程信息，從而得到三維特征線數據。其中等高線的處理方法不同于其他特征線，由于等高線屬性字段中包含高程值，因此，根據屬性字段可以直接生成三維等高線。

1.2.5 TIN網構建

圖1 TIN網

通過以上四步，可以得到高程散點、三維道路線、三維街坊線、三維等高線、三維水域線等三維特征點線，在第五步中，將利用這些三維特征點線，根據一定規則連接成覆蓋整個區域且互不重疊的但相鄰接的一系列三角網，以構成一個不規則三角網TIN。采用三角網增長算法構建TIN網，最終得到以TIN為數據結構的DEM數據。如圖1所示，為某區域的TIN三角網數據。

2 大比例尺城市DEM空間數據庫

對于一個城市DEM數據而言，DEM是連續的、無縫的。大比例尺城市DEM空間數據庫建庫目的就是將所有相關的特征點線數據和不規則格網TIN數據按照一定方法有效組織起來，并根據其地理分布特點，建立統一空間索引，進而可以快速調度空間數據庫中的任意范圍數據，達到對全市DEM數據的快速無縫瀏覽和查詢。

2.1 大比例尺城市DEM數據組織與管理

對于TIN模型的存儲結構，國內外的不少學者已提出了許多種方法，其中最早的是由Peucker及Flower等人提出的按網點坐標和高程表及地形點鄰接指針鏈存儲，網點鄰接指針鏈用每個點所有鄰接點的編號按順時針（或逆時針）方向存儲。這種結構的存儲量小，編輯方便，但計算量大，不利于TIN的快速顯示。Gold，McCullagh，Tarvelas提出了用網點坐標和高程、三角形表、鄰接三角形的存儲方法，該方法具有拓撲效率高等特點，但存儲量大，編輯不方便。McKenna提出了混合表示網點及三角形鄰接關系結構。國內也有學者提出了相應的存儲結構，陳曉勇提出了將TIN轉化為規則三角網來存儲。劉學軍提出了用點、邊、三角形結構存儲，相對于前幾種存儲方法而言，采用這種結構占用的存儲量更大，但隨著計算機硬件技術的不斷發展，計算速度相對而言更為重要，由于這種結構拓撲關系明顯，便于管理，因而被廣泛的應用在數字高程模型的數據組織中。因此，文中也采用這種數據組織方法。

圖2 TIN數據組織結構

圖2的三個表，分別用來記錄組成三角形的頂點號、邊號和三角形號。這三個表之間，通過索引指針相互發生聯系，即由某一三角形（面），可以檢索出構成該三角形的三條邊（線），從而又可檢索出該三角形的三個頂點（點），由某條邊又可以很方便地檢索出共用該邊的兩個三角形。這種結構，不僅便于TIN數據存儲，建立拓撲管理，而且方便實現TIN數據編輯修改。

2.2 城市DEM空間數據庫管理系統

傳統的DEM等空間數據的管理一般是使用文件系統的方式進行的，在這種方式下，文件按照生產時的圖幅進行管理，每個圖幅對應一個文件。和關系數據庫相比，文件系統在數據安全控制、數據共享、并發操作等方面具有難以克服的缺陷，由于網絡的發展，這些問題顯得尤為突出。DEM空間數據庫管理系統的建設，可以控制整個數據庫系統的運行，控制用戶的并發性訪問，執行對數據庫的安全、保密、完整性檢驗，實施對數據的檢索、插入、刪除、修改等操作。（1）數據顯示與瀏覽：通過導航窗口能瀏覽數據庫中數據情況，能夠任意開窗、放大、縮小和漫游；（2）查詢：可通過圖幅編號、區域邊界（如行政區域）、名稱（如地名）、平面坐標等在任意范圍內進行DEM數據的查詢；（3）數據入庫和更新：可將數據導入數據庫中，經入庫工具檢查無問題后，對無數據的區域數據直接入庫，對已有數據區域，更新現有數據，并與周邊數據進行融合；（4）數據分發與提取：可以按照圖幅編號、行政區域名、經緯度范圍、大地坐標范圍進行分幅，矩形分塊提取數據，也可以通過多幅圖編號進行數據分發和提取的批處理；（5）歷史版本管理：對DEM更新情況進行記錄，保存DEM歷史更新情況和數據，實現不同歷史版本的DEM數據管理；（6）日志管理：數據庫變更信息、人員登錄情況等相關活動記錄到日志中進行管理；（7）用戶管理：數據庫用戶管理。

2.3 城市DEM空間數據庫維護和更新方法

隨著城市不斷建設發展，城市的DEM也在緩慢發生變化，這就需要定期對城市DEM數據進行更新。在DEM數據的生產和更新的作業過程中，由于DEM數據的復雜性，該課題將研究相關的DEM數據檢查和維護更新工具，輔助作業人員進行作業，從而提高數據生產質量，保證數據庫數據的正確性。具體的功能包括：

（1）局部數據的分幅、提取和導出等操作；

（2）數據拓撲關系等的檢查；

（3）DEM數據的完整性、正確性、一致性等檢查；

（4）局部數據更新和周邊數據進行接邊融合；

（5）數據生產作業信息記錄。

3 大比例尺城市DEM空間數據庫應用實例

利用大比例尺城市DEM數據進行智能化災害預警發布，下雨時，通過對雨量的預估，利用DEM數據判斷全市易積水路段和易積水街坊，并對街坊積水程度進行定量評估，并將這些分析結果實時發布服務政府決策和方便市民生活。如圖3所示，當下雨量為70 mm/h時，不同街區的積澇風險分析圖，分別用不同顏色表示積澇風險程度，分別為很危險、危險、比較危險和一般危險。如圖4所示，為城市中易積水路段分析圖，圖中黑色加粗標識路段為易積水路段。

圖3 積澇風險分析圖

圖4 易積水道路分析圖

4 結語

大比例尺城市DEM數據是“智慧城市”建設的基礎，是建設三維城市模型，進行城市建設、規劃和土地管理、市政工程、氣象和水務管理等都必不可缺的資源，大比例尺城市DEM空間數據庫的建設，能為相關領域的智能管理、智能分析、預警預報、科學決策和分析提供有力的支持，能在相關領域產生良好社會效益和經濟效益。

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