上海城市高精度DEM空间数据库建设与应用研究

张唯，毛炜青

(上海市测绘院，上海 200063)

上海城市高精度DEM空间数据库建设与应用研究

张唯*，毛炜青

(上海市测绘院，上海 200063)

城市高精度数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是智慧城市建设和管理的重要基础数据。基于上海基础地理框架数据和局部三维激光扫描数据，构建了覆盖全市的高精度DEM，并创新地采用了对象化管理技术实现了不同精度DEM数据的融合，建立了上海全市统一的DEM空间数据库和相应的数据库管理系统，实现了上海全市海量DEM数据的高效管理和动态更新。针对上海DEM的应用需求，还深入研究并实现了DEM基础分析算法和发布了全市DEM彩色晕渲图服务，相关成果在上海智慧城市建设的土地规划、市政和水务等领域发挥了重要的作用，对其他城市的DEM的管理和应用工作具有借鉴意义。

地图学与地理信息系统；DEM；高精度；不规则三角网；矢量切片；空间数据库；智慧城市

1 引 言

随着上海智慧城市建设的推进，高精度数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)作为城市建设管理的基础数据之一在城市各行各业中的应用需求日益增强。在城市规划行业，利用DEM数据可以进行用地评定、水源保护区规划、水系规划、景观规划以及三维规划方案审批和比选等；在市政管理部门，利用DEM数据可以提取等高线和坡度分布信息，辅助进行道路设计施工、道路断面分析、地下管线设计施工和地下空间管理等；在水利和气象部门，利用DEM数据可以进行城市积涝分析、流域水域分析等，对解决城市暴雨积涝等有重要作用。上海城市高精度DEM空间数据库的建设，提高了DEM数据的存储、检索、处理和分析的效率，为相关领域的智能管理、智能分析、预警预报、科学决策提供有力支持，进一步推动上海城市建设管理智慧水平的提升[1]。

2 上海城市高精度DEM生成

上海城市级的DEM不同于全球和全国级的DEM，城市级DEM具有地形地貌破碎、细部结构丰富等特点，如马路沿、水体岸线、下沉式广场、隧道出入口等。目前国内外主要的DEM生成方法有全野外测量采集、地形图数字化生成数字模型、摄影测量和遥感的方法和激光雷达法等方法[2]。

本文结合上海地区地形和数据特点，利用上海市已有的丰富的空间地理信息数据资源，将高精度城市框架数据和超高精度三维激光扫描技术相结合，通过上海城市基础地理框架数据生成覆盖全市的高精度DEM，局部区域融合三维激光扫描点云数据生成的局部超高精度DEM数据，构建全市范围的高精度DEM，满足了上海城市多部门、多层次的DEM应用需求。

2.1 基于城市基础地理框架数据高精度DEM生成

上海城市基础地理框架数据含有丰富的地形地貌信息，如道路、河流、街坊以及城市实测的地面高程散点。上海市建立了在全国领先的“0511”的基础地理信息数据更新机制，市中心区域 1∶500比例尺数据半年更新一次，其他区域 1∶1 000和 1∶2 000比例尺数据一年更新一次。通过城市基础地理框架数据，可以提取整理全市的地形特征点线信息(如道路边线、河流岸线、高程散点等)[3]。

本文根据上海的数据特点研制了基于基础地理框架特征点线数据不规则三角网的构建模块，构建生成了覆盖全市范围的高精度DEM不规则三角网模型，精细完整表现上海城市地形起伏情况。通过精度评定和测算，数据整体精度中误差达到 0.18 m[4]，能够满足一般的DEM应用需求。本文基于城市基础地理框架数据构建的DEM三角网如图1所示。

图1 基于城市框架数据生成的上海高精度DEM

2.2 基于三维激光扫描数据超高精度DEM生成

地面三维激光扫描是一门新兴的技术，可以在较短时间内获取局部超高精度的地形点云数据，能够用于表达局部区域超高精度的DEM[5]，从而解决城市下立交等区域精准积涝分析的数据需求。

本文研究了从三维激光扫描点云生成局部超高精度DEM的完整的处理方法，从最开始的点云数据采集开始，经过点云解算、点云合并、点云分类去噪、点云特征线提取和点云抽稀等环节[6，7]。

(1)点云解算，对原始的点云数据根据测站或POS等信息解算得到最终成果点云(常见的有LAS和XYZ格式)。

(2)点云合并，是将生成的多个LAS文件和XYZ文件根据软件导入合并，因为点云数据往往数据量很大，合并时要兼顾合并后文件数量和点云处理软件数据的承载量。

(3)点云分类去噪，是将合并好的数据对其进行分类，保留需要的数据去除路面上等噪点。

(4)点云特征点线提取，点云分类去噪后对道路边线及马路牙子边线等道路重要的特征线进行提取。

最后利用本文开发的特征点线构建不规则三角网模块，生成局部道路超高精度的DEM不规则三角网模型。通过对局部数据精度评定和测算，数据精度平面中误差为 0.1 m，高程中误差为 0.03 m。相关数据已经满足上海水务气象部门局部积水精确分析的要求。本文所生成的局部道路超高精度的DEM效果如图2所示。

图2 基于激光扫描数据构建的局部道路超高精度DEM

2.3 基于对象化管理技术的多源、多精度的DEM数据融合

本文考虑到城市多层次的DEM应用需求，采用多种源数据生成全市高精度DEM。在多源多精度DEM数据融合时，本文创新性地采用“对象化存储”技术，相比于直接存储TIN的三角形数据，采用分块管理的思路，将一小块区域的三角形存储为Multipatch三维模型对象。利用Multipatch这一常见的三维数据格式，对所有的三角形进行组合管理，可以显著减少数据记录数，提高查询和检索效率。采用“对象”管理后，可以在必要的时候对相关“对象”直接进行三维浏览分析。同时，也可以对“对象”进行打散或者进一步的合并，来满足不同的应用尺度，大大提高了海量数据管理和检索效率[8]。

在对不同数据进行融合时，查找并替换相应的“对象”，将局部范围精度更高的DEM数据替换精度较低的DEM数据，从而实现了不同源和不同精度的DEM数据融合，融合效果如图3所示。本文通过多源、多精度的DEM数据融合实现了上海全市DEM数据的统一，为DEM数据的进一步数据库管理和应用打下了良好的基础。

图3 多源多精度DEM数据融合结果

3 上海DEM空间数据库建设

上海城市高精度DEM空间数据分辨率高、数据量大，考虑到数据的日常管理、应用和更新的需求，本文建立了上海DEM空间数据库，并研发了相应的DEM空间数据库管理系统辅助数据库管理人员进行日常的管理操作。

3.1 DEM空间数据库建设

考虑上海城市海量DEM三角网数据的存储和管理需求，DEM空间数据库建设必须考虑数据库的效率，结合上海城市基础地理数据库的管理经验，本文在建立DEM空间数据库时，采用了ArcSDE+Oracle的数据库管理模式。ArcSDE以数据库为后台存储中心，为前端的GIS应用提供快速的空间数据访问，能实现海量数据的快速读取，保证数据存储的安全高效。Oracle数据库是一种高效率、可靠性好的适应高吞吐量的数据库解决方案。ArcSDE+Oracle对于海量空间数据库的管理方面具有比较明显的优势[9]，数据管理时，来自多种来源的DEM数据通过入库工具入库后，数据库中通过DEM空间信息表、分块信息表、图幅信息表等，将全市高精度的DEM三角网进行统一管理，所有的三角网按照对象分块存储为Multipatch对象类型，通过空间数据引擎ArcSDE来实现对Oracle的增加、删除和更新操作，达到对DEM数据管理和维护的目的。本文所建立的DEM空间数据库的整体框架如图4所示。

图4 上海DEM空间数据库框架图

3.2 DEM空间数据库管理系统建设

针对上海DEM数据的日常生产、更新和应用需求，本文研究了相应的数据库管理系统对DEM空间和属性数据进行统一管理，系统采用C/S结构，包含数据加载、浏览、查询和交换等模块。利用该管理系统，可以实现DEM数据的入库、提取和浏览等操作，还可对数据进行查询、检查和统计，并可对数据库中的指定区域进行更新，在实际工作中满足了上海DEM数据的生产和管理应用需求。本文所研究的数据库管理系统功能模块划分如图5所示。

图5 上海DEM空间数据库管理系统功能模块

4 上海DEM空间数据库应用研究

4.1 DEM基础分析算法研制

(1)点位高程内插

DEM应用中最常用的功能之一就是获取指定点(X0，Y0)的地面高程Z0，本文作者基于城市DEM空间数据库，利用GIS的空间分析功能，研究实现了DEM点位高程获取算法[10]。首先根据输入(X0，Y0)的坐标空间位置，在数据库中利用GIS空间分析功能，确定与其投影相交的三角形。然后，根据三角形的三个顶点的空间坐标，(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)和(X3，Y3，Z3)，通过内插方法获取指定点地面高程Z0值。指定点(X0，Y0)的地面高程Z0的内插计算表达式为：

(2)地形剖面分析

地形剖面能反映地面线性起伏变化情况，在市政、水务等领域有广泛的需求。本文基于地面高程计算基础算法，封装实现了地形剖面分析服务，用户通过输入剖面线起始点坐标和采样间隔，就可以自动计算剖面上各个间隔点对应的DEM空间数据库中的地面高程，从而得到整个剖面的地形起伏情况。地形剖面分析结果如图6所示。

图6 上海DEM剖面分析结果

(3)地形三维体积计算

城市建设中涉及大量的地形相关的立体体积计算，如施工土方量计算等，这些分析都离不开城市高精度DEM空间数据的支持。本文研究了地形三维体积计算算法，通过施工空间范围和DEM空间数据库进行空间分析，获取所影响的DEM三角形区域范围，然后结合开挖深度统计计算总共的三维体积大小。本文还对地形三维体积计算的功能进行了服务封装，在三维场景中用户输入或导入范围，输入深度就能获取体积计算结果。服务功能效果如图7所示。

图7 DEM三维体积计算结果

4.2 DEM彩色晕渲图服务发布

针对普通的DEM管理部门和用户需求，本文研究了相应的模块实现从DEM空间数据库自动生成DEM彩色晕渲图，使用户能方便快捷地了解指定区域的地形起伏情况。DEM彩色晕渲图通过彩色分级渲染，分别使用不同的颜色表示不同高度信息，可以直观地应地形地势的变化，有较好的可读性，方便用图者的使用[11]。同时本文还将DEM彩色晕渲图发布成标准的地图服务，作为上海市基础地理信息公共服务平台的标准服务之一，广泛地服务于全市各个相关的政府部门、事业单位和企业等用户。本文所研究的DEM彩色渲染图如图8所示。

图8 上海佘山、临港区域DEM彩色晕渲图

5 结论和展望

高精度的DEM数据是智慧城市建设必不可缺的基础数据。本文针对上海城市DEM数据管理和应用需求，基于城市基础地理框架的特征点线数据构建了全市的DEM三角网，局部区域融合了三维激光扫描构建的超高精度DEM，建立了全市统一的DEM空间数据库，并开发了相应的DEM数据库管理系统实现数据的集中管理。针对海量TIN数据，创新性地采用了DEM三角网“对象化”存储技术，对所有的三角形进行组合管理，显著减少了数据记录数，大幅度提高查询和检索效率。在DEM数据库应用方面，深入研究并实现了DEM地形的点位高程、剖面分析、立体体积计算等算法，并基于数据库自动生成了上海全市的DEM彩色晕渲图，相关成果在上海智慧城市建设的规划土地管理、市政施工、气象水务等领域得到了实际的应用。

今后随着DEM数据获取手段更加丰富、技术更加先进，DEM数据源的种类会不断增加，这将有利于DEM数据的进一步深入应用，但也给多种来源DEM数据的管理带来更大挑战。同时随着智慧城市建设的进一步推进，城市精细化、智能化管理程度也会不断提高，这对DEM数据的精度提出更高的要求，未来城市DEM的建设应用将朝着分辨率更高、精度更高、更新周期更快的趋势发展。综合以上，本文所建立的DEM空间数据库将随着DEM应用的推广和深入进一步完善和扩展，将支持更多的DEM数据源，支持更高精度数据，维护更新更及时，分析功能更丰富，从而更好地服务于上海智慧城市建设工作开展。

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Research on the Construction and Application of the Shanghai High-precision DEM Spatial Database

Zhang Wei，Mao Weiqing

(Shanghai Surveying and Mapping Institute，Shanghai 200063，China)

The high-precision DEM is one of the most important basic data for the construction of smart Shanghai. In this paper，the Shanghai DEM database was built by using the DEM object management method and merging DEM constructed by city framework data and 3D laser scanning，and the DEM management system was developed to manage and maintain massive DEM data effectively. According to the DEM application needs，several basic analysis algorithms and DEM render map were developed which are used in the city planning，municipal and water management of smart shanghai.

cartography & GIS；DEM；high-precision；triangulated irregular network；vector tile；spatial database；smart city

1672-8262(2017)02-5-06

P208.1

A

2017—01—18

张唯(1985—)，男，硕士，工程师，主要从事城市三维地理信息研究及应用工作。 基金项目：现代工程测量国家测绘地理信息局重点实验室开放基金课题(TJES1309)