南京市DEM构建及其在城市规划中的应用

1、南京市DEM构建及其在城市规划中的应用诸敏秋1 , 2 收稿日期：2008 03 18作者简介：诸敏秋（1969 ），女，高级工程师，主要从事城市基础地理信息系统的研究,窦炜2,赵伟2（11南京师范大学，江苏 南京 210046; 21南京市城市规划编制研究中心 ，江苏 南京 210029 ）摘 要：随着各城市基础地理信息的普及和迅猛发展，各行业对三维应用的需求不断提高。目前，D EM （数字高程模型）数据的构建及在各个领域中的应用正受到广泛的重视 实例，介绍了 D EM在南京市城市规划中的应用 。关键词：D EM ；城市规划；数据生产1 弓I 言， 二 N近年来，随着各个城市基础地理信息的普

2、及和迅 猛发展，D EM的用途越来越广。从宏观应用来说，主 要包括建立三维数字地球、三维数字中国、三维数字城市等。从微观应用来说，主要包括正射影像制作、线路 选线设计、通视分析、规划中的建筑物日照分析 、三维 辅助审批、三维影像浏览等多个方面。虽然国家对 D EM产品的具体技术标准还有待于进一步完善，但这并不妨碍D EM作为一个独立的测绘产品走向市场。 城市高精度的D EM数据库正逐渐代替传统地形图中 等高线对地形的描述，而它在各个领域中发挥的重要 作用，也使得我们更加重视 D EM的快速获取及应用方 面的研究1,2 。南京市作为江苏省的省会，近年来城市面貌日新月异，各行业和部门，尤其是城市规

3、划部门对D EM的需求越来越多。本文从数据表达方式、获取来源及方 法等各方面介绍南京市D EM的构建，并结合实例，详细介绍D EM在南京城市规划中的应用 。2 DEM的主要表现模型D EM主要有规则格网模型（GR D ） "、不规则三 角网（T N）模型”两种，严格意义上说，等高线模型也 是其中一种。目前国家对“规则格网D EM ”规范了国 标存储格式，如CN S） TF - D EM，此格式为我国标准地 球空间数据交换格式，纯文本方式存储，大大方便了数 据交换、解读。规则格网模型方便计算机自动处理 ，使得它成为 D EM最广泛使用的模式 ，应用也非常方便 ，但它的缺 点是：超大面积

4、的D EM数据量过大，不能准确地表示本文主要以南京市为例介绍了D EM的构建方法，并结合地形的结构和细部，在地貌较复杂区域，它的表达往往 会失真。不规则三角网模型能够避免地形平坦时的数 据冗余，又能按地形特征点表示数字高程特征，但构建和处理等工作较为复杂，一般很少采取这种方式存储 D EM数据。以上两种D EM的主要模型，在南京市 D EM数据 应用中都采用过，但T IN模型采用较少。目前南京市 大多数的DEM数据都是以正方形规则格网的形式存 储白，并拥有 CN SD TF - D EM、B IL、GR D、M G等多种 格式。3 DBM的生产来源与方法随着D EM应用的广泛深入，使它从原来的

5、测绘附 产品，逐步成为独立产品。在2007年南京市1 ：2 000 航测数字化测图项目中，D EM已作为独立的生产成果提交。D EM主要来源有两个：影像（卫星遥感影像、航空 影像）和地形图。根据不同的技术条件和不同的精度 要求 淇生产方法也多种多样。目前，全国各地方在 D EM数据生产方面已经开展了许多工作，并取得了一定的成效，但还没有具体的技术规范可以借鉴。目前南京市有以下4种D EM生产方式：（1）运用全数字自动摄影测量方法生成D EM，它自动化程度高、处理速度快、功能强大、成图精 度高。 这种生产方法较为广泛，技术路线也较成熟，成本也较 低。在20072008年度南京市 1 : 2 00

6、0航测数字化 测图项目中，也推荐使用此种方法。（2）在没有航空影像数据的情况下，或者从节省资金的方面考虑，也通过数字地形图来生产D EM。南它的质量要求一直是相当严格的，数据成果验收严格执行南京市1 ：5001 ：2 000矢量地形图数据标 准和相关技术设计的要求，它现势性较强，能够较为真实地反映地形特征。在时间要求较紧的情况下，可以对数字地形图的高程点、等高线、特征点(线、面)的提取，再 通过具体的软件平台(如 GeoTIN、A rcG IS (A rc scene模块)等)生成D EM。在生产过程中，应注 意对特征点的提取：如地势变换处、山头、水涯线、凹地、道路两侧等，以保证D EM反映地

7、形的真实性。这种方法较为简单，在精度要求不是很高的情况下，也非常便捷快速。(3)采用全野外数据采集的方法生产D EM。这种方法虽然可以提高精度，但成本高，工作量大，周期长， 一般很少采用，但在D BM精度要求很高的情况下：如215 m X215 m的格网精度，建议采用这种方法 。使用这 种方法生成的D EM数据，可以运用于建筑物日照分析。(4 )采用目前较为先进的激光雷达(L IDAR )进行D EM原始数据的采集工作，并采用相关软件进行加工 处理。用此种方法生产的D EM精度较高，但价格昂贵，难以推广。4 D EM在南京市城市规划中的应用近几年来，南京市城市建设突飞猛进。对城市规划部门而言，

8、也提出了更新更高的要求。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D EM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。南京市5 m X5 m格网D EM数据是基于南京市92地方平面坐标系、吴淞高程系生产的，它是南京市基础地理数据的重要组成之一，也是“数字南京”的重要组成部分，下面，将就D EM在南京市城市规划建设 中的应用，举例说明。411 D EM在南京市 1 ：10 000 IKONO S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

9、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1 m分辨率 IKONO S卫星影像(单片)资料，并制作1 ：10 000 IKONO S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D EM在正射影像加工的过程 中起到了重要作用。目前，南京市 1 ：10 000 IKONOS正射影像已经 建

10、成数据库，成果覆盖全市域，并且两年进行一次更 新。该成果为南京市近期建设规划、全市土地利用现状调查、规划审批参考等提供了依据和保障。同时，运用该成果制作完成了南京市IKONO S卫星影像图 册，对社会共享，创造了良好的社会效益。412 D EM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D EM、DL G、DOM数据，在一定的软件 环境下简单、快速地构建小范围内白城市三维景观，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

11、好的效果。图1南京市鼓楼区某地块24 m建筑高度三维审批效果图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：A utoCAD、A rcG IS GeoStar。主要步骤 如下：(1)数据准备：该区域的5 m X5 m的D EM数据、 IKONO S正射影像、高质量的DL G地形图数据。(2 )将该区域IKONO S正射影像数据作为贴面叠 加于D EM三维模型之上。(3)通过该区域的 DL G矢量数据，在D EM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迅速反馈建设单位

12、。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

13、立4种建筑的三维模拟图，并定点、定高、定角度形成效果图例图1)，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 地修改。而D EM则是作为南京城市三维辅助审批过程 中构建城市三维的重要数据源，发挥了它应有的作用。 413 D EM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

14、项工作，首先要 做好高层建筑物的分布与统计工作，而D EM与G IS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 侑的框架结构可能会达到4155 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(按口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：(

15、1)编写A rcG IS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 。第一种方法计算运行工作量大，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 D EM ,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D EM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

16、建筑物通过建筑物顶部高程与D EM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。图2程序运行界面图3程序运行结果极大的方便，也大大提高了工作效率，同时计算成果也方便生成建筑物高度投影图，图4为沿中华门看老城 府决策提供了依据，同时D EM在城市规划管理中的应 用又多了一个亮点。图4沿中华门看南京老城建筑物高度投影图414城市三维浏览利用D EM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 IKONO S卫星影 像数据、DEM以及整个南京 市域内建筑物的DL G数 据，把三类数据进行叠加揉和形成系统自身的

17、数据模型，如图5所示，D EM在最底层，从下至上依次是影像和三维模型数据：图5三维影像浏览数据模型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D EM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。415 D EM在南京市历史文化资源 ”项目中的应用'南京历史文化资源普查与历史演变研究”是南京市规划局近年来一个重要课题，该项目是基于对城市空间结构的研究，而大量的各个时期地形图的整理 则是其中一项重要工作，其中一幅反映南京市域的地

18、貌图贯穿整个研究过程。南京地貌在历史不同时期变化不大，所以南京地貌图是所有各个时期城市空间格 局图的底图，它应该是形象的、逼真的，容易让人解读。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 D EM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（见图6 ）。制作方法如下：（1）通过D EM提取等高线。（2）通过D EM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。

19、（5）叠加分级符号化的 D EM。通过上述方法生成 的具有水粉画效果的南京市域地貌图美观、形象。该项目的专家咨询会上给专家们 留下了很好的印象 。同时，有一幅生动的南京地貌图 贯穿其中，更便于人们比较南京的各个时期的城市空 间布局前后变化及发展，虽然这项工作并不是整个项 目的重点，却是非常有意义的。图6 D BM叠加明暗等高线南京地貌图5结语从D EM在南京规划行业的应用，我们看到了 D EM应用的广阔前景。但也应看至IJ ,在高精度D EM 应用方面，涉及方面还很少，D EM产品质量和精度还有待于进一步提高 。目前，虽然D EM已经作为一个独 立产品正式生产，但它还缺少相应的可指导性的数据

20、质量规范，各单位生产时，凭的是经验和被认为是可以 参考的一些质量参数 ，D EM的质量无法获得保证。要使D EM的应用产生更好的社会效益和经济效益，有关D EM的数据质量规范、数据验收规范还有待于制定。同时，它的更新机制还有待于我们去研究，只有这样，D EM才能真正发挥它的作用与价值。参考资料1 吕春英，佟庆远，李王锋等.数字高程模型（D EM ）的构建（T转第85页）性和定量的评价指标。重点要侧重于单因素的评价体 系和综合评价体系兼顾并重。(4)遥感影像与G IS基于特征级的融合方法研究 对遥感图像与 G IS数据库的大量背景数据进行叠 加、分析，可大大提高模式识别能力和可信度。G IS是遥

21、感探测成果的评价和空间分析的有力工 具，而遥感则为 g sa据库更新提供了现时信息源，两 者结合是当前一个重要的研究方向。(5)遥感数据与专家系统的决策级结合研究通过模拟专家的目视判读经验，通过认真科学地归纳、总结建立知识库，然后引用这些知识库对遥感数析，使计算机的解译水平达到专家水平。参考文献1 孙家.遥感原理与应用.武汉：武汉大学出版社，20032 党安荣，王晓栋，陈晓峰等.ERDA S MA G NE遥感图像 处理方法.北京：清华大学出版社，20033 倪金生，李琦，曹学军.遥感与地理信息系统基本理论和 实践.北京：电子工业出版社，20044 李德仁，周月琴，金为铳著.摄影测量与遥感概论

22、.北京: 测绘出版社，20015 贾永红.数字图彳t处理.武汉：武汉大学出版社，2003D iscussig the Fusion Technology on TM M ultispectra l Imageand Panchroma tic Portra it of SPO TWang Yong(Surveying and m app ing schoo l of zhengzhou, ZhengZhou 450015 , china)A b stra c t:TM and SPO T m age is mo re rep resen tctive of the terre strial s

23、a te llite m age s, th is p apreERDA S MA G N E softwa re a s remo te sen sing im age da ta in tegra ton softwa re, ba sed on p rincp a l componen t tran sf im , the p roduc t tran so r2 m a ton, the tran so im a ton ra to of th ree m age fu son p roce ss, the 10 - m e te r reoslu ton SPO T im age s

24、, andthe san e cove 2 age one of TM 3 - band im aging in tegra tion, and in tegra ton th ough th ree re su Its comp a redo remo te sen sing m age fu son technology to exp o re.Key word s: TM ; SPO T; mage; Fusion(上接第79页)及其在城市规划中的应用.提高全民科学素质、建设创新型国家 2006中国科协年会论文集(T册)，20062 朱恒峰，尹怀宁.格网D EM在坡耕地调查中的应用以庄河市为例.国土资源科技管理，2007 ( 2)3 李志林，朱庆.数字高程模型.武汉：武汉大学出版社 20034 GB / T17941. 1 - 2000.数字测绘