数字城市建设中DEM数据的采集与建立

吕志伸

摘 要：数字城市又称作信息城市，是指运用计算机技术、全球定位系统、遥感遥测、互联网等技术，对城市的地理、经济、人口、资源等进行三维描述，把城市的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现。DEM数据的采集和建立是数字城市建设的基础信息之一，是建设数字城市的三维景观和构建数字城市工程设计的基础信息。该文讲述数字城市建设中DEM数据的采集和建立。

关键词：数字城市 数字城市建设 DEM数据采集 DEM数据建立

中图分类号：TN2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-0-01

DEM是数字高程模型Digital Elevation Model的简称。随着获取DEM数据技术的发展，采集和建设的DEM数据的信息越来越准确、丰富、且更新速度快，DEM数据的应用范围也越来越广，涉及环境、测绘、土木工程、军事、商业等各个领域。数字城市建设也离不开DEM数据的应用，DEM数据是数字城市建设的重要基础数据，是构建城市三维景观和进行各种工程设计的基础信息。

1 数字城市建设中DEM数据的采集

DEM数据获取的技术方法与使用的数据源和仪器设备紧密相连，数据源包括形图、航片等；仪器有扫描仪、计算机、解析测土仪、数字摄影测量系统等。DEM数据的采集有地面测量、利用现有地形图提取和建立DEM、空间传感器（GPS、雷达、激光测高仪）、数字摄影测量方法、合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）获取DEM 5种方法。（1）地面测量法，利用自动记录的测距经纬仪建立DEM，这种方法获得的数据精度高，但同样成本也高，而且工作量大，工作的周期较长，适用于建立小范围大比例尺区域的DEM，不宜在数字城市建设中采用。（2）空间传感器，利用雷达、GPS、激光测高仪等进行数据采集，成本较高。（3）利用合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）获取DEM，此种方法获取的DEM精度较高，但价格昂贵。现在数字城市建设中DEM数据的获取最常使用的方法是利用现有地形图提取DEM法和数字摄影测量法。

1.1 利用现有地形图提取DEM数据

对底图上的等高线、地性线矢量化，常用的方法有数字化仪手扶跟踪、扫描仪半自动采集法、地形图扫描矢量化，这种方法生产效率较高、操作简单，适用于数字城市建设中DEM的数据采集，是当今常用的提取DEM数据的方法之一。

1.1.1 手扶跟踪数字化仪

将地图平放在数字化仪的台面上，手持鼠标跟踪等高线或其他地形地物符号，按等时间间隔或等距离间隔的数据流模式记录平面坐标，或由人工按键输入。

1.1.2 地形图的扫描以及纠正

根据地形图种类、质量的不同扫描时的分辨率设置也不同。地形图可分为纸质图、彩图、二底图，彩图需要用黑白扫描仪扫描获取黑白影象，扫描分辨率需大于400dpi，对扫描后的栅格图进行图廓纠正；二底图需用黑白扫描仪以二值的方式扫描，扫描分辨率需大于300dpi；二底图可用四个图廓点作为已知点，纠正时采用仿射变换的方式；纸质图或彩图则需要用四个图廓点及公里网点作为已知值，可用仿射变换或其他数学变换的方式纠正。

1.1.3 矢量化

矢量化通常是用已纠正的栅格图作为底图，利用相关软件对底图上的等高线、控制点及其他高程点等要素进行矢量化，并赋予相应的属性。根据扫描图的实际情况，矢量化可采用自动矢量化和人机交互矢量化方法进行采集。

1.2 数字摄影测量法

构建DEM可以利用立体测图仪、立体坐标仪、航摄立体像、解析测图仪、卫星图像立体像等。数字摄影测量技术成本较低、效率高，获得的信息量丰富，适用于数字城市建设中的数据采集。数字摄影测量法获取数据以后需要对城市的建筑物、河流、林地等进行人工辅助编辑，采集立体三维数据。数字摄影测量法包括混合采样、选择采样、渐近采样、沿断面扫描、规格格网采样、沿等高线采样，利用自动化测图系统进行完全自动化的DEM数据采集。

1.3 DEM数据的建立

数字城市建设收集到的矢量地形图是AutoCAD格式。在地在形图中通过使用GIS软件提取出标高点、等高线、河流、水库等信息。根据提取的信息和应用方向的不同，选择不同的插值方法生成DEM。

1.3.1 由高程点直接插值成规则格网DEM

当地形图中的等高线的高程属性数据与高程标注不一致或者地形图中的等高线太破碎时，可将高程标注转为点图层，从点图层直接插值生DEM，ArcGIS的空间分析模块和3D模块都提供了由高程点插值成栅格图的方法，包括样条插值法（spline）、克里格插值法（kriging）以及反距离加权插值法（IDW）等，根据不同情况选择合适的方插值法。例如：样条插值法是采用一种数学函数对高程值进行估计，使表面的曲率最小化，生成一个精确通过采样点的平滑渐变的曲面，但有可能会超出采样点的高程值范围；克里格插值法则适合在距离和方向上有空间相关性的采样点使用；反距离加权插值法在采样点足够密集，能够表现区域地形变化情况时使用。

1.3.2 由高程点、等高线等插值成不规则三角网（TIN），再转为规则格网DEM

ArcGIS的3D模块中提供了由点、线、面等共同插值成TIN的方法。将等高线和高程点作为mass points，水系作为硬断线（hard line），用create tin命令生成不规则三角网，再由tin to raster命令将TIN转换为规则格网DEM。这样产生的DEM的插值数据不会超出采样点的高程值范围，是目前生成DEM比较常用的方法。

1.3.3 使用topogrid命令，由高程点、等高线、湖泊、河流等插值成规则格网DEM

数字城市建设中的DEM用于水文分析时，需要用ArcGIS的topogrid命令生成的DEM数据，这样可以较好的突出区域的流域特征。将高程点、河流沟渠、等高线、湖泊水库等作为初始条件输入，系统将使用有限次重复内插技术，生成输入图层边界范围内以Lake作为最低高程的DEM。

DEM主要描述地面高程信息，DEM数据包含大量的自然地理要素，能够直观的展现一个地方的地貌、地质特征，也可通过DEM提取大量的地表形态信息。根据城市的现状和需要选择合适的DEM数据采集和建设方式，才能使DEM数据发挥最大的作用，才能对数字城市建设起到辅助推动

作用。

参考文献

[1] 陈瑾怡，鲁铁定.基于ArcGIS的DEM精度评估改进方法研究[J].科技致富向导，2012（6）.

[2] 张瑞军，杨武年，刘汉湖，等.数字高程模型（DEM）的构建及其应用[J].工程勘察，2005（5）.

[3] 焦绪青.数字高程模型（DEM）数据库建设探讨[J].科技情报开发与经济，2007（28）.