基于城市框架數(shù)據(jù)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(huán)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(yè)對城市高精度DEM的應用需求也有了更高的要求。在城市規(guī)劃行業(yè)，DEM數(shù)據(jù)是城市規(guī)劃的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用DEM數(shù)據(jù)可以進行土地監(jiān)測[1]、水源保護區(qū)規(guī)劃、水系規(guī)劃、景觀規(guī)劃以及規(guī)劃方案[2]的三維效果顯示等；在市政管理部門，利用DEM數(shù)據(jù)可以提取等高線和坡度分布信息，進行道路設(shè)計和施工、道路橫縱斷面分析、地下管線設(shè)計管理等；在水利部門，利用DEM數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)，因此，必須有高精度、高分辨率DEM表現(xiàn)城市級別DEM。（2）國內(nèi)各大中型城市都具有豐富的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)，例如上海市擁有1∶500、1∶1000和1∶2000多種大比例尺地形數(shù)據(jù)，更新周期分別為0.5 a、1 a、1 a。大比例尺基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)具有豐富的特征點線數(shù)據(jù)，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?zhèn)鹘y(tǒng)的航空攝影測量方法，提高DEM的生產(chǎn)和更新效率。（3）DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括規(guī)則格網(wǎng)（GRID）和不規(guī)則三角格網(wǎng)（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(qū)域的數(shù)據(jù)冗余問題。因此，對TIN組織管理DEM數(shù)據(jù)方法進行了深入研究。（4）城市發(fā)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(qū)域會有變化和調(diào)整，DEM數(shù)據(jù)的維護更新也須適應這一特點。在原有城市TIN數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)局部TIN的更新。不同于傳統(tǒng)DEM建模方法，對基于城市框架數(shù)據(jù)的大比例尺城市DEM建模方法進行了研究，基于不規(guī)則三角格網(wǎng)（TIN）的城市DEM數(shù)據(jù)管理方法，建立城市DEM數(shù)據(jù)庫，并解決基于TIN的DEM局部增量動態(tài)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(nèi)外常用的DEM制作方法有：（1）全野外測量數(shù)據(jù)構(gòu)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(xiàn)有的地形圖數(shù)字化，生成數(shù)字網(wǎng)絡模型，該方法雖然節(jié)約成本，但對于城市中的細節(jié)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(tǒng)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(shù)據(jù)；（4）激光雷達法，這種方法采集到的數(shù)據(jù)為DSM點云數(shù)據(jù)[3]，利用DSM數(shù)據(jù)制作DEM數(shù)據(jù)也是近來研究的熱點，但是此方法成本高，技術(shù)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(yōu)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(shù)據(jù)，在有高分辨率影像前提下，可以準確表達城市地貌細節(jié)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(shù)的發(fā)展，利用該技術(shù)進行DEM建模也在一些地區(qū)得以開展研究，但由于其成本高，一些關(guān)鍵技術(shù)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(shù)據(jù)資源，大比例尺城市框架數(shù)據(jù)，結(jié)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(shù)據(jù)包括高程散點、道路面、道路附屬設(shè)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(shù)據(jù)，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?；诖蟊壤叱鞘锌蚣軘?shù)據(jù)的DEM建模方法包括以下幾步：數(shù)據(jù)準備、數(shù)據(jù)篩查、特征線采集、三維特征線插值和TIN網(wǎng)構(gòu)建。

1.2.1 數(shù)據(jù)準備

該方法所需數(shù)據(jù)源包括1∶500、1∶1000、1∶2000大比例尺基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)及航空數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)。由于上海市1∶500、1∶1000和1∶2000數(shù)據(jù)覆蓋不同區(qū)域范圍，因此，在數(shù)據(jù)準備階段需要將三種比例尺數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。此外，為了保證數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性，需要利用最新航空正射影像數(shù)據(jù)對城市框架數(shù)據(jù)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(xiàn)勢性更新；（2）對與影像上不符的通航河道，進行現(xiàn)勢性更新；（3）對城市重點區(qū)域，進行現(xiàn)勢性更新。

1.2.2 數(shù)據(jù)篩查

數(shù)據(jù)篩查是對城市框架數(shù)據(jù)中不合理部分、缺失部分、邏輯關(guān)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(shù)據(jù)完整性排查：將所有道路面、水域面、街坊面及池塘面按作業(yè)區(qū)塊合并分割，排查出作業(yè)范圍內(nèi)存在的空白區(qū)域，并根據(jù)正射影像賦予空白區(qū)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(nèi)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(shù)據(jù)中不包含的，對表現(xiàn)城市形態(tài)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(huán)境下采集，利用城市框架數(shù)據(jù)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(gòu)成新街坊面，并保留該街坊面內(nèi)所有地形地貌高程點。對沿海地區(qū)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(shù)據(jù)中的高程散點數(shù)據(jù)對城市框架數(shù)據(jù)特征線插值賦予高程信息，從而得到三維特征線數(shù)據(jù)。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(jù)屬性字段可以直接生成三維等高線。

1.2.5 TIN網(wǎng)構(gòu)建

圖1 TIN網(wǎng)

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(jù)一定規(guī)則連接成覆蓋整個區(qū)域且互不重疊的但相鄰接的一系列三角網(wǎng)，以構(gòu)成一個不規(guī)則三角網(wǎng)TIN。采用三角網(wǎng)增長算法構(gòu)建TIN網(wǎng)，最終得到以TIN為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的DEM數(shù)據(jù)。如圖1所示，為某區(qū)域的TIN三角網(wǎng)數(shù)據(jù)。

2 大比例尺城市DEM空間數(shù)據(jù)庫

對于一個城市DEM數(shù)據(jù)而言，DEM是連續(xù)的、無縫的。大比例尺城市DEM空間數(shù)據(jù)庫建庫目的就是將所有相關(guān)的特征點線數(shù)據(jù)和不規(guī)則格網(wǎng)TIN數(shù)據(jù)按照一定方法有效組織起來，并根據(jù)其地理分布特點，建立統(tǒng)一空間索引，進而可以快速調(diào)度空間數(shù)據(jù)庫中的任意范圍數(shù)據(jù)，達到對全市DEM數(shù)據(jù)的快速無縫瀏覽和查詢。

2.1 大比例尺城市DEM數(shù)據(jù)組織與管理

對于TIN模型的存儲結(jié)構(gòu)，國內(nèi)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(wǎng)點坐標和高程表及地形點鄰接指針鏈存儲，網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(wǎng)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(wǎng)點及三角形鄰接關(guān)系結(jié)構(gòu)。國內(nèi)也有學者提出了相應的存儲結(jié)構(gòu)，陳曉勇提出了將TIN轉(zhuǎn)化為規(guī)則三角網(wǎng)來存儲。劉學軍提出了用點、邊、三角形結(jié)構(gòu)存儲，相對于前幾種存儲方法而言，采用這種結(jié)構(gòu)占用的存儲量更大，但隨著計算機硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，計算速度相對而言更為重要，由于這種結(jié)構(gòu)拓撲關(guān)系明顯，便于管理，因而被廣泛的應用在數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)組織中。因此，文中也采用這種數(shù)據(jù)組織方法。

圖2 TIN數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

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(fā)生聯(lián)系，即由某一三角形（面），可以檢索出構(gòu)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(jié)構(gòu)，不僅便于TIN數(shù)據(jù)存儲，建立拓撲管理，而且方便實現(xiàn)TIN數(shù)據(jù)編輯修改。

2.2 城市DEM空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)的DEM等空間數(shù)據(jù)的管理一般是使用文件系統(tǒng)的方式進行的，在這種方式下，文件按照生產(chǎn)時的圖幅進行管理，每個圖幅對應一個文件。和關(guān)系數(shù)據(jù)庫相比，文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)安全控制、數(shù)據(jù)共享、并發(fā)操作等方面具有難以克服的缺陷，由于網(wǎng)絡的發(fā)展，這些問題顯得尤為突出。DEM空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的建設(shè)，可以控制整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的運行，控制用戶的并發(fā)性訪問，執(zhí)行對數(shù)據(jù)庫的安全、保密、完整性檢驗，實施對數(shù)據(jù)的檢索、插入、刪除、修改等操作。（1）數(shù)據(jù)顯示與瀏覽：通過導航窗口能瀏覽數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)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(qū)域邊界（如行政區(qū)域）、名稱（如地名）、平面坐標等在任意范圍內(nèi)進行DEM數(shù)據(jù)的查詢；（3）數(shù)據(jù)入庫和更新：可將數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)入庫工具檢查無問題后，對無數(shù)據(jù)的區(qū)域數(shù)據(jù)直接入庫，對已有數(shù)據(jù)區(qū)域，更新現(xiàn)有數(shù)據(jù)，并與周邊數(shù)據(jù)進行融合；（4）數(shù)據(jù)分發(fā)與提取：可以按照圖幅編號、行政區(qū)域名、經(jīng)緯度范圍、大地坐標范圍進行分幅，矩形分塊提取數(shù)據(jù)，也可以通過多幅圖編號進行數(shù)據(jù)分發(fā)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同歷史版本的DEM數(shù)據(jù)管理；（6）日志管理：數(shù)據(jù)庫變更信息、人員登錄情況等相關(guān)活動記錄到日志中進行管理；（7）用戶管理：數(shù)據(jù)庫用戶管理。

2.3 城市DEM空間數(shù)據(jù)庫維護和更新方法

隨著城市不斷建設(shè)發(fā)展，城市的DEM也在緩慢發(fā)生變化，這就需要定期對城市DEM數(shù)據(jù)進行更新。在DEM數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和更新的作業(yè)過程中，由于DEM數(shù)據(jù)的復雜性，該課題將研究相關(guān)的DEM數(shù)據(jù)檢查和維護更新工具，輔助作業(yè)人員進行作業(yè)，從而提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的正確性。具體的功能包括：

（1）局部數(shù)據(jù)的分幅、提取和導出等操作；

（2）數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系等的檢查；

（3）DEM數(shù)據(jù)的完整性、正確性、一致性等檢查；

（4）局部數(shù)據(jù)更新和周邊數(shù)據(jù)進行接邊融合；

（5）數(shù)據(jù)生產(chǎn)作業(yè)信息記錄。

3 大比例尺城市DEM空間數(shù)據(jù)庫應用實例

利用大比例尺城市DEM數(shù)據(jù)進行智能化災害預警發(fā)布，下雨時，通過對雨量的預估，利用DEM數(shù)據(jù)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(jié)果實時發(fā)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(qū)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(jié)語

大比例尺城市DEM數(shù)據(jù)是“智慧城市”建設(shè)的基礎(chǔ)，是建設(shè)三維城市模型，進行城市建設(shè)、規(guī)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(shù)據(jù)庫的建設(shè)，能為相關(guān)領(lǐng)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(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生良好社會效益和經(jīng)濟效益。

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