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数字高程模型定义及应用 城乡规划专业 黄鑫楠 2012013312数字高程模型定义： 高程用来描述地表的起伏状态，传统的高程是等高线。其意义是在二维的地理空间上的连续曲面函数。当此高程用计算机来表达，称为数字高程模型。 三方面要素：计算机容量，模拟的数据，模型化表达。数字高程模型（DEM）是对地理空间上，具有连续变化特征地理现象通过有限的地形高程数据实现对地形曲线的数字化模拟，即模型化表达和过程模拟。狭义：区域地表海拔高程的数字化表达(强调地表）广义：是地理空间中的地理形象海拔高度的数字化表达（如海底DEM，大气等压面DEM）DEM在城市规划中的主要应用: 如何利用新技术、新方法为城市规划建设服务，正成为城市规划部门面临的新课题。而DEM作为近年来的一项新技术，正为城市规划建设的多个方面提供它特有的服务。以下以南京市为例：(1) DEM在南京市l：10 000 IKONOS正射影像制作中的应用随着近几年来城市建设范围的不断扩张，原有的基础地理信息资源已远不能满足南京城市发展的迫切需要，特别在无图区、少图区、基础地理信息动态更新较慢地区的需求尤为迫切。为满足这方面的需求从2004年开始，南京市规划局每两年订购l m分辨率IKONOS卫星影像(单片)资料，并制作l：10 000IKONOS正射影像数据库以满足社会各方面的需要。在此制作过程中，DEM是正射影像的制作过程中必须使用的重要数据，它的作用是通过对影像的重新采样、微分纠正的方法来消除数字影像图由于地形起伏而带来的垂直投影差，从而使之成为正射影像。这种单片微分纠正的方法具有节约成本、简单可靠的优点。南京市市域范围属于丘陵地貌，主城周边地区影像图的地形起伏相对较大，所以DEM在正射影像加工的过程中起到了重要作用。(2) DEM在城市三维辅助审批中的应用 目前，规划部门的审批主要依赖于平面图，审批结果也是基于二维平面的。但随着三维虚拟软件技术的不断发展，运用DEM、DLG、DOM数据，在一定的软件环境下简单、快速地构建小范围内的城市三维景观，目前来说已不是一件难事，正因为如此，城市三维辅助审批正成为南京市规划管理中的新手段，正在逐步推广，并在部分案例中做了尝试，取得了比较好的效果。建立城市三维审批模型，南京市规划局目前使用的软件平台有：AutoCAD、ArcGIS、GeoStar。主要步骤如下：(1)数据准备：该区域的5 m5 m的DEM数据、IKONOS正射影像、高质量的DLG地形图数据。(2)将该区域IKONOS正射影像数据作为贴面叠加于DEM三维模型之上。(3)通过该区域的DLG矢量数据，在DEM三维模型上叠加现状建筑。(4)再根据规划方案叠加规划建筑模型。通过以上方法，规划管理者在审批过程中可以从任意角度审视审批结果的空间尺度，甚至可以自己动手进行规划中建筑的“修改”，达到与周边环境的和谐境界， 为规划审批提供重要的参考依据，并可以做到审批结果迅速反馈建设单位。目前我们的主要应用集中在两方面：大型项目的选址、用地阶段的审批；多种建筑设计方案的对比审批。在建筑设计方案审批中，三维效果图可以在同一空间中直接感受老建筑、规划建筑的整体效果，直接体验方案建成后空间多视角的视觉感受，便于领导审核，方案公示时将更贴近群众，提升政府形象。例如在南京鼓楼区某地块建筑方案审批中，建设单位共报批建筑高度分别为“15 m”、“18 m”、“24 m”、“30 m”的4种建设方案，在原先的规划设计要点中要求“规划建筑的檐口高度不得超过南侧现状7层住宅楼的檐口高度”，此建筑所在位置地形高低起伏，单纯依靠二维平面图，经办人员很难用数据来说明，通过建立4种建筑的三维模拟图，并定点、定高、定角度形成效果图，以此作为审批的重要依据，并最终确立了建筑高度为“24 m”的审批方案。另外，运用这种方法构建城市三维虽然不如其他方法精细，但这种方法低成本、数据量小、简单快捷，特别是对规划管理者而言，简单易学，发现不足时可以便捷(3) DEM在南京市高层建筑统计中的应用 随着市政府对南京老城的保护力度的加大，如何体现南京市六朝古都的风韵、保护老城的原有格局和建筑风貌、实现城市高层建筑的合理布局，是最近几年规划部门的重点工作之一。要做好这项工作，首先要做好高层建筑物的分布与统计工作，而DEM与GIS数据相结合的应用方式，极大地提高了这项基础工作的工作效率。目前，南京市基础地理信息库中的建筑物要求描述其名称、门牌号码、层数、结构、用途等，对6层及以上、或18 m高度以上的建筑还要求描述建筑物顶部高程。由于建筑物只要求描述“高程”，考虑到现在建筑物35 m及以上归为高程建筑，而且每栋建筑的层高不同(有的框架结构可能会达到455 m一层)，我们只能通过房屋高程和查询它的地面高程来计算建筑物高度，没有房屋高程的建筑物则通过它的层数(按照3 m一层)来计算它的整个建筑物高度。可行的计算建筑物高度的方法主要有以下两种：(1) 编写ArcGIS二次开发程序，通过一定的搜索半径进行空间查询得到地面高程，再由建筑物顶部高程与地面高程相减得到建筑物高度。(2) 编写ArcGIS二次开发程序，采用DEM叠加分析的方法计算得到。 第一种方法计算运算运行工作量大，且容易导致粗差，所以我们运用了第二种计算方法，它运行速度快，特别是对于大面积的GIS数据运算效果更为明显，而对于5 m格网精度的DEM，其计算后的建筑物高度已能满足需求，且很少有粗差产生。图2为程序运行界面；图3为程序运行后得到的结果，3个字段的意义及计算方法分别为：(1)建筑物高程：由于6层以下建筑物没有建筑物顶部高程，其高程值通过DEM数据及其层数计算得到。(2)建筑物高度：对6层及以上、或18 m高度以上的建筑物通过建筑物顶部高程与DEM叠加分析的计算得到；其他建筑物通过楼层数与层高相乘得到。(3)建筑物面积：通过建筑物平面集合面积与层数相乘得到。城市三维浏览 利用DEM和卫星正射影像库可以实现大场景的三维影像快速浏览。该系统充分利用IKONOS卫星影像数据、DEM以及整个南京市域内建筑物的DLG数据，把三类数据进行叠加揉和形成系统自身的数据模型，DEM在最底层该系统能满足对某块区域二维视角或者三维视角的直观感知，由于DEM的叠加，我们能够真实感知南京的地貌起伏，通过沿预设路径、预设高度的三维浏览，可以体验观看到沿路径两边建筑物三维模型的真实感觉，对规划中建筑物的高度控制和道路退让等都有着非常重要的意义。通常，等高线是描述地貌最常用的方法，但由于传统地形图所表达的等高线只是地貌的二维表达，缺乏立体感，并非所有的读者都能读出它所描述的真实地表形态。所以，考虑到人们判读的视觉感受，我们合理利用了DEM制作明暗等高线的方法，制作了一幅能形象反映南京市域地貌特征的地貌图:(1)通过DEM提取等高线。(2)通过DEM提取坡向。(3)依据坡向，按照受光部分、背光部分(将其二值化)与等高线叠加并分类。(4)符号化生成等高线。(5)叠加分级符号化的DEM。城市数字高程模型的应用： 城市数字高程模型(Urban Digital Elevation Model，Urban DEM)，是描述城市地表特征的空间起伏变化的数字表示形式。数字高程模型(Digital Elevation Model DEM)在地理科学领域运用得已经相当广泛和成功，基于DEM的特征定量化分析，在山地、丘陵地区都有一套成熟的指标体系和方法，如坡度、剖面曲率、地形起伏度、地表粗糙度等等，所形成的数字地形分析方法，从不同层次和尺度上刻画了自然地表的特征和空间分异规律(汤国安等，2005)。山地、丘陵是连续起伏的表面，但是在城市区域，城市建筑实体所构成的是非连续表面，即具有突变性质，需要新的方法从多个方面去表达这样一个突变的表面，并对其进行分析，提炼城市三维形态在空间上的分布总体趋势或宏观特征。Urban DEM虽然不能够表示出城市建筑上的细节信息，但是能够展示出城市的总体面貌。建筑是城市构成中最重要的因素，也是占城市组成要素中数量最多的一个因素，对城市总体面貌的塑造起着至关重要的作用。此外，Weber(2001)指出建筑物的形状、大小、数量、排列等信息都与其社会经济功能相对应，且影响着城市的局地环境、气候。当前对Urban DEM的构建、显示技术等方面的研究，已经产生诸多的成果。此外，Urban DEM还运用在城市设计方面，图像处理方法、句法分析、CA等方法的引入，从定量的角度研究城市环境与城市形态的联系。在此研究过程中，Urban DEM在城市设计、城市规划方面的研究得到了强化。数字高程模型在在地理科学领域运用的已经相当广泛和成功，但是运用到城市区域的研究却刚刚展开。对于城市环境和建筑设计方面的运用较多，Paul(1997)，Lindberg(2007)利用Urban DEM分析城市地貌，计算对城市热量吸收和辐射有重要影响的因子地面视角因子，进而研究城市建筑的排布方式对城市气候的影响；Ratti(2004)基于Urban DEM提出了计算太阳辐射的算法，将其运用于城市设计中最佳设计方案的确定。Ratti et a1(1999)基于Urban DEM模拟城市污染物的物理扩散过程、风流动及噪声传播，控制城市的发展方向。Rattiet a1(2001)提出了计算建筑间的可达性，从而辅助车站选址。Ratti(2004)，Lindberg(2007)运用句法分析的方法，计算出城市地面可视因子，用于分析城市的构形特征(configurational characteristics)，此外还计算出其他的特征，如两点间可视的平均距离、可视的最远距离等(Batty，1999)。Ratti(2004)基于UrbanDEM，利用NIH图像处理软件对城市建筑形态进行统计分析，包括城市纹理方向性、城市粗糙度、城市可视分析等等。以上研究尚处于初始探阶段，并未得到广泛的应用。存在的问题纵观国内外有关城市形态的研究内容与动态，能够明显的发现，前人对城市形态的概念、城市形态的量化和城市形态的总体分布模式作了大量的研究，取得了丰富的成果。此外，随着“数字区域”、“数字城市”等概念和技术应用领域的兴起，越来越多的城市建立了相应的Urban DEM，对Urban DEM的研究已成为一个热点，内容涉及Urban DEM的概念、构建以及在城市设计等领域的应用。总结以上研究内容和动态，发现有以下不足：(1)对城市形态的研究来说，不够关注城市三维形态城市三维形态是城市形态的重要组成部分，城市形态的已有研究无论从理论研究、量化表达还是数值动态模拟，其内容都是对城市实体在二维平面上形态特征的表达与模拟。由于城市三维形态的性，以往的研究对市三维特征及其定量化分析关注很少，不利于全面了解城市形态的特征及发展规律。(2)对城市三维形态的表达，限于城市景观建模方面，较少涉及三维形态的特征分析随着数字城市建设的开展，大量的人力、财力投入到Urban DEM构建中，内容涵盖不同数据源下的特征提取、三维景观模型的建立、可视化表达等技术层面，而对Urban DEM深层次的信息挖掘和空间分析应用方面则显得不足。虽然有少部分的研究，但是局限于某个层次的研究，并没有系统性的城市三维形态的量化研究。在景观工程线中的应用：传统的道路选线方法是选线人员通过收集和分析线路区域内有关设计资料，在大比例尺地形图上选出几个可能的路线方案，然后在纸上定线的基础上，选线人员到实地勘测，经过反复比较确定一个较为经济、合理的路线方案。这在很大程度上取决于选线人员的实际经验和技术水平，而且费时费力，对工期相对较紧、要求不是太高的工程来说已不适用。针对本项目的实际情况，引入DEM技术，利用CASS、GIS软件，对景观工程道路选线过程中所出现的若干问题进行分析研究，从而提出一种新的道路选线方法。具体做法是：通过高精度DEM，沿道路建立地形模型，同时建立道路表面设计模型DEM。将道路设计模型叠加在地形模型上，从而获取三维道路整体模型。DEM技术道路选线流程图选线与传统选线比较的优势1) 在工程耗时方面。传统的道路选线方法步骤是：首先在中小比例尺地形图上进行路线总体布局，解决起、终点问路线基本走向问题；其次在大比例尺地形图上进行路线带选择；最后根据技术标准和路线方案，结合有关条件在有利的定线带内进行平、纵、横综合设计，具体定出道路中线。这种传统道路设计选线方法需要大量费时费力的野外勘测工作，而运用DEM技术，在平面图形已定的情况下，有所建立的带状DEM内插出现状纵横断面，自动绘制路线平面地形图，快捷方便，省时省力。 道路工程土方量估算的常规方法是：实测沿线路条形地带的纵、横断面，按照设计坡度和横断面的尺寸，计算相邻两横断面的挖、填方量，分别累加各段的挖方和填方，若挖、填方总量不平衡，一般需要调整各段的纵横断面设计坡度后再重新计算，直到全线挖、填方平衡为止。应用DEM技术，通过计算机进行土方量的自动调配和量算，可大量节省内外业工作量，提高作业效率。2) 从质量评价方面。在道路选线设计中传统方法所设计的线路不可避免的有以下几个方面的缺陷：方案受人的主观影响大；所形成的方案不一定是经济、技术上的最优方案；工作强度大，设计工作繁琐。为线路工程而建立的DEM是为了便于求得纵、横断面上的地形信息，自动(半自动)地求得最佳线路的设计，对道路工程采用带状DEM，分段DEM，为保证质量，段与段之间建立的DEM应有一定的重叠性，以保证待内插高程点均不处于DEM的边缘，从而内插精度得以提高，减少了人为主观因素干扰，质量大大提高，也降低了工作强度。3) 从环境分析方面。传统的设计方法由于是室内设计，然后到室外勘测，考虑周围环境较少，往往在景观效果方面与周围环境不相协调，周边自然环境也得不到有效保护。在应用DEM进行道路设计时这些问题可以得到较好处理，比如把植被、耕地等建立DEM与设计路线叠加。从而使周边环境得到最大化保护，也使自然环境得以协调发展。4) 从表现方式方面。传统的道路选线设计表现方式很单一，就是二维的平面图。而应用DEM选线的表现方式多样化，既可以是二维的，也可以是三维的，还可以做漫游飞行动画演示，直观可视，立体效果好。利用CASS中DEM可以完成土石方计算和调配，路线纵、横断面图绘制等任务，GIS中DEM可以进行景观工程中道路选线设计，使得线路设计方案生成、方案比选与优化功能很好的实现，还可以对景区进行路线模型飞行、漫游等。经过对白水河风景区改造工程的实践证明，DEM技术在加快工程进度、工程概预算、辅助旅游景观管理等方面提供技术保证，大大提高了工作效率，但DEM技术还不能完全满足道路选线自动化，需要进一步完善。另外DEM在土方计算和地貌分型等多个领域均有应用：土方计算： 土地整治项目土方量计算是在ARC/INFO软件的3D分析模块（3D Analyst）和空间分析模块（Spatial Analysis）进行的，数字高程模型DEM（Digital Elevation Models）是空间分析的核心内容。目前，土地整治规划设计要求的基础图件为1:2000 1:5000的地形图。一般项目区都提供最新测量的数字化的地形图，为土方量的计算提供了最新的基础数据。在ARC/INFO中计算土方量的主要步骤如下：(一)生成整理前的高程模型根据矢量化好的高程数据，在ARC/INFO 软件中，利用3D Analyst 模块，通过Create tin命令生成整理前的高程模型。再将其中的高程要素转化为栅格（GRID(2) 利用Spatial Analyst 下的Zonal Statistics 命令得到田块的计算高程，这里在先不考虑田块地形地势的情况下，仅以田块的平均高程作为计算高程。（3） 调整设计高程，得出最优设计高程计算设计标高时，应考虑水流方向的影响，设h 为受水流方向引起设计高程的调整值，则调整后的设计高程 将设计高程的Value 值用Jion 命令连接到规划田块图层，对照地形调整设计高程，最终确定设计高程。（4） 在Spatial Analystk 中， 将规划田块的最终设计高程值，通过Features to Raster