DSM在地理国情监测中的应用研究

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009）

数字表面模型（DSM，Digital Surface Model）作为一种重要的基础地理数据，能反映城市中地形、地物构成的地表信息。由于其获取效率高、数据精度高、处理自动化等特点，DSM可以广泛用于湿地保护[1]、变化检测、违章建筑监管等领域，能够为地理国情监测提供可靠的基础数据保障和技术支持[2]。将DSM技术应用于上海市工业园区土地绩效评估工作中，可以对各工业园区的开工率、综合容积率和已批项目的建设状态等评价指标进行快速计算和评估，不仅为工业用地相关政策制定提供了参考依据，同时也为工业园区扩区升级提供了依据。研究成果已经与上海市规划和国土资源管理局的管理平台系统成功对接，为政府部门决策提供了可靠的技术保障。笔者对以上内容进行了详细阐述，并对后续DSM在地理国情监测领域的广泛应用进行了展望。

1 DSM与地理国情监测

1.1 DSM发展现状

数字地表模型（DSM），是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等要素的地表高程模型，原始DSM通过大量悬浮在空中的三维离散点云数据表现。DSM能形象地反映地表的高度和结构，即城市的三维模型，是城市的重要地理信息之一[3]。DSM的描述方式有三种，分别是三维点云、三维地表模型和二维灰度图（如图1所示）。这三种描述方式通过对DSM数据的直观表达来形象表现地表结构和形状。

图1 DSM的三种表现方式

DSM作为一种高效便捷处理分析手段，在美国、日本和欧洲等国家，正在逐步服务于各行业领域[4]。例如日本利用DSM自动提取客观的房屋变化情况，缩短了房屋变化判读人为作业时间；同时由于DSM数据精度高，提高了房屋变化提取的精度，从而直接提高了政府部门的税收收入。又如日本利用DSM进行违章建筑调查，自动提取新建筑物，对照建筑施工许可书，把无建筑许可的新建筑物或超过规定高度的建筑物自动进行提取，客观上提供了有力的执法依据。

相比美国、日本和欧洲的许多发达国家，我国在DSM生产方面还处于技术引进阶段，并没有投入大规模生产，同时DSM的生产流程、技术标准还有待确定，另外我国DSM应用也处于起步阶段。

1.2 DSM特点

随着DSM在获取和应用等方面的飞速发展，DSM技术具有以下特点：

1.2.1 获取效率高 无论是数字摄影测量方法还是机载LiDAR方法，DSM的数据处理效率都非常高，采用数字摄影测量法，处理1 000 km2航空影像，获取DSM数据用时一周。

1.2.2 处理自动化 DSM数据去噪、格式转换、变化检测等处理过程都是自动化完成，不需要人工干预。

1.2.3 定量分析 在实际应用中，DSM不仅可以完成定性分析，由于DSM具有高精度的坐标，还可以进行定量分析。

1.2.4 三维分析 传统影像解译方法只有平面信息，没有高程信息，不能监测高度发生的变化，而DSM具有高精度的三维坐标，可以进行第三维高度方面的变化检测，有效弥补了影像解译方面的不足。

正是由于DSM上述特点，DSM可以作为一种有效的技术手段，为地理国情监测提供动态、高效和便捷的技术支持。

1.3 地理国情监测

地理国情是国土面积、地形地貌、道路交通、土地利用、地表覆盖、城市布局与发展等自然和人文地理的宏观性、整体性、综合性的体现，它信息涵盖面广、综合性强，不仅能够客观、准确地反映地表和地理特征，而且还能够反映地表变化情况及其相互关系，成为制定区域发展战略与发展规划、调整经济结构布局、转变经济发展方式、应对突发公共事件等管理决策工作的重要基础[5]。地理国情监测任务具有以下特点：

（1）动态性。地理国情是随时发生变化的，地理国情监测工作必须随着地理国情的变化不断进行，因此监测任务的重点是地理国情变化的范围和程度[6]。DSM反映了地表的几何信息，利用不同时期的DSM数据比较不仅可以动态发现变化，而且可以定量变化程度。

（2）适应性。从根本上讲，监测地理国情就是对特定情况下地理信息的及时准确的采集和提供[5]。由于DSM数据获取高效性和处理自动化，可以为国情监测提供及时准确的地表信息。

（3）统一性。监测地理国情的目的，主要是通过现时与过去的比对，判断各类自然和人文地理要素变化的程度，客观评估利弊，充分揭示经济社会发展和自然资源环境的空间分布规律，为各级政府决策提供可靠依据[6]。DSM结合遥感影像和二维矢量等多源数据，可以为地理国情监测提供统一的、完整的技术支撑[7]。

2 DSM生产与管理体系建立

为了使DSM服务于地理国情监测形成长效机制，必须建立完善的DSM生产和管理体系，包括生产方式选择、生产软件选型、标准规范制定、DSM数据库建设等。

2.1 DSM生产方法研究

随着数字航空摄影测量技术的发展和计算机运行速度的加快，美国、日本和许多欧洲的发达国家已经开始大规模生产和应用DSM。目前，获取DSM的方式有两种：一种是机载激光雷达技术，该技术是一项集多种尖端技术于一身的空间测量系统，从飞机上的激光扫描仪发射激光束，通过高速激光扫描，可以得到被测物体表面的三维坐标点，对三维坐标点进行预处理后，就可以得到DSM数据；另一种是数字摄影测量方法，利用现代航空摄影测量原理，通过复杂的计算可以得到DSM数据，DSM的精度和分辨率与影像数据分辨率和重叠度及航飞质量有很大关系。随着计算机运行速度大幅提高、影像匹配算法不断完善，近年来利用数字摄影测量原理生成DSM的方法逐渐应用起来。综合考虑性价比及充分利用现有影像资源等因素，选择数字摄影测量作为DSM数据生产方法，经过近一年多的生产实践和研究探索，形成了规模化、常态化的DSM生产流程。

2.2 DSM相关标准和规范研究

为了进一步规范DSM的生产流程，确保DSM的生产质量，在DSM生产中需要比较完善的DSM相关标准进行规范和指导。由于我国在DSM生产方面还处于技术引进阶段，并没有投入大规模生产，相关DSM的生产流程、技术标准也没有确定。经过一年多DSM生产的技术积累和经验总结，从应用需求出发，在DSM精度要求、格式要求、数据内容要求、作业方法和检查方法等多方面制定了一系列DSM相关标准和规范。

2.3 DSM数据组织与管理方法研究

DSM数据量非常巨大，格网间距0.25 m的全上海市区域DSM数据量为400G，这样逐年累计的DSM数据量是相当可观的。这么庞大的数据，考虑到以后的管理及维护更新，必须采取有效手段进行组织和管理[8]。考虑到DSM数据特点，将DSM按年份和图幅用数据库的方式进行了有效管理，并研制了DSM数据库管理系统，该系统完成了DSM数据导入和导出数据库、按图幅检索查询提取、按空间位置检索查询提取、维护更新、历史数据管理等功能。

通过以上的研究和实践，形成了完善统一的DSM数据生产和管理体系，使得DSM能够为地理国情监测提供长期稳定的技术支持。

3 DSM变化检测技术

DSM能反映出城市三维几何信息，从而可以利用不同时相的DSM数据差分检测，求取城市在几何特征方面发生的变化。在差值DSM上，对其进行二值化处理等基本的图像处理手段，可以获取在差值DSM上的待选变化区域，并将差值按照新增和拆除进行分类，DSM变化检测结果如图2所示，图中左侧图斑表示新增区域，右侧图斑表示删除区域，以上方法称为DSM变化检测技术。利用DSM变化检测技术不仅可以快速定位城市高度变化区域，而且可以发现变化量值，尤其对于城市、工业园区等大范围区域的动态监测，更能充分体现其高效、快速、低成本等特点，大量减少了人工实地监测的工作量。基于变化检测技术，研究DSM自动差值算法和批处理工具，以便方便快捷实现任意区域和任意时间段的DSM变化检测。

图2 DSM变化检测结果

4 应用案例与展望

4.1 上海市工业园区土地利用绩效评估案例

上海市规划和国土资源管理局每年都要对上海市工业园区进行土地利用绩效评估工作，评估内容包括土地利用程度、土地利用强度、用地结构状况等[9-10]，评估结果作为政府决策部门制定相关工业用地政策的参考依据，有时也作为开发区向国家申请扩区升级的依据[11]。DSM数据作为工业用地绩效评价的一种崭新的和重要的基础数据，由于其采集自动化程度高、数据精度高、处理效率高等特点，已经于2012年初步应用于上海市工业用地绩效评价工作，为上海市动态监测工业用地利用情况和土地绩效评估工作提供了可靠的基础数据保障和技术支持[12]。

课题组获取了上海市104块产业园区范围内DSM数据，时间段分别为2008年初和2012年初，基于这两个时间段数据，进行了变化检测分析，检测精度有两份，分别为：变化高度大于3 m，变化面积大于100 m2；变化高度大于3 m，变化面积大于1 000 m2。从而得到了两套DSM变化检测成果数据。基于DSM变化检测成果，结合土地绩效评估宗地数据和合同数据，完成了以下工作：

（1）在特定工业区块的工业地块（评价单元）评价地图上，将2008年以来的新增工业宗地叠加DSM变化检测成果数据，计算2012年来新供工业项目的开工比率。如图3所示，为上海市青浦工业园区某地块，利用DSM变化检测结果，计算该地块的开工率为62.7%。

（2）利用DSM变化检测成果数据和DSM原始数据，结合土地供地合同及宗地数据，判读已批已供工业用地的待建、已建、在建状态。如图4所示，为上海市青浦工业园区内重点产业项目建成状态的判断情况，利用供地合同和DSM原始数据，可以判断重点产业项目目前是否是净地，如果是净地，判断状态为未建；否则根据宗地数据和DSM变化检测成果数据区分是在建状态还是已建状态。

在工业园区土地绩效评估中引入DSM技术支持，大大提高了评估效率，减少了实地调查的人工工作量，为政府决策部门提供了可靠的评估成果。

图3 工业区块开工率

图4 工业区块建成状态

4.2 展望

在工业园区土地绩效评估应用中，DSM特点鲜明，成为土地绩效评估中一种有效的技术手段。如果再结合影像解译技术，去除DSM变化检测成果中的噪声，确定DSM变化检测图斑性质，将能更好地服务于工业园区土地绩效评估工作，以下是对影像解译与DSM结合应用的一些展望：（1）利用影像解译技术，结合DSM数据源，提取建筑物信息，从而可以测算工业园区综合容积率。（2）利用影像解译技术，结合DSM变化检测成果，辅以产业区块控制线、工业地块评价单元本底图、土地储备等图层进行分析，测算土地储备情况及近期潜力评估。（3）利用影像解译技术，结合DSM变化检测成果，辅以产业区块控制线、工业地块评价单元本底图等图层进行分析，测算存量工业用地二次开发情况。

5 结语

数字航空摄影测量技术的飞速发展，地理国情监测对动态、高效、自动化数据和技术的迫切需求，让DSM在地理国情监测领域有了广泛的施展空间。建立了完整的DSM生产和管理体系，在此基础上，将DSM应用于工业园区土地绩效评估工作中，为政府部门决策提供了可靠的评估成果。对在地理国情监测领域广泛深入应用DSM具有非常重要的现实意义。