DEM简单应用
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数字高程模型定义及应用
城乡规划专业
黄鑫楠
2012013312
数字高程模型定义：
高程用来描述地表的起伏状态，传统的高程是等高线。其意义是在二维的
地理空间上的连续曲面函数。当此高程用计算机来表达，称为数字高程模型。
三方面要素：计算机容量，模拟的数据，模型化表达。
数字高程模型（
DEM
）是对地理空间上，具
有连续变化特征地理现象通过有限的
地形高程数据实现对地形曲线的数字化模拟，即模型
化表达和过程模拟。
狭义：区域地表海拔高程的数字化表达<
/p>
(
强调地表）
广义：是地理空间中的地理形象海拔高度的数字化表达（如海底
DEM
< br>，大气等压
面
DEM
）
DEM
在城市规划中的主要应用
:
如何利用新技术、新方法为城市规划建设服务，正成为
城市规划部
门面临的新课题。
而
DEM
作为近年来的一项新技术，
正为城市
规划建设的多个方
面提供它特有的服务。以下以南京市为例：
(1)DEM
在南京市
l
：
10 000
IKONOS
正射影像制作中的应用
随着近几年来城市建设范围的不断扩张，
原有的基础地理信息资源已远不能满足
南京城市发展的迫切需要，
特别在无图区、
少图
区、
基础地理信息动态更新较慢
地区的需求尤为迫切。为满足这
方面的需求’从
2004
年开始，南京市规划局每
两年订购
l m
分辨率
IK
ONOS
卫星影像
(
单片
)
资料，并制作
l
：
10 000IKONOS
正
射影像数据库以
满足社会各方面的需要。在此制作过程中，
DEM
是正射影像的
制
作过程中必须使用的重要数据，
它的作用是通过对影像的重新
采样、
微分纠正的
方法来消除数字影像图由于地形起伏而带来的
垂直投影差，
从而使之成为正射影
像。
这种单片微分纠正的方法具有节约成本、
简单可靠的优点。
南京
市市域范围
属于丘陵地貌，
主城周边地区影像图的地形起伏相对
较大，
所以
DEM
在正射影像
加工的过程中起到了重要作用。
(2)DEM
在城市三维辅助审批中的应用
目前，规划部门的审批主要依赖于平面图，审批结果也是基于二维平面的。
但随着三维虚拟软件技术的不断发展，运用
DEM
、
DLG
、
DOM
数据，在一定的软件
环境下简单、快速地构建小范围内的城市三维景观，目前来说已不
是一件难事，
正因为如此，
城市三维辅助审批正成为南京市规划
管理中的新手段，
正在逐步推
广，并在部分案例中做了尝试，取
得了比较好的效果。
建立城市三维审批模型，
南京市规划局目前使用的软件平台有：
AutoCAD
、
ArcGIS
、
GeoStar
。主要步骤如下：
(1)
数据准备：该区域的
5
m
×
5
m<
/p>
的
DEM
数据、
IKONOS
正射影像、高质量的
DLG
地形图数据。
(2)
将该区域
IKONOS
正射影像数据作为贴面叠加于
DEM
三维模型之上。
(3)
通过该区域的
DLG
矢量数据，在
DEM
三维模型上叠加现状建筑。
(4)
再根据规划方案叠加规划建筑模型。通过以上方法，规划管理者在审批
过程
中可以从任意角度审视审批结果的空间尺度，
甚至可以自己
动手进行规划中建筑
的“修改”
，达到与周边环境的和谐境界，
为规划审批提供重要的参考
依据，并可以做到审批结果迅速反馈建设单位。
目前我们的主要应用集中在两方面：
①大型项目的选址、
用地阶段的审批；
②多
种建筑设计方案的对比审批。
在建筑设计方案审批中，
三维效果图可以在同一空
间中直接感受老建筑、规划建筑的整体
效果，
直接体验方案建成后空间多视角的视觉
感受，
便于领导审核，
方案公示时
将更
贴近群众，
提升政府形象。
例如在南京鼓楼区某地块建筑方案审
批中，
建设
单位共报批建筑高度分别为“
15
m
”
、
“
18
m
”
、
“
24
m
”
、
“
30
m
”的
4
种建设方案，
在原先的规划设计要点中要求
“规划建筑的檐口高度不得超过南侧现状
7
层住宅
楼的檐口高度”
，此建筑所在位置地形高低起伏，单纯依靠二维平面图，经办人
员很难用数据来说明
，通过建立
4
种建筑的三维模拟图，并定点、定高、定角度
形成效果图，以此作为审批的重要依据，并最终确立了建筑高度为“
24
m
”的审
批方案。另外，运用这
种方法构建城市三维虽然不如其他方
法精细，但这种方法低成
本、数据量小、简单快捷，特别是对规划管理者而言，
简单易学，发现不足时可以便捷<
/p>
(3)DEM
在南京市高层建筑统计中
的应用
随着市政府对南京老
城的保护力度的加大，如何体现南京市六朝古都的风
韵、
保护老
城的原有格局和建筑风貌、
实现城市高层建筑的合理布局，
是最
近几
年规划部门的重点工作之一。
要做好这项工作，
首先要做好高层建筑物的分布与
统计工作，
而
DEM
与
GIS
数
据相结合的应用方式，
极大地提高了这项基础工作的
工作效率。
目前，
南京市基础地理信息库中的建筑物要求描述其名称、
门牌号码、
层数、结构、用途等，对
6
层及以上、或
18 m
高度以上的建筑还要
求描述建筑
物顶部高程。由于建筑物只要求描述“高程”
，考虑
到现在建筑物
35
m
及以上归
为高程建筑，而且每栋建筑的层高不同
(
有的
框架结构可能会达到
4
．
5
—
5 m
一
层
)
，我们只能通过房屋高程和查询它的地面高程来计算建筑物高度，没有房
屋
高程的建筑物则通过它的层数
(
按照
3 m
一层
)
来计算它的整个建筑物高度。可行的计算建筑物高度的方法主要有以下两
种：
(1)
编写
ArcG
IS
二次开发程序，通过一定的搜索半径进行空间查询得到地面高
程，再由建筑物顶部高程与地面高程相减得到建筑物高度。
(2)
编写
ArcGIS
二次开发程序
，采用
DEM
叠加分析的方法计算得到。
第一种方法计算运算运行工作量大，且容易导致粗差
，所以我们运用了第二
种计算方法，它运行速度快，特别是对于大面积的
GIS
数据运算效果更为明显，
而对于
5
m
格网精度的
DEM
，其计算后的建筑物高度已能满足需求，且很少有粗
差产生。图
2
为程序运行界面；图
< br>3
为程序运行后得到的结果，
3
个字段的意义及计算方法分别为：
(1)
建筑物高程：由于
6
层以下建筑物没有建筑物顶部高程，其
高程值通过
DEM
数据及其层数计算得到。
(2)
建筑物高度：对
6
层及以上、或
18
m
高度以上的建筑物通过建筑物顶部高程
与
DEM
叠加分析的计算得到；其他建筑物通过楼层数与层高相乘得到。
(3)
建筑物面积：通过建筑物平面集合面积与层数相乘得到。
城市三维浏览
利用
DEM
和卫星正射影像库可以实现
大场景的三维影像快速浏览。该系统
充分利用
IKONOS
卫星影像数据、
DEM
以及整个南京市域内
建筑物的
DLG
数据，
把三类数据进行
叠加揉和形成系统自身的数据模型，
DEM
在最底层
该系统能满足对某块区域二维视角或者三维视角的直观感知，由于
DEM
的叠加，
我们能够真实感知南京的地貌
起伏，
通过沿预设路径、
预设高度的三维浏览，
可
以体验观看到沿路径两边建筑物三维模型的真实感觉，
对规划中建筑物的高度控
制和道路退让等都有着非常重要的意义。
通常，等高线是描述地貌最常用的方法，但由于传
统地形图所表达的等高线只是地貌的二维表达，缺乏
立体感，并非所有的读者都能读出它所描述的真实地
表形态。所以，考虑到人们判读的视觉感受，我们合理
利用了
DEM
制作明暗等高线的方法，制作了
一幅能形
象反映南京市域地貌特征的地貌图
:
(1)
通过
DEM
提取等高线。
(2)
通过
DEM
提取坡向。
(3)
< br>依据坡向，按照受光部分、背光部分
(
将其二值化
)
与等高线叠加并分类。
(4)
符号化生成等高线。
(5)
叠加分级符号化的
DEM
。
城市数字高程模型的应用：
城市数字高程模型
(Urban Digital
Elevation Model
，
Urban DEM)
，是描
述城市地表特征的空间起伏变化的数字表示形式。数字高程模
型
(Digital
Elevation Model DE
M)
在地理科学领域运用得已经相当广泛和成功，基于
DEM<
/p>
的特征定量化分析，
在山地、
丘陵地区都
有一套成熟的指标体系和方法，
如坡度、
剖面曲率、地形起伏度
、地表粗糙度等等，所形成的数字地形分析方法，从不同
层次和尺度上刻画了自然地表的
特征和空间分异规律
(
汤国安等，
20
05)
。
山地、
丘陵是连续起伏的表面，
但是在城市区域，
城市建筑实体所
构成的是非连
续表面，
即具有突变性质，
需要新的方法从多个方面去表达这样一个突变的表面，
并对其进行分析，
提炼城市三维形态在空间上的分布总体趋势或宏观特征。
Urban
DEM
虽然不能够表示出城市建筑上的细节信息，但是能够展示出城市
的总体面
貌。
建筑是城市构成中最重要的因素，
也是占城市组成要素中数量最多的一个因
素，对城市总体面貌的塑造起着至关重
要的作用。此外，
Weber(2001)
指出建筑
物的形状、大小、数量、排列等信息都与其社会经济功能相对应，且影响着城市
的局地环境、气候。当前对
Urban
DEM
的构建、显示技术等方面的研究，已经产
生诸多的成果。此外，
Urban
DEM
还运用在城市设计方面，图像
处理方法、句法
分析、
CA
等方法的引
入，从定量的角度研究城市环境与城市形态的联系。在此
研究过程中，
< br>Urban DEM
在城市设计、城市规划方面的研究得到了强化。
数字高
程模型在在地理科学领域运用的已经相当广泛和成功，
但是运用到
城市区域的研究却刚刚展开。对于城市环境和建筑设计方面的运用较多，
Paul(1
997)
，
Lindberg(2007)
利用
Urban
DEM
分析城市
地貌，计算对城市热量吸
收和辐射有重要影响的因子——地面视角因子，
进而研究城市建筑的排布方式对
城市气候的影响；
Ra
tti(2004)
基于
Urban DEM
< br>提出了计算太阳辐射的算法，将
其运用于城市设计中最佳设计方案的确定。
Ratti
et
a1
．
(1999)
基于
Urban
DEM
模
拟
城市污染物的物理扩散过程、风流动及噪声传播，控制城市的发展方向。
Rattiet
a1
．
(2001)
提出了计算建筑间
的可达性，从而辅助车站选址。
Ratti(2004)
，
Lindberg(2007)
运用句法分析的方法，
计算出城市地面可视因子，
用于分析城市的构形特征
(configurational characteristics)
，此外还计算
出
其他的特征，如两点间可视的平均距离、可视的最远距离等
(
Batty
，
1999)
。
Ratti(2004)
基于
UrbanDEM<
/p>
，
利用
NIH
图
像处理软件对城市建筑形态进行统计分
析，包括城市纹理方向性、城市粗糙度、城市可视
分析等等。以上研究尚处于初
始探阶段，并未得到广泛的应用。
存在的问题
纵观国内外有关城市形态
的研究内容与动态，
能够明显的发现，
前人对城市形态
的概念、
城市形态的量化和城市形态的总体分布模式作了大量的研究，<
/p>
取得了丰
富的成果。
此外，
随着
“数字区域”
、
“数字
城市”
等概念和技术应用领域的兴起，
越来越多的城市建立了相
应的
Urban
DEM
，
对
Urban
DEM
的
研究已成为一个热点，
内容涉及
Urban
< br>DEM
的概念、构建以及在城市设计等领域的应用。总结以上研究