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带有边界条件的城市DEM构建方法研究∗

2018-05-29林春华万栋平邵为真

计算机与数字工程 2018年5期
关键词:洼地边界条件水系

林春华 万栋平 邵为真

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院 青岛 266590)(2.烟台市国土资源局经济技术开发区分局 烟台 264006)

1 引言

数字高程模型是最基本的、最重要的数据之一,同时也是进行基础科学分析的一个重要组成。DEM是对地理空间对象的数字化表达,基于高程或海拔分布对地形曲面的数字化模拟。DEM是建立DTM的基础数据,其它的地形要素可由DEM直接或间接导出,如坡度和坡向[13]。

近年来,各地气象条件飘忽不定,长时间的突降暴雨,造成了城市内涝的频繁发生,严重阻碍人们的日常生活,给人们的出行、工作、生活都带来了危害。因为没有城市数字高程模型(DEM),所以有关部门不能及时地了解灾情的具体情况,对于城市的各个部分的受灾程度也不能有一定的分析,因而不能迅速制定相应的应对方法和救援方针,给人民群众生命和财产安全构成一定的威胁。如果创建了一个城市DEM,可以基于水文数据监测河流进行洪水淹没分析;同时还可以根据DEM进行城市排水系统的重点检查、维修、清理工作,以应对城市防洪,减轻内涝的压力[2]。还可以结合现有的拦河大堤,实时分析防汛形势,同时提供堤坝的仿真分析,这既可以用于指导城市防汛防洪,又可以用于土地利用总体规划和布局[3]。

本文通过建立城市DEM,探讨建立城市DEM的边界条件,以及如何确定边界条件,通过建立城市DEM来进行城市院落规划,道路排水等问题来解决城市内涝问题。

如何建立高精度的城市DEM是本论文的重点,主要的数据来源是某市基于大比例尺数字地形图,以此来构建,所以对这种方法进行了着重研究:

l)确定区块。地形图上的高程点看似分布零散,但是在一定的区块范围内也会有其分布规律,重点研究出高程点的分布规律,建立与之相适应的高程插值模型,增加高程点数量:通常城市中的不同的地区高程点都会有不同的规律。各种不同的地区构建DEM所需的插值方法也不尽相同,所以我们就要确定不同的地区,划块分析,找到并利用这些规律建立不同的高程插值模型,增加高程点的数量,从而来提高DEM的精度[4]。

2)确定地形线。找出构建城市DEM的边界条件,并探讨不同类型的边界条件构建DEM所具有的不同规律。各种不同的地区,地形条件不同,生成城市DEM时也不能一概而论,而高程点的稀疏决定着DEM模型的精度,这就要求我们采用适合的插值算法模型来应对不用地区构建DEM模型的需要,建立与这个地区相适应的DEM模型尤其重要[5]。

边界条件一般是指城市中地理要素的实体边界或者是实体分界线,是用以区分一种地理要素跟其它地理要素的特征线或者特征面要素。例如:隔断线就是本文所要研究的边界条件的一种,用来表示特殊的地形分界线,或者用来创建一些地理要素比如沟渠道路等等。在构建TIN时,可以构成三角形的一个或多个侧面,从而形成一个不规则三角网。地形线也是其中的一种,它能够具体描述地形的高低变化,山脊线、山谷线、陡坎等都是其中的典型,是我们生成DEM非常重要类型的控制线。

本文要对地形图中包含的边界条件进行研究实验,通过实验得到它们在建立TIN时所产生的影响及作用,用于确定在建立城市DEM时如何使用边界条件来控制TIN的生成,从而得到与实际吻合的高精度DEM表面。

3)不同区块DEM构建方法研究。根据不同的地形线划定不同的区块,然后根据不同区块的不同特点构建TIN模型。

在建立TIN时,由于没有高程点的均匀分布,所以在生成的TIN中,表面是粗糙的、高低不平,不符合实际情况。为了建立高精度的城市DEM,我们需要大量的高程点,而测量得到的高程点的数目远远不足,所以本文研究如何加密高程点即增加高程点的数量。不同地区的地形特征,则根据实际地形采用与之类似的高程插值模型,来加密高程点,从而生成理想的数字高程模型[6]。

4)DEM应用分析。应用构建的城市DEM,进行水文分析中的洼地分析,针对暴雨天积水的问题,为解决城市排水问题提出一定的建议,对于城市中的重点区域,如立交桥等,提出构建TIN模型的方法。

建立高精度的城市DEM需要大量的高程点,我们测量的高程点远远不够,这就需要我们根据实际情况,来选择建立高程点加密模型,增加高程点的数量。

城市各个地理要素边界条件的确定,以及加密高程点方法的选择和生成TIN时隔断线的选择与应用。

建立高质量的DEM,就要从DEM生产过程中的误差入手,如何在生成DEM的过程中剔除误差,控制DEM的精度和质量,也是十分重要的事情。

2 DEM构建方法分析

目前,建立DEN数据的主要来源是,摄影测量与遥感、一般的地形图、地面测量和现有的数据等。无论我们使用什么样的方法来获得DEM数据,在采集的时候,应该记住,收集一些重要的地形特征点、地形特征线是数字高程模型质量的保证和控制DEM误差都是非常重要的措施。DEM的各种数据来源及特性对比,如表1。

表1 DEM各种采集方法及特性比较一览表

数字地形图将城市各类地理要素按照国家标准进行分类,成为了城市基础地理信息数据建库的主要数据来源,所以在进行DEM的构建时大比例尺地形图数据比较容易获得。

城市大比例尺数字地形图数据具有高精度的地形信息和相关高程信息,而且就目前而言,我国大部分的城市地区实际上已经具备,相对于其他数据源可以节省大量的人力和物力,而且数据精度高,所以本文采用的是大比例尺数字地形图数据来构建城市DEM。

在建立城市数字高程模型的过程中,考虑到各种地形边界线,如公路边、沟渠线、陡坎等地形特征线等一系列特殊意义地理要素线,可以在隔断线上进行高程点的加密,然后创建TIN模型来生成平滑的数字高程模型。当使用地形特征线,用于创建有限制条件的TIN时,必须使用三角剖分的约束。

城市是一个包含了丰富的信息的辖区,特别是地形地貌信息。我们基于城市基础地形数据构建DEM,可以从道路、水系、建筑物和其他地形几个主要方面进行。通过分别

建立道路DEM、水系DEM、建筑物DEM、其他地物DEM来组合生成我们所需要的城市DEM。如图1所示。

图1 城市DEM构成图

在城市数字高程模型的建设中,水系也很重要,也属于自然地理因素[7]。城市中的水系包括水库、池塘、河流等。建立水系TIN,必须考虑水系的边界条件,确定其插值方法。对于水系,我们又可以根据水涯线同海拔高度的关系分为,水涯线的高度随海拔变化而变化的水系和水涯线的高度基本一致[8]。前一种一般是河流,而后一种一般是水库、池塘等。

我们采用构建城市DEM的数据中,难免会有粗差。而粗差是一种错误,直接会影响我们要构建的DEM的精度,所以在处理数据之前要把它消除[9]。我们采用的方法是基于ArcScene软件的三维可视化剔除粗差。首先,将数据导入ArcScene软件中,然后生成模型,采用人机交互的方法观察模型,发现错误立即纠正,消除错误点,直到所有错误被消除为止。水系要素同道路要素一样,也是一个非常重要的自然地理要素,在城市来说,也是不可获取的组成部分。在城市中,水系主要包括城市河流,池塘,湖泊,水库等。对于水系,本文前面也提到过,水系根据水涯线分为两种,一种是水涯线高程随地形变化而变化的,另一种是水涯线高度几乎不变的。对于前一种情况,主要的水系是河流,沟渠等,而对于后一种情况,主要的水系是池塘,水库,湖泊等。所以在构建水系不规则三角网时,采用的方法也是不一样的。构建水系TIN模型的步骤如下。

1)区分不同的水系类型。根据水涯线的高程我们将水系分为两类,一类是高程几乎不变,我们视为高程一致,没有变化,一般为池塘,水库,湖泊等水涯线封闭的水系。一类高程随地形变化而变化,一般为河流,沟渠等。

2)边界条件的确定隔断线的选择。类似于道路TIN模型的构建,水系TIN模型的构建也需要确定出水系的边界条件,从而应用隔断线来进行生成TIN模型。

3)加密高程点。对于水涯线变化的水系,如河流,高程点的加密类似于道路高程点的加密。对于水涯线不变的水系,则需要借助于具有高度的隔断线,赋予水系一定的高程,其高度值参与到水系不规则三角网的构建当中。

4)构建水系TIN模型。同样利用ArcScene软件,对水系进行TIN模型的构建。在实际采集高程点的过程中,由于实际地形的影响,水系高程点的位置以及采集密度一般不会满足我们构网的需要,因此就需要人工干预来增加高程点的数量。对于水系上没有标注的高程点,我们可以根据周围环境及周围已知高程点,采用人工干预的方式来增加高程点。

高度变化的水系,经过人工加点后,如果仍然不满足构网需求的话,可以人工加完高程点后,采用道路高程点加密的方法来进行加密处理[9]。高程点加密完后,进行水系TIN模型的构建。对于高度变化的水系,边界条件的确定与道路相似,对于道路来说,边界条件就是道路边线,对于高度变化的水系来说,它的边界条件我们认定为控制其水面高度的水涯线,把水面与其它地理要素区别开来。而对于高度不变的水系如池塘、水库来说,它们的水涯线是不变的,其高程也是可以测量出来的,水系边界也是可以确定的,所以我们来确定一下对于高度不变的水系边界条件的确定及其隔断线的选择应用。

对于高度不变的水系,构建不规则三角网要比高度变化水系的简单的多,只要确定水涯线的高度即可。但是首先要确定其边界条件,看一下水涯线和边界线分别对其生成不规则三角网的影响。

高度不变水系的水涯线的高程与水涯线上高程点的高程有关,即水涯线上高程点的高程相同。分别用水涯线和水系边界线做隔断线[10],生成TIN,然后对比分析,确定高度不变水系的边界条件。

3 城市DEM的水文应用

近年来,社会的发展对自然环境造成了一定的承载压力,以至于各地的气象条件飘忽不定,连续性大范围降雨、城市的排水系统的更新不及时及老化使其无法应对突然增大的排水压力,致使大量城市积水无法排出、城区范围内地势低洼等问题往往导致城市发生内涝问题。

我们利用已经建立好的城市DEM,对DEM覆盖区域进行水文分析中的洼地分析,从而得出城市中的低洼地区,从而在强降雨及连续降雨的天气里,重点防护该地区,以及重点检查该地区的排水系统和排水设施。同时建立了城市DEM还有利于合理规划建筑用地,从根本上解决城区的积水问题。

利用城市DEM进行洼地分析的步骤如下。

1)水流方向的获取。DEM数据的本质是栅格数据,也就是说它是由许许多多的格网构成的。获取水流的方向就是判断水流在经过每个格网时它的流水方向,然后将每一个格网中流向组合起来,就得到了水流经过DEM时的方向。利用ArcMap中的ArcToolbox工具中的Spatial Analysis Tools工具箱中的Hydrology工具集。

2)洼地地区的提取。洼地地区顾名思义就是城市中相对于周围地区较为低洼的地区,同时也是积水的主要区域。通过上一部分水流方向的获取,从而依据水流的流向判断洼地区域。洼地地区有的是数据的误差造成的,所以我们要把这种洼地地区剔除,重点提取真实的洼地地区。通过Hydrology中的Sink,进行洼地的提取,

3)计算洼地贡献区域。通过Hydrology中的Watershed工具来生成洼地的贡献区域图。

4)洼地最低高程及洼地出水口高程的获取。

5)洼地区域深度的获取。在ArcMap中加载Spatial Analyst模块,使用Raster Calculator命令,从而得到洼地深度图。

6)洼地填充。通过洼地深度图,可以看出哪些是数据造成的误差,哪些是真实的地形,从而选择合适的阈值,完善城市DEM。

通过洼地分布图以及洼地深度图可以得知这一地区的洼地分布情况,同时也可以得出在强降雨天或者连续降雨天易造成城市内涝的地区。针对这一情况,还可以重点检查洼地分布地区的排水系统和排水设施,例如小区,城中村里的下水道,通过洼地分析,可以检验其是否合理,数量是否足够等。

同时以后我们在规划城市建筑用地及城区规划时,可以利用洼地分析图,对低洼地区可以建造公园、停车场,当暴雨袭来的时候,可以先把水汇集到这些地方,从而保证交通的正常运行,保证居民的日常生活。还可以在市区内,多建造绿地,发挥它们的储水、渗水功能,进行雨量的平衡,进而减轻城市内涝的危害。

4 结语

本文主要介绍了怎样构建带有边界条件的城市DEM,数据来源于某市的大比例尺数字地形图数据。在测绘技术日新月异的今天,利用先进仪器外业采集的高程数据,可以说精度质量高,误差小,利用意义极大。而且外业技术人员素质普遍提高,对于地形特征线,地形特征点等这类描述地形地貌的重点数据,会格外采集,都做了详细的测量,从而获得了大量的具有重要意义的高程点数据[11]。本文就是基于此,研究带有边界条件的城市DEM构建方法。

1)首先对于DEM的基础知识及理论做了详细的了解研究,同时对DEM的发展背景也充分掌握。对Delaunay三角网生成算法进行格外的分析研究,充分了解其含义、性质等,并要重点掌握带有约束线段的三角网生成方法。

2)对于水系,根据参考文献,本文将水系分为高度不变的水系和高度变化的水系。对于高度变化的水系,构建TIN模型的方法跟道路类似,如果高程点的数量不足,则也需要进行高程点的加密,可以采用人机结合的办法,判断周围地形地貌及高程点的高程,进行高程点加密赋值,如果仍不能满足要求,则可以采取跟道路一致的线性插值模型进行高程点加密,构建不规则三角形。对于高度不变的水系,本文探讨了水涯线还是水系边界线为其边界条件,以及它们对生成TIN模型的影响,通过对比分析,最终确定了水涯线为其边界条件,用水涯线上的高程点确定其高程,从而生成符合实际情况的TIN模型。

3)根据道路DEM,水系DEM,建筑物DEM的方法构建带有边界条件的城市DEM,并提出了DEM精度评定方法。

4)利用已经建成的城市DEM进行水文分析中的洼地积水分析并提出一定的解决城市内涝的意见及建议。

现代科技水平的进步,推动了地理信息科学的发展,更加拓宽了DEM在国民经济中的应用,例如在测量、建筑工程、地理、采矿、园林设计、城市规划、防汛、军事战场,航空航天等诸多领域。相信随着人类社会的发展,将来DEM将会更加受到人们的关注,应用范围更加宽广。

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