數(shù)字城市建設(shè)中DEM數(shù)據(jù)的采集與建立

呂志伸

摘 要：數(shù)字城市又稱作信息城市，是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、遙感遙測、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對城市的地理、經(jīng)濟(jì)、人口、資源等進(jìn)行三維描述，把城市的全部內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)字化虛擬實(shí)現(xiàn)。DEM數(shù)據(jù)的采集和建立是數(shù)字城市建設(shè)的基礎(chǔ)信息之一，是建設(shè)數(shù)字城市的三維景觀和構(gòu)建數(shù)字城市工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)信息。該文講述數(shù)字城市建設(shè)中DEM數(shù)據(jù)的采集和建立。

關(guān)鍵詞：數(shù)字城市 數(shù)字城市建設(shè) DEM數(shù)據(jù)采集 DEM數(shù)據(jù)建立

中圖分類號：TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-0-01

DEM是數(shù)字高程模型Digital Elevation Model的簡稱。隨著獲取DEM數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，采集和建設(shè)的DEM數(shù)據(jù)的信息越來越準(zhǔn)確、豐富、且更新速度快，DEM數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍也越來越廣，涉及環(huán)境、測繪、土木工程、軍事、商業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。數(shù)字城市建設(shè)也離不開DEM數(shù)據(jù)的應(yīng)用，DEM數(shù)據(jù)是數(shù)字城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是構(gòu)建城市三維景觀和進(jìn)行各種工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)信息。

1 數(shù)字城市建設(shè)中DEM數(shù)據(jù)的采集

DEM數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)方法與使用的數(shù)據(jù)源和儀器設(shè)備緊密相連，數(shù)據(jù)源包括形圖、航片等；儀器有掃描儀、計(jì)算機(jī)、解析測土儀、數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)等。DEM數(shù)據(jù)的采集有地面測量、利用現(xiàn)有地形圖提取和建立DEM、空間傳感器（GPS、雷達(dá)、激光測高儀）、數(shù)字?jǐn)z影測量方法、合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（InSAR）獲取DEM 5種方法。（1）地面測量法，利用自動記錄的測距經(jīng)緯儀建立DEM，這種方法獲得的數(shù)據(jù)精度高，但同樣成本也高，而且工作量大，工作的周期較長，適用于建立小范圍大比例尺區(qū)域的DEM，不宜在數(shù)字城市建設(shè)中采用。（2）空間傳感器，利用雷達(dá)、GPS、激光測高儀等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，成本較高。（3）利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（InSAR）獲取DEM，此種方法獲取的DEM精度較高，但價(jià)格昂貴?，F(xiàn)在數(shù)字城市建設(shè)中DEM數(shù)據(jù)的獲取最常使用的方法是利用現(xiàn)有地形圖提取DEM法和數(shù)字?jǐn)z影測量法。

1.1 利用現(xiàn)有地形圖提取DEM數(shù)據(jù)

對底圖上的等高線、地性線矢量化，常用的方法有數(shù)字化儀手扶跟蹤、掃描儀半自動采集法、地形圖掃描矢量化，這種方法生產(chǎn)效率較高、操作簡單，適用于數(shù)字城市建設(shè)中DEM的數(shù)據(jù)采集，是當(dāng)今常用的提取DEM數(shù)據(jù)的方法之一。

1.1.1 手扶跟蹤數(shù)字化儀

將地圖平放在數(shù)字化儀的臺面上，手持鼠標(biāo)跟蹤等高線或其他地形地物符號，按等時(shí)間間隔或等距離間隔的數(shù)據(jù)流模式記錄平面坐標(biāo)，或由人工按鍵輸入。

1.1.2 地形圖的掃描以及糾正

根據(jù)地形圖種類、質(zhì)量的不同掃描時(shí)的分辨率設(shè)置也不同。地形圖可分為紙質(zhì)圖、彩圖、二底圖，彩圖需要用黑白掃描儀掃描獲取黑白影象，掃描分辨率需大于400dpi，對掃描后的柵格圖進(jìn)行圖廓糾正；二底圖需用黑白掃描儀以二值的方式掃描，掃描分辨率需大于300dpi；二底圖可用四個(gè)圖廓點(diǎn)作為已知點(diǎn)，糾正時(shí)采用仿射變換的方式；紙質(zhì)圖或彩圖則需要用四個(gè)圖廓點(diǎn)及公里網(wǎng)點(diǎn)作為已知值，可用仿射變換或其他數(shù)學(xué)變換的方式糾正。

1.1.3 矢量化

矢量化通常是用已糾正的柵格圖作為底圖，利用相關(guān)軟件對底圖上的等高線、控制點(diǎn)及其他高程點(diǎn)等要素進(jìn)行矢量化，并賦予相應(yīng)的屬性。根據(jù)掃描圖的實(shí)際情況，矢量化可采用自動矢量化和人機(jī)交互矢量化方法進(jìn)行采集。

1.2 數(shù)字?jǐn)z影測量法

構(gòu)建DEM可以利用立體測圖儀、立體坐標(biāo)儀、航攝立體像、解析測圖儀、衛(wèi)星圖像立體像等。數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)成本較低、效率高，獲得的信息量豐富，適用于數(shù)字城市建設(shè)中的數(shù)據(jù)采集。數(shù)字?jǐn)z影測量法獲取數(shù)據(jù)以后需要對城市的建筑物、河流、林地等進(jìn)行人工輔助編輯，采集立體三維數(shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)z影測量法包括混合采樣、選擇采樣、漸近采樣、沿?cái)嗝鎾呙?、?guī)格格網(wǎng)采樣、沿等高線采樣，利用自動化測圖系統(tǒng)進(jìn)行完全自動化的DEM數(shù)據(jù)采集。

1.3 DEM數(shù)據(jù)的建立

數(shù)字城市建設(shè)收集到的矢量地形圖是AutoCAD格式。在地在形圖中通過使用GIS軟件提取出標(biāo)高點(diǎn)、等高線、河流、水庫等信息。根據(jù)提取的信息和應(yīng)用方向的不同，選擇不同的插值方法生成DEM。

1.3.1 由高程點(diǎn)直接插值成規(guī)則格網(wǎng)DEM

當(dāng)?shù)匦螆D中的等高線的高程屬性數(shù)據(jù)與高程標(biāo)注不一致或者地形圖中的等高線太破碎時(shí)，可將高程標(biāo)注轉(zhuǎn)為點(diǎn)圖層，從點(diǎn)圖層直接插值生DEM，ArcGIS的空間分析模塊和3D模塊都提供了由高程點(diǎn)插值成柵格圖的方法，包括樣條插值法（spline）、克里格插值法（kriging）以及反距離加權(quán)插值法（IDW）等，根據(jù)不同情況選擇合適的方插值法。例如：樣條插值法是采用一種數(shù)學(xué)函數(shù)對高程值進(jìn)行估計(jì)，使表面的曲率最小化，生成一個(gè)精確通過采樣點(diǎn)的平滑漸變的曲面，但有可能會超出采樣點(diǎn)的高程值范圍；克里格插值法則適合在距離和方向上有空間相關(guān)性的采樣點(diǎn)使用；反距離加權(quán)插值法在采樣點(diǎn)足夠密集，能夠表現(xiàn)區(qū)域地形變化情況時(shí)使用。

1.3.2 由高程點(diǎn)、等高線等插值成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），再轉(zhuǎn)為規(guī)則格網(wǎng)DEM

ArcGIS的3D模塊中提供了由點(diǎn)、線、面等共同插值成TIN的方法。將等高線和高程點(diǎn)作為mass points，水系作為硬斷線（hard line），用create tin命令生成不規(guī)則三角網(wǎng)，再由tin to raster命令將TIN轉(zhuǎn)換為規(guī)則格網(wǎng)DEM。這樣產(chǎn)生的DEM的插值數(shù)據(jù)不會超出采樣點(diǎn)的高程值范圍，是目前生成DEM比較常用的方法。

1.3.3 使用topogrid命令，由高程點(diǎn)、等高線、湖泊、河流等插值成規(guī)則格網(wǎng)DEM

數(shù)字城市建設(shè)中的DEM用于水文分析時(shí)，需要用ArcGIS的topogrid命令生成的DEM數(shù)據(jù)，這樣可以較好的突出區(qū)域的流域特征。將高程點(diǎn)、河流溝渠、等高線、湖泊水庫等作為初始條件輸入，系統(tǒng)將使用有限次重復(fù)內(nèi)插技術(shù)，生成輸入圖層邊界范圍內(nèi)以Lake作為最低高程的DEM。

DEM主要描述地面高程信息，DEM數(shù)據(jù)包含大量的自然地理要素，能夠直觀的展現(xiàn)一個(gè)地方的地貌、地質(zhì)特征，也可通過DEM提取大量的地表形態(tài)信息。根據(jù)城市的現(xiàn)狀和需要選擇合適的DEM數(shù)據(jù)采集和建設(shè)方式，才能使DEM數(shù)據(jù)發(fā)揮最大的作用，才能對數(shù)字城市建設(shè)起到輔助推動

作用。

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