多源数据城区精细DEM建模方法_张龙其.pdf

测绘通报2023 年第 6 期引文格式:张龙其，杜帅，熊旭平，等 多源数据城区精细 DEM 建模方法J 测绘通报，2023(6):124-128 DOI:10 13474/j cnki 11-2246 20230179多源数据城区精细 DEM 建模方法张龙其1，2，杜帅1，熊旭平1，2，张宇晴1(1 长沙理工大学交通运输工程学院测绘工程系，湖南 长沙 410015;2 长沙理工大学测绘与遥感应用研究所，湖南 长沙 410015)摘要:城区因建筑物密集、植被覆盖、交通流量大等，难以构建精度统一的 DEM，本文基于大比例尺数字地形图、DOM、无人机摄影测量生成的 DEM 或基于激光雷达点云生成的 DSM 等数据，探讨构建精细 DEM 的方法。该方法首先从大比例尺数字地形图中提取等高线、高程点等用于直接构建 DEM;然后提取道路边线、建筑物轮廓线、广场边界、隔离带、陡坎、湖泊边线等二维特征线要素，分别采用不同的方法融合 DEM 和 DSM 获得正确的高程信息，并结合实际情况加工处理后生成三维特征线;最后以此为基础应用具有约束的方法构建 TIN 模型。本文结合现有的数据源特点，分析了不同区域的模型精度。试验结果表明，构建的 DEM 与地形图吻合度高，可满足城区洪涝分析、精细管理、实景三维建设的需要。关键词:精细 DEM;多源数据;建模方法;城镇 DEM中图分类号:P237文献标识码:A文章编号:0494-0911(2023)06-0124-05Modeling methodology for fine DEM in urban based on multi-source dataZHANG Longqi1，2，DU Shuai1，XIONG Xuping1，2，ZHANG Yuqing1(1 School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410015，China;2 Institute of Mapping and Remote Sensing Application，Changsha University of Technology，Changsha 410015，China)Abstract:It is still a current technology problem to build a fine DEM in urban using single technology because of dense buildings，vegetation，heavy traffic，etc This paper discusses a method to build a fine DEM based on large-scale digital topographic map，DOM andDEM generated by UAV photogrammetry or laser radar point cloud data(DSM)Firstly，contour and elevation points are extracted fromlarge-scale digital topographic map，which can be directly used to construct DEM Then some extraction is separately done to getterrain-related line elements，which are always 2D without elevation information，such as contour of buildings，road sidelines，squareboundaries，scarps，lake sidelines and so on Then some necessary process is done to build 3D-lines after obtaining from the correctelevation of general DEM and DSM Based on these 3D lines and elevation points，a heterogeneous TIN model is constructed usingconstrained TIN methodology Because of data source with different accuracy in different area，the modeling accuracy is also analyzedusing theory and practice Experiments show that the constructed DEM is so high consistency with the topographic map that can bettermeet the needs of flood analysis，urban fine management，and real three-dimensional constructionKey words:fine DEM;multi-source data;modeling method;urban DEM随着城市管理精细化程度的不断提高，城市积水排涝分析1、城市道路设计和施工、道路横纵断面分析、地下管线设计等方面亟须构建精细的城区DEM1-2。构建城区精细 DEM 也是当前“实景三维”和“新型基础测绘”的重要组成部分，是地上和地下统一的关键。随着现代对地观测技术的发展，DEM 建模方法从传统的大地测量方法(如全站仪、GNSS 测量等)及地形图数字化方法过渡到了以摄影测量、激光雷达测距(LiDAR)3-5、合成孔径雷达(SAR)5 和多波束测量等代表的遥感方法6。与其他区域相比，城区 DEM 具有以下难点:地形地势相对较平坦，地形图等高线数量特别少;城区建筑物、道路、广场等人工修建的硬化地面占比大，挡土墙、加固陡坎、台阶、加固边坡等细微突变地形较多，传统的 DEM 建模方法难以满足需要2-7;很多城市区域存在立交、高架路、地下通道、高架、地下建筑、湖泊河流、堤防、加固护坡等，都需要与 DEM 数据进行无缝衔接8-11;部分城区的植被421收稿日期:2022-10-26基金项目:公路工程省部共建教育部重点实验室开放基金(KFJ100109);国家自然科学基金面上项目(41671446);湖南省自然资源科研项目(2021-02);长沙理工大学科研助推计划(2019QJCZ007)作者简介:张龙其(1977)，男，博士，讲师，从事地理空间信息采集、处理、应用与开发方面的教学与科研。E-mail:zhanglongqi csustedu cn2023 年第 6 期张龙其，等:多源数据城区精细 DEM 建模方法覆盖率高，建筑密集，人、车流量大，精细测量成本高。当前国内城区一般都完成了大比例尺(1 500或 1 1000)数字地形图测绘，这是当前内容最丰富、信息最完整的城市基础地理信息数据。但城区等高线、高程点分布密度(图上每 100 cm2内 5 20 个高程注记点12)不足以精确描述城区地形起伏情况;其他和地形密切相关的地物要素，如道路、房屋、河流、湖泊、斜坡、陡坎、挡土墙、池塘等均缺乏足够的高程信息8。从地形图中提取数据构建DEM 的方法，并不适合城区13。星载、机载相机和传感器等测量设备和摄影测量系统是当前国内外制作 DEM 的主流技术4，14-17。通过机载、地面激光雷达测量设备(包括 SAR 和 InSAR)采集到的点云数据(DSM)高程精度较高3，5，18-20，但在城镇区域，因建筑物、植被遮挡难以构建精细的 DEM。总之，通过单一数据源很难构建城区精细的 DEM，亟须发展新方法10。本文在分析现有基础地理数据特点的基础上，提出一种融合多源数据构建城区精细 DEM 的方法，以期有效解决因建筑物、道路等人员活动密集区域无法构建精细建模的问题，并对城市中地下建筑、立交、地道、地下车库出入口和桥梁等建筑要求做出明确的约定。1建模基础由于格网 DEM 数据结构的限制，难以表达城区各种突变地形特征2，9，因此，采用 TIN 构建城区精细模型。城区存在大量的路面和广场等硬化表面，也存在草地、林地、丘陵、台地和山地等。城区 DEM应根据不同的类别和实际需要，设置不同的精细程度。本文城区 DEM 按高程精度分为精细、一般和粗略 3 个等级。划分的基本原则有:人工修建的房屋、道路、房屋周围空地等人员活动密集区域的 DEM 建模精度应高于林地、草地、耕地、隔离带等植被覆盖区域;人工固化地面的 DEM 建模精度高于自然形成的、松软的、植被覆盖的地面。经过综合分析，精细建模的区域及相关约定如下:房屋等建筑物以内部第一层的地面建模，内部地面与外部地面的连接面(直立的地基外表或倾斜的散水表面)也算作地面一部分;地面以上为建筑物。地下建筑物(包括地下室)仅对出入口(如地铁站出站口、地下通道等)处建模，以四周地面向出口处延伸生成的虚拟表面作为地面建模。桥台、桥墩四周地面向内部延伸形成的虚拟表面作为地面进行建模，而桥梁、立交、高架路、下凹立交等悬空及地面以上部分不参与 DEM 建模。道路两侧与河湖两岸修建的加固护坡或堤防、人工修建的挡土墙、加固陡坎和斜坡外侧表面作为地面建模。地面以下或部分在地面上的无盖沟渠外表面作为地面建模;高度完全大于0.2 m、宽度大于 0.5 m 的每个户外台阶都需精细建模;否则按斜坡处理。不建议精细建模的区域包括:道路中心的隔离带、花池、苗圃等以边缘石顶部粗略建模，内部植被覆盖区域可视为平面。河流、湖泊应以底面作为地面建模处理;当缺失水深测量资料时，应以当时实测水面及以上部分建模。公园、住宅小区、单位内部林地、林地、苗圃等植被覆盖的地面。城区山体、有低矮植被覆盖的地面等;难以到达的山体、灌木丛、林地等按粗略等级建模。根据 1 500，1 1000，1 2000 外业数字测图技术规程(GB/T 149122005)，城区(多为平地和丘陵区域)1 500 比例尺地形图等高距多为0.5 或 1 m，在等高线分布均匀的情况下，可生成DEM 的高程中误差为 0.250.6 m12，而当前无人机 DEM 和无人机机载 LiDAR 点云高程精度约为615 cm3，7，21;车载 LiDAR 点云约为 5 cm7。综上所述，构建 DEM 内部高程精度等级见表 1。表 1建模等级等级高程精度/m应用区域精细0.2道路、街道、房屋、广场等硬化地面;散水、高出地面的地基、加固陡坎和斜坡、挡土墙、台阶加固桥台表面、地面以下的沟渠等硬化倾斜或竖直地面等一般0.5河湖两岸的自然地面、浅表层植被覆盖或平坦裸露区域、城区内耕地、菜地、园地等粗略1.0山体、茂密植被覆盖区域、垃圾场、渣土场、工地等2建模方法提出了一种基于大比例尺地形图、DOM、摄影测量 DEM 或无人机激光雷达点云数据(DSM)的DEM 建模方法(如图 1 所示)。对收集到的大比例尺数字地形图(DLG)、航测DEM、DOM 或 DSM 进行加工处理生成统一坐标系的数据集。首先从 DLG 中提取等高线、高程点等要素;然后根据正射影像图或 DLG 生成植被和房屋建521测绘通报2023 年第 6 期筑物覆盖区域多边形，作为被剔除的多边形内部的DEM 或 DSM 数据，生成无误的 DEM 或 DSM;最后道路边线、隔离带边缘线、陡坎、斜坡、房屋轮廓线、房屋轮廓线等，处理生成三维线要素，方法如下:图 1建模方法流程(1)针对每条道路边线或隔离带边界线，向道路内部平移至无植被覆盖的区域后，内插无误 DEM或 DSM 生成三维曲线，沿道路方向平滑后再平移回原有位置，生成三维道路边线。(2)对