基于城市规划的数字地形模型及应用

王辉，周建康，李建

(郑州市规划勘测设计研究院，河南郑州 450052)

基于城市规划的数字地形模型及应用

王辉∗，周建康，李建

(郑州市规划勘测设计研究院，河南郑州 450052)

分析了数字高程模型数据获取的方法，探讨并解决了AutoCAD环境下基于数字地形图的数字高程模型数据获取自动化实现的问题；并详细分析了数字地形模型在城市规划领域的具体应用和前景。

数字地形模型；数字高程模型；城市规划；AutoCAD；数字地形图

1 引 言

近几年来，城市建设突飞猛进。对城市规划部门而言，也提出了更新更高的要求。随着信息技术尤其是GIS技术的发展，各种新方法和新理念不断融入城市规划领域，如何利用新技术、新方法为城市规划建设服务，成为城市规划部门面临的新课题。而数字地形模型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。

地形是指地球表面形态，是岩石圈在地球内外引力的综合作用下，形成的各种各样的地表形态。城市的结构和空间形态通常是由地形决定的，地形条件在某种程度上影响着城市的进一步扩展。地形分析在城市规划的不同时期不同深度中都有非常广泛的应用，从宏观尺度的城市选址、城市布局、功能区组织到微观尺度的道路管网、景观组织无一不受地形的影响。

2 数字地形模型与数字高程模型

数字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。在地理信息系统中，DEM是建立DTM的基础数据，其他的地形要素均可由DEM直接或间接导出，如坡度和坡向。从数学的角度，高程模型是高程Z关于平面坐标X，Y两个自变量的连续函数，数字高程模型只是它的一个有限的离散表示。高程模型最常见的表达是相对于海平面的海拔高度，是某个参考平面的相对高度，所以从这一角度来讲，高程模型又叫地形模型。在实际生产和应用中数字地形模型和数字高程模型经常不作区分地使用。

3 数字高程模型的建立

3.1 数字高程模型的数据获取方法

目前，用于建立数字高程模型的成熟软件很多，而DEM数据的获取是影响DEM生成和应用的重要因素。DEM数据获取的方法包括野外测量，从已有的数字地形图、航空影像或遥感图像上采集、激光扫描及干涉雷达等。方法的选用取决于源数据获得的可行性、DEM的分辨率、精度要求、数据量大小、技术条件、建设成本和建设周期等。

由于城市规划行业对数字高程模型的建立要求效率高、周期短、精度高、范围大及具有一定周期的更新能力，同时结合我国很多相关行业存在大面积现势性强的数字地形图的现状，利用数字地形图中的高程信息建立数字高程模型是当前的首选方法，其能以较低的成本、快速、大范围地获取具有较高精度的DEM数据。

3.2 基于AutoCAD数字地形图的DEM的建立

AutoCAD在我国城市规划、测绘等诸多领域广泛应用，很多城市的数字地形图都是基于AutoCAD格式存在和应用。因此，数字高程模型的建立及应用关键要解决的是基于AutoCAD数字地形图的高程数据的获取。

数字地形图中高程信息一般都包含在高程点及等高线中，等高线数据多数由于遵循传统地图制图标准，数据破碎且不完整，失去了其本身的一些特征，目前还没有一个真正意义上的基于矢量数据自动化实现等高线与高程注记匹配的成熟算法。而将等高线还原并逐一对其赋予高程属性的处理极其费时费力，因此这里利用程序采用交互式的方法实现等高线与高程注记的匹配，并自动化实现等高线的离散化处理。主要过程为:遍历等高线，程序提示输入等高线的高程，然后根据地形图数据精度或所要制作的DEM精度需要确定一定的步长，将此等高线按步长均分，输出均分点处的平面坐标及高程信息，循环完成所有等高线的高程赋值和离散化处理。

在传统AutoCAD数字地形图中高程点的高程信息一般都是以地图注记的形式表示，并没有以属性形式存储在高程点上，而且高程注记与高程点没有任何联系，只是从视觉表达上离其最近。AutoCAD注记的定位点一般都是统一位于注记的左下角，但注记可能出现在高程点的任意位置，且在AutoCAD中注记以单点形式存在，这就导致很难自动实现高程点与高程注记的自动匹配，一般都采用手工或半手工来实现高程属性信息的采集，这极大影响了生产效率及DEM在城市规划上的应用。我们通过分析AutoCAD数据结构的特点与功能，结合高程注记与高程的特征，利用VBA语言的二次开发功能，基于拓扑理论，在Auto-CAD环境中完全自动化地实现了高程点与高程注记的匹配。程序实现的流程图如图1所示。

图1 AutoCAD中基于拓扑关系的高程属性自动赋值程序流程图

该算法的几个关键点如下:

(1)为了准确获得图面视觉效果上离高程点最近的高程注记，用注记的最小外接矩形来替代注记参与相关运算；

(2)在遍历高程点创建缓冲圆时，圆半径的选择必须合适，过大则搜索到的矩形过多，影响运算效率，过小则导致搜索到的矩形为0；因此应以图面上高程点与高程注记的距离(该距离根据比例尺的不同国家图式有相关规定)为基础，适当增大该距离作为缓冲半径，确保搜索的有效性与效率；

(3)当搜索到的矩形数量大于1(一般都为1)，需要判断得到离高程点最近的矩形，该矩形的高程值即为搜索高程点的高程值；由于AutoCAD中提供了多边形并集运算方法，因此这里计算缓冲圆与矩形并集后的面积，面积越小，则表示该矩形离高程点最近。

在郑州市数字高程模型的建立中，采用以上算法快速、高效、准确、完整地实现了高程信息的获取。在得到高程点的三维坐标数据后，直接导入到支持离散点建立数字高程模型的软件中即可轻松建立高质量的数字高程模型。本文DEM的建立及后文的分析应用都在ArcGIS中实现。

4 面向城市规划的数字地形模型应用

面向城市规划的数字地形模型的应用实质就是结合规划专业的特点和需求，对DEM的应用范围进行拓展和延伸。从地形分析的复杂性角度，可以将数字地形模型应用分为两类:一类是基于基本地形因子(包括坡度、坡向等)的分析与应用；另一类是基于基本地形因子延伸出的其他地形分析与应用，如土方量分析、通视分析、地形特征提取等。这些应用都通过对DEM进行数据计算和分析来实现。

4.1 高程分析及应用

在城市规划地形分析中，高程是一个重要影响因素。我国是多山的国家，地势的高低起伏、山脉走向、河流切割以及坡度、坡向等都直接影响到城市扩展的平面结构和空间布局形态。

传统的高程分析方法，一般是由人眼根据等高线的变化手工绘制不同的高程分带，并用不同的颜色表达。这种方法绘制的地形高程分带平面图既缺少形象直观性与整体性，又不能准确表达地形的结构和细部特征，如山脊线、谷底线、断裂线、冲沟、陡坎等。利用数字地形模型进行高程分析时，应用一定的阴影或色彩可以分别表达三维地形表面的高程变化及地形结构的细部特征，方便直观地表达整体的地形特征，为城市确定规划区域发展方向和空间布局形态提供直观的判断依据。在具体应用时，既可以直接应用DEM或者叠加相关规划方案进行地形的定性分析，还可以在Arc-GIS的空间分析模块中实现基于DEM的诸如高程分级与分布统计等定量分析，充分考虑地形因素对城市建设的影响和制约，提高规划的合理性和科学性。

4.2 坡度分析及应用

坡度分析是城市规划地形分析中非常重要和必不可少的一项工作。就城市建筑工程经济角度来看，影响最广的是地面坡度。例如，在平地要求有不小于0.3°的坡度，以利于地面水的排除和汇聚。基于DEM的坡度分析一般以斜坡坡度为基准，用不同的色调表示不同的坡度，如深色调一般代表较大的坡度，而浅色调则代表较缓的坡度。通过对不同坡度范围的地区进行分类分析和统计，可以定量地给出各类用地的实际情况，从而为规划提供一定的数据支持，为城市景观分析、规划选址、用地适宜性分析等提供辅助决策支持。

ArcGIS中生成的坡度结果有两种形式，一种是度，另一种是百分比。其根据以下公式得出相关坡度信息及坡度分析图。

(rise表示高度增加，run表示横向距离)

在《郑州沿黄文化旅游生态产业带战略规划》中，地形以黄河滩湿地为主，其他主要为基本农田，东部为平原区，西部大部分处在丘陵区，荥阳市和巩义市个别地段处于低山区。在ArcGIS中，结合坡度分析图，根据建设用地和生态等方面的要求将土地按坡度划分适宜性等级；结合郑州市沿黄地区现状和发展规划中用地分布情况及地貌高程情况，将土地按高程划分适宜性等级；再与水文气象、工程地质、自然保护区、土地利用现状、基本农田保护区等因子共同叠加计算，得到郑州市沿黄地区综合生态适宜性分级图，以此作为评价郑州市沿黄地区发展规划用地布局的依据之一。

4.3 坡向分析及应用

对于特定的地区，坡向对于规划甚至建筑本身来说至关重要。它关系到采光、风向等各方面的因素。坡向的考虑，可以使我们避免曝晒、狂风，又可以合理地进行采光，提高规划的合理性和宜居性。

数字地形模型的坡度分析是将地面坡度的朝向用不同色调或颜色表示，可将坡度的朝向分为平坦、东、西、南、北或平坦、东、西、南、北、东北、西北、东南、西南等不同等级。在ArcGIS中基于DEM生成坡度分析图，直观反映分析区域的坡度整体情况及分布统计情况。数字地形模型的坡度分析结果在微观上可以为控制性详细规划阶段确定规划地块的控制指标提供依据，宏观上可以在城市总体规划中为城市建设用地布局提供参考。

4.4 地形延伸分析及应用

结合其他有关资料，数字地形模型还可以进一步进行基于基本地形因子的延伸分析和应用。延伸的地形分析一般主要包括地形量算、土方量分析、地形剖面分析、通视分析、光照分析、流域网络与地形特征提取、海潮淹没分析、海陆变迁分析等，可以根据具体需求制作出不同的专题图和分析统计图，作为城市规划的各项背景分析和决策的参考依据，同时在分析图上叠加不同的规划方案后，还可以进行规划方案的比较分析。

这些地形延伸分析应用由于采用传统方法实现起来特别复杂或繁琐，可视化及分析效果也不好，因此在城市规划的地形分析中很多都忽略或者简单地以现场勘查的方式替代。而DEM数据含有丰富的地形和水文等信息，通过构建DEM数据，利用GIS软件的相关分析功能，结合规划行业的专题信息，即可快速地实现大部分的分析应用。这既可以让规划设计人员忽略这些分析的复杂原理，专注于分析结果的应用，又可以提高规划的科学性和可行性。如在《郑东新区龙湖地区控制性详细规划》项目中，利用ArcGIS提供的空间分析模块的Zonal工具分析计算出规划区域的平均高程，结合考虑实际建设的各种要求，既可为相关规划项目标定最终的高程，然后根据规划后的建筑物、公路等标高构建DEM图，分析不同位置不同楼层的可视区，以此判断规划的合理性以及规划后不同区位的景观效果，还可以使用ArcGIS提供的Cut/Fill工具得到规划区域挖填方的可视化效果及挖填方量的计算。

数字地形模型的相关延伸分析在城市规划和设计上还可以应用于适宜性分析、生态敏感性分析、生态适宜度评价分析、规划设计方案比较分析、土地现状分析、洪水险情预报、地表统计分析，并为景观图像模拟模型和景观处理提供数据等方面，但目前这些延伸分析应用一般都还停留在数据的层面，鲜有比较深入的定量化分析。

5 结 语

数字地形模型作为数字形式描述地表形态的工具，是数字城市空间信息的基础，数字地形模型的建立在城市规划、城市设施数字化、城镇景观设计和虚拟现实等方面将有很大的应用前景。但怎样提高数字地形模型的精度、数据应用效益和空间数据增值，推动其在城市规划行业应用的深度和广度，促进城市规划信息化进程，是今后相关行业共同面对的问题，需要进一步的探索与实践。

[1]李志林，朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉大学出版社，2001

[2]张帆，郑立楷，卢择临等.AutoCAD VBA二次开发教程[M].北京:清华大学出版社，2006

[3]李德华.城市规划原理(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社，2001

[4]陈杰，刘松林，张强等.基于AutoCAD数据构建DEM的应用研究[J].遥感信息，2006，1:53～55

Digital Terrain Model and Application Based on Urban Planning

Wang Hui，Zhou JianKang，Li Jian
(Zhengzhou Urban Planning Design＆Surveying Research Institute，Zhengzhou 450052，China)

The methods of data acquisition are analyzed for digital elevation model.The problem about automated acquisition of digital elevation model data is discussed and solved based on digital topographic map in AutoCAD.At the same time the specific applications and prospects of digital elevation model in the field of urban planning are discussed in detail.

digital terrain model；digital elevation model；urban planning；AutoCAD；digital topographic map

1672－8262(2010)03－13－03

P208

B

2009—11—05

王辉(1974—)，女，工程师，主要从事地图制图与城市地理信息系统建设工作。