基于城市規(guī)劃的數(shù)字地形模型及應(yīng)用

王輝，周建康，李建

(鄭州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州 450052)

基于城市規(guī)劃的數(shù)字地形模型及應(yīng)用

王輝?，周建康，李建

(鄭州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州 450052)

分析了數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)獲取的方法，探討并解決了AutoCAD環(huán)境下基于數(shù)字地形圖的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)獲取自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題；并詳細(xì)分析了數(shù)字地形模型在城市規(guī)劃領(lǐng)域的具體應(yīng)用和前景。

數(shù)字地形模型；數(shù)字高程模型；城市規(guī)劃；AutoCAD；數(shù)字地形圖

1 引 言

近幾年來(lái)，城市建設(shè)突飛猛進(jìn)。對(duì)城市規(guī)劃部門(mén)而言，也提出了更新更高的要求。隨著信息技術(shù)尤其是GIS技術(shù)的發(fā)展，各種新方法和新理念不斷融入城市規(guī)劃領(lǐng)域，如何利用新技術(shù)、新方法為城市規(guī)劃建設(shè)服務(wù)，成為城市規(guī)劃部門(mén)面臨的新課題。而數(shù)字地形模型作為近年來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，正為城市規(guī)劃建設(shè)的多個(gè)方面提供它特有的服務(wù)。

地形是指地球表面形態(tài)，是巖石圈在地球內(nèi)外引力的綜合作用下，形成的各種各樣的地表形態(tài)。城市的結(jié)構(gòu)和空間形態(tài)通常是由地形決定的，地形條件在某種程度上影響著城市的進(jìn)一步擴(kuò)展。地形分析在城市規(guī)劃的不同時(shí)期不同深度中都有非常廣泛的應(yīng)用，從宏觀尺度的城市選址、城市布局、功能區(qū)組織到微觀尺度的道路管網(wǎng)、景觀組織無(wú)一不受地形的影響。

2 數(shù)字地形模型與數(shù)字高程模型

數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時(shí)稱(chēng)為數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。在地理信息系統(tǒng)中，DEM是建立DTM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其他的地形要素均可由DEM直接或間接導(dǎo)出，如坡度和坡向。從數(shù)學(xué)的角度，高程模型是高程Z關(guān)于平面坐標(biāo)X，Y兩個(gè)自變量的連續(xù)函數(shù)，數(shù)字高程模型只是它的一個(gè)有限的離散表示。高程模型最常見(jiàn)的表達(dá)是相對(duì)于海平面的海拔高度，是某個(gè)參考平面的相對(duì)高度，所以從這一角度來(lái)講，高程模型又叫地形模型。在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中數(shù)字地形模型和數(shù)字高程模型經(jīng)常不作區(qū)分地使用。

3 數(shù)字高程模型的建立

3.1 數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)獲取方法

目前，用于建立數(shù)字高程模型的成熟軟件很多，而DEM數(shù)據(jù)的獲取是影響DEM生成和應(yīng)用的重要因素。DEM數(shù)據(jù)獲取的方法包括野外測(cè)量，從已有的數(shù)字地形圖、航空影像或遙感圖像上采集、激光掃描及干涉雷達(dá)等。方法的選用取決于源數(shù)據(jù)獲得的可行性、DEM的分辨率、精度要求、數(shù)據(jù)量大小、技術(shù)條件、建設(shè)成本和建設(shè)周期等。

由于城市規(guī)劃行業(yè)對(duì)數(shù)字高程模型的建立要求效率高、周期短、精度高、范圍大及具有一定周期的更新能力，同時(shí)結(jié)合我國(guó)很多相關(guān)行業(yè)存在大面積現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的數(shù)字地形圖的現(xiàn)狀，利用數(shù)字地形圖中的高程信息建立數(shù)字高程模型是當(dāng)前的首選方法，其能以較低的成本、快速、大范圍地獲取具有較高精度的DEM數(shù)據(jù)。

3.2 基于AutoCAD數(shù)字地形圖的DEM的建立

AutoCAD在我國(guó)城市規(guī)劃、測(cè)繪等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，很多城市的數(shù)字地形圖都是基于AutoCAD格式存在和應(yīng)用。因此，數(shù)字高程模型的建立及應(yīng)用關(guān)鍵要解決的是基于AutoCAD數(shù)字地形圖的高程數(shù)據(jù)的獲取。

數(shù)字地形圖中高程信息一般都包含在高程點(diǎn)及等高線(xiàn)中，等高線(xiàn)數(shù)據(jù)多數(shù)由于遵循傳統(tǒng)地圖制圖標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)破碎且不完整，失去了其本身的一些特征，目前還沒(méi)有一個(gè)真正意義上的基于矢量數(shù)據(jù)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)等高線(xiàn)與高程注記匹配的成熟算法。而將等高線(xiàn)還原并逐一對(duì)其賦予高程屬性的處理極其費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此這里利用程序采用交互式的方法實(shí)現(xiàn)等高線(xiàn)與高程注記的匹配，并自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)等高線(xiàn)的離散化處理。主要過(guò)程為:遍歷等高線(xiàn)，程序提示輸入等高線(xiàn)的高程，然后根據(jù)地形圖數(shù)據(jù)精度或所要制作的DEM精度需要確定一定的步長(zhǎng)，將此等高線(xiàn)按步長(zhǎng)均分，輸出均分點(diǎn)處的平面坐標(biāo)及高程信息，循環(huán)完成所有等高線(xiàn)的高程賦值和離散化處理。

在傳統(tǒng)AutoCAD數(shù)字地形圖中高程點(diǎn)的高程信息一般都是以地圖注記的形式表示，并沒(méi)有以屬性形式存儲(chǔ)在高程點(diǎn)上，而且高程注記與高程點(diǎn)沒(méi)有任何聯(lián)系，只是從視覺(jué)表達(dá)上離其最近。AutoCAD注記的定位點(diǎn)一般都是統(tǒng)一位于注記的左下角，但注記可能出現(xiàn)在高程點(diǎn)的任意位置，且在AutoCAD中注記以單點(diǎn)形式存在，這就導(dǎo)致很難自動(dòng)實(shí)現(xiàn)高程點(diǎn)與高程注記的自動(dòng)匹配，一般都采用手工或半手工來(lái)實(shí)現(xiàn)高程屬性信息的采集，這極大影響了生產(chǎn)效率及DEM在城市規(guī)劃上的應(yīng)用。我們通過(guò)分析AutoCAD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與功能，結(jié)合高程注記與高程的特征，利用VBA語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)功能，基于拓?fù)淅碚?，在Auto-CAD環(huán)境中完全自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)了高程點(diǎn)與高程注記的匹配。程序?qū)崿F(xiàn)的流程圖如圖1所示。

圖1 AutoCAD中基于拓?fù)潢P(guān)系的高程屬性自動(dòng)賦值程序流程圖

該算法的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)如下:

(1)為了準(zhǔn)確獲得圖面視覺(jué)效果上離高程點(diǎn)最近的高程注記，用注記的最小外接矩形來(lái)替代注記參與相關(guān)運(yùn)算；

(2)在遍歷高程點(diǎn)創(chuàng)建緩沖圓時(shí)，圓半徑的選擇必須合適，過(guò)大則搜索到的矩形過(guò)多，影響運(yùn)算效率，過(guò)小則導(dǎo)致搜索到的矩形為0；因此應(yīng)以圖面上高程點(diǎn)與高程注記的距離(該距離根據(jù)比例尺的不同國(guó)家圖式有相關(guān)規(guī)定)為基礎(chǔ)，適當(dāng)增大該距離作為緩沖半徑，確保搜索的有效性與效率；

(3)當(dāng)搜索到的矩形數(shù)量大于1(一般都為1)，需要判斷得到離高程點(diǎn)最近的矩形，該矩形的高程值即為搜索高程點(diǎn)的高程值；由于AutoCAD中提供了多邊形并集運(yùn)算方法，因此這里計(jì)算緩沖圓與矩形并集后的面積，面積越小，則表示該矩形離高程點(diǎn)最近。

在鄭州市數(shù)字高程模型的建立中，采用以上算法快速、高效、準(zhǔn)確、完整地實(shí)現(xiàn)了高程信息的獲取。在得到高程點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，直接導(dǎo)入到支持離散點(diǎn)建立數(shù)字高程模型的軟件中即可輕松建立高質(zhì)量的數(shù)字高程模型。本文DEM的建立及后文的分析應(yīng)用都在ArcGIS中實(shí)現(xiàn)。

4 面向城市規(guī)劃的數(shù)字地形模型應(yīng)用

面向城市規(guī)劃的數(shù)字地形模型的應(yīng)用實(shí)質(zhì)就是結(jié)合規(guī)劃專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)和需求，對(duì)DEM的應(yīng)用范圍進(jìn)行拓展和延伸。從地形分析的復(fù)雜性角度，可以將數(shù)字地形模型應(yīng)用分為兩類(lèi):一類(lèi)是基于基本地形因子(包括坡度、坡向等)的分析與應(yīng)用；另一類(lèi)是基于基本地形因子延伸出的其他地形分析與應(yīng)用，如土方量分析、通視分析、地形特征提取等。這些應(yīng)用都通過(guò)對(duì)DEM進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.1 高程分析及應(yīng)用

在城市規(guī)劃地形分析中，高程是一個(gè)重要影響因素。我國(guó)是多山的國(guó)家，地勢(shì)的高低起伏、山脈走向、河流切割以及坡度、坡向等都直接影響到城市擴(kuò)展的平面結(jié)構(gòu)和空間布局形態(tài)。

傳統(tǒng)的高程分析方法，一般是由人眼根據(jù)等高線(xiàn)的變化手工繪制不同的高程分帶，并用不同的顏色表達(dá)。這種方法繪制的地形高程分帶平面圖既缺少形象直觀性與整體性，又不能準(zhǔn)確表達(dá)地形的結(jié)構(gòu)和細(xì)部特征，如山脊線(xiàn)、谷底線(xiàn)、斷裂線(xiàn)、沖溝、陡坎等。利用數(shù)字地形模型進(jìn)行高程分析時(shí)，應(yīng)用一定的陰影或色彩可以分別表達(dá)三維地形表面的高程變化及地形結(jié)構(gòu)的細(xì)部特征，方便直觀地表達(dá)整體的地形特征，為城市確定規(guī)劃區(qū)域發(fā)展方向和空間布局形態(tài)提供直觀的判斷依據(jù)。在具體應(yīng)用時(shí)，既可以直接應(yīng)用DEM或者疊加相關(guān)規(guī)劃方案進(jìn)行地形的定性分析，還可以在Arc-GIS的空間分析模塊中實(shí)現(xiàn)基于DEM的諸如高程分級(jí)與分布統(tǒng)計(jì)等定量分析，充分考慮地形因素對(duì)城市建設(shè)的影響和制約，提高規(guī)劃的合理性和科學(xué)性。

4.2 坡度分析及應(yīng)用

坡度分析是城市規(guī)劃地形分析中非常重要和必不可少的一項(xiàng)工作。就城市建筑工程經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，影響最廣的是地面坡度。例如，在平地要求有不小于0.3°的坡度，以利于地面水的排除和匯聚。基于DEM的坡度分析一般以斜坡坡度為基準(zhǔn)，用不同的色調(diào)表示不同的坡度，如深色調(diào)一般代表較大的坡度，而淺色調(diào)則代表較緩的坡度。通過(guò)對(duì)不同坡度范圍的地區(qū)進(jìn)行分類(lèi)分析和統(tǒng)計(jì)，可以定量地給出各類(lèi)用地的實(shí)際情況，從而為規(guī)劃提供一定的數(shù)據(jù)支持，為城市景觀分析、規(guī)劃選址、用地適宜性分析等提供輔助決策支持。

ArcGIS中生成的坡度結(jié)果有兩種形式，一種是度，另一種是百分比。其根據(jù)以下公式得出相關(guān)坡度信息及坡度分析圖。

(rise表示高度增加，run表示橫向距離)

在《鄭州沿黃文化旅游生態(tài)產(chǎn)業(yè)帶戰(zhàn)略規(guī)劃》中，地形以黃河灘濕地為主，其他主要為基本農(nóng)田，東部為平原區(qū)，西部大部分處在丘陵區(qū)，滎陽(yáng)市和鞏義市個(gè)別地段處于低山區(qū)。在ArcGIS中，結(jié)合坡度分析圖，根據(jù)建設(shè)用地和生態(tài)等方面的要求將土地按坡度劃分適宜性等級(jí)；結(jié)合鄭州市沿黃地區(qū)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃中用地分布情況及地貌高程情況，將土地按高程劃分適宜性等級(jí)；再與水文氣象、工程地質(zhì)、自然保護(hù)區(qū)、土地利用現(xiàn)狀、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)等因子共同疊加計(jì)算，得到鄭州市沿黃地區(qū)綜合生態(tài)適宜性分級(jí)圖，以此作為評(píng)價(jià)鄭州市沿黃地區(qū)發(fā)展規(guī)劃用地布局的依據(jù)之一。

4.3 坡向分析及應(yīng)用

對(duì)于特定的地區(qū)，坡向?qū)τ谝?guī)劃甚至建筑本身來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。它關(guān)系到采光、風(fēng)向等各方面的因素。坡向的考慮，可以使我們避免曝曬、狂風(fēng)，又可以合理地進(jìn)行采光，提高規(guī)劃的合理性和宜居性。

數(shù)字地形模型的坡度分析是將地面坡度的朝向用不同色調(diào)或顏色表示，可將坡度的朝向分為平坦、東、西、南、北或平坦、東、西、南、北、東北、西北、東南、西南等不同等級(jí)。在ArcGIS中基于DEM生成坡度分析圖，直觀反映分析區(qū)域的坡度整體情況及分布統(tǒng)計(jì)情況。數(shù)字地形模型的坡度分析結(jié)果在微觀上可以為控制性詳細(xì)規(guī)劃階段確定規(guī)劃地塊的控制指標(biāo)提供依據(jù)，宏觀上可以在城市總體規(guī)劃中為城市建設(shè)用地布局提供參考。

4.4 地形延伸分析及應(yīng)用

結(jié)合其他有關(guān)資料，數(shù)字地形模型還可以進(jìn)一步進(jìn)行基于基本地形因子的延伸分析和應(yīng)用。延伸的地形分析一般主要包括地形量算、土方量分析、地形剖面分析、通視分析、光照分析、流域網(wǎng)絡(luò)與地形特征提取、海潮淹沒(méi)分析、海陸變遷分析等，可以根據(jù)具體需求制作出不同的專(zhuān)題圖和分析統(tǒng)計(jì)圖，作為城市規(guī)劃的各項(xiàng)背景分析和決策的參考依據(jù)，同時(shí)在分析圖上疊加不同的規(guī)劃方案后，還可以進(jìn)行規(guī)劃方案的比較分析。

這些地形延伸分析應(yīng)用由于采用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)特別復(fù)雜或繁瑣，可視化及分析效果也不好，因此在城市規(guī)劃的地形分析中很多都忽略或者簡(jiǎn)單地以現(xiàn)場(chǎng)勘查的方式替代。而DEM數(shù)據(jù)含有豐富的地形和水文等信息，通過(guò)構(gòu)建DEM數(shù)據(jù)，利用GIS軟件的相關(guān)分析功能，結(jié)合規(guī)劃行業(yè)的專(zhuān)題信息，即可快速地實(shí)現(xiàn)大部分的分析應(yīng)用。這既可以讓規(guī)劃設(shè)計(jì)人員忽略這些分析的復(fù)雜原理，專(zhuān)注于分析結(jié)果的應(yīng)用，又可以提高規(guī)劃的科學(xué)性和可行性。如在《鄭東新區(qū)龍湖地區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃》項(xiàng)目中，利用ArcGIS提供的空間分析模塊的Zonal工具分析計(jì)算出規(guī)劃區(qū)域的平均高程，結(jié)合考慮實(shí)際建設(shè)的各種要求，既可為相關(guān)規(guī)劃項(xiàng)目標(biāo)定最終的高程，然后根據(jù)規(guī)劃后的建筑物、公路等標(biāo)高構(gòu)建DEM圖，分析不同位置不同樓層的可視區(qū)，以此判斷規(guī)劃的合理性以及規(guī)劃后不同區(qū)位的景觀效果，還可以使用ArcGIS提供的Cut/Fill工具得到規(guī)劃區(qū)域挖填方的可視化效果及挖填方量的計(jì)算。

數(shù)字地形模型的相關(guān)延伸分析在城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)上還可以應(yīng)用于適宜性分析、生態(tài)敏感性分析、生態(tài)適宜度評(píng)價(jià)分析、規(guī)劃設(shè)計(jì)方案比較分析、土地現(xiàn)狀分析、洪水險(xiǎn)情預(yù)報(bào)、地表統(tǒng)計(jì)分析，并為景觀圖像模擬模型和景觀處理提供數(shù)據(jù)等方面，但目前這些延伸分析應(yīng)用一般都還停留在數(shù)據(jù)的層面，鮮有比較深入的定量化分析。

5 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字地形模型作為數(shù)字形式描述地表形態(tài)的工具，是數(shù)字城市空間信息的基礎(chǔ)，數(shù)字地形模型的建立在城市規(guī)劃、城市設(shè)施數(shù)字化、城鎮(zhèn)景觀設(shè)計(jì)和虛擬現(xiàn)實(shí)等方面將有很大的應(yīng)用前景。但怎樣提高數(shù)字地形模型的精度、數(shù)據(jù)應(yīng)用效益和空間數(shù)據(jù)增值，推動(dòng)其在城市規(guī)劃行業(yè)應(yīng)用的深度和廣度，促進(jìn)城市規(guī)劃信息化進(jìn)程，是今后相關(guān)行業(yè)共同面對(duì)的問(wèn)題，需要進(jìn)一步的探索與實(shí)踐。

[1]李志林，朱慶.數(shù)字高程模型[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2001

[2]張帆，鄭立楷，盧擇臨等.AutoCAD VBA二次開(kāi)發(fā)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006

[3]李德華.城市規(guī)劃原理(第三版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001

[4]陳杰，劉松林，張強(qiáng)等.基于AutoCAD數(shù)據(jù)構(gòu)建DEM的應(yīng)用研究[J].遙感信息，2006，1:53～55

Digital Terrain Model and Application Based on Urban Planning

Wang Hui，Zhou JianKang，Li Jian
(Zhengzhou Urban Planning Design＆Surveying Research Institute，Zhengzhou 450052，China)

The methods of data acquisition are analyzed for digital elevation model.The problem about automated acquisition of digital elevation model data is discussed and solved based on digital topographic map in AutoCAD.At the same time the specific applications and prospects of digital elevation model in the field of urban planning are discussed in detail.

digital terrain model；digital elevation model；urban planning；AutoCAD；digital topographic map

1672－8262(2010)03－13－03

P208

B

2009—11—05

王輝(1974—)，女，工程師，主要從事地圖制圖與城市地理信息系統(tǒng)建設(shè)工作。