DSM在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用研究

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

數(shù)字表面模型（DSM，Digital Surface Model）作為一種重要的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，能反映城市中地形、地物構(gòu)成的地表信息。由于其獲取效率高、數(shù)據(jù)精度高、處理自動化等特點，DSM可以廣泛用于濕地保護[1]、變化檢測、違章建筑監(jiān)管等領(lǐng)域，能夠為地理國情監(jiān)測提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障和技術(shù)支持[2]。將DSM技術(shù)應(yīng)用于上海市工業(yè)園區(qū)土地績效評估工作中，可以對各工業(yè)園區(qū)的開工率、綜合容積率和已批項目的建設(shè)狀態(tài)等評價指標(biāo)進行快速計算和評估，不僅為工業(yè)用地相關(guān)政策制定提供了參考依據(jù)，同時也為工業(yè)園區(qū)擴區(qū)升級提供了依據(jù)。研究成果已經(jīng)與上海市規(guī)劃和國土資源管理局的管理平臺系統(tǒng)成功對接，為政府部門決策提供了可靠的技術(shù)保障。筆者對以上內(nèi)容進行了詳細(xì)闡述，并對后續(xù)DSM在地理國情監(jiān)測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用進行了展望。

1 DSM與地理國情監(jiān)測

1.1 DSM發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字地表模型（DSM），是指包含了地表建筑物、橋梁和樹木等要素的地表高程模型，原始DSM通過大量懸浮在空中的三維離散點云數(shù)據(jù)表現(xiàn)。DSM能形象地反映地表的高度和結(jié)構(gòu)，即城市的三維模型，是城市的重要地理信息之一[3]。DSM的描述方式有三種，分別是三維點云、三維地表模型和二維灰度圖（如圖1所示）。這三種描述方式通過對DSM數(shù)據(jù)的直觀表達來形象表現(xiàn)地表結(jié)構(gòu)和形狀。

圖1 DSM的三種表現(xiàn)方式

DSM作為一種高效便捷處理分析手段，在美國、日本和歐洲等國家，正在逐步服務(wù)于各行業(yè)領(lǐng)域[4]。例如日本利用DSM自動提取客觀的房屋變化情況，縮短了房屋變化判讀人為作業(yè)時間；同時由于DSM數(shù)據(jù)精度高，提高了房屋變化提取的精度，從而直接提高了政府部門的稅收收入。又如日本利用DSM進行違章建筑調(diào)查，自動提取新建筑物，對照建筑施工許可書，把無建筑許可的新建筑物或超過規(guī)定高度的建筑物自動進行提取，客觀上提供了有力的執(zhí)法依據(jù)。

相比美國、日本和歐洲的許多發(fā)達國家，我國在DSM生產(chǎn)方面還處于技術(shù)引進階段，并沒有投入大規(guī)模生產(chǎn)，同時DSM的生產(chǎn)流程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有待確定，另外我國DSM應(yīng)用也處于起步階段。

1.2 DSM特點

隨著DSM在獲取和應(yīng)用等方面的飛速發(fā)展，DSM技術(shù)具有以下特點：

1.2.1 獲取效率高 無論是數(shù)字?jǐn)z影測量方法還是機載LiDAR方法，DSM的數(shù)據(jù)處理效率都非常高，采用數(shù)字?jǐn)z影測量法，處理1 000 km2航空影像，獲取DSM數(shù)據(jù)用時一周。

1.2.2 處理自動化 DSM數(shù)據(jù)去噪、格式轉(zhuǎn)換、變化檢測等處理過程都是自動化完成，不需要人工干預(yù)。

1.2.3 定量分析 在實際應(yīng)用中，DSM不僅可以完成定性分析，由于DSM具有高精度的坐標(biāo)，還可以進行定量分析。

1.2.4 三維分析 傳統(tǒng)影像解譯方法只有平面信息，沒有高程信息，不能監(jiān)測高度發(fā)生的變化，而DSM具有高精度的三維坐標(biāo)，可以進行第三維高度方面的變化檢測，有效彌補了影像解譯方面的不足。

正是由于DSM上述特點，DSM可以作為一種有效的技術(shù)手段，為地理國情監(jiān)測提供動態(tài)、高效和便捷的技術(shù)支持。

1.3 地理國情監(jiān)測

地理國情是國土面積、地形地貌、道路交通、土地利用、地表覆蓋、城市布局與發(fā)展等自然和人文地理的宏觀性、整體性、綜合性的體現(xiàn)，它信息涵蓋面廣、綜合性強，不僅能夠客觀、準(zhǔn)確地反映地表和地理特征，而且還能夠反映地表變化情況及其相互關(guān)系，成為制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略與發(fā)展規(guī)劃、調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)布局、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式、應(yīng)對突發(fā)公共事件等管理決策工作的重要基礎(chǔ)[5]。地理國情監(jiān)測任務(wù)具有以下特點：

（1）動態(tài)性。地理國情是隨時發(fā)生變化的，地理國情監(jiān)測工作必須隨著地理國情的變化不斷進行，因此監(jiān)測任務(wù)的重點是地理國情變化的范圍和程度[6]。DSM反映了地表的幾何信息，利用不同時期的DSM數(shù)據(jù)比較不僅可以動態(tài)發(fā)現(xiàn)變化，而且可以定量變化程度。

（2）適應(yīng)性。從根本上講，監(jiān)測地理國情就是對特定情況下地理信息的及時準(zhǔn)確的采集和提供[5]。由于DSM數(shù)據(jù)獲取高效性和處理自動化，可以為國情監(jiān)測提供及時準(zhǔn)確的地表信息。

（3）統(tǒng)一性。監(jiān)測地理國情的目的，主要是通過現(xiàn)時與過去的比對，判斷各類自然和人文地理要素變化的程度，客觀評估利弊，充分揭示經(jīng)濟社會發(fā)展和自然資源環(huán)境的空間分布規(guī)律，為各級政府決策提供可靠依據(jù)[6]。DSM結(jié)合遙感影像和二維矢量等多源數(shù)據(jù)，可以為地理國情監(jiān)測提供統(tǒng)一的、完整的技術(shù)支撐[7]。

2 DSM生產(chǎn)與管理體系建立

為了使DSM服務(wù)于地理國情監(jiān)測形成長效機制，必須建立完善的DSM生產(chǎn)和管理體系，包括生產(chǎn)方式選擇、生產(chǎn)軟件選型、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定、DSM數(shù)據(jù)庫建設(shè)等。

2.1 DSM生產(chǎn)方法研究

隨著數(shù)字航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展和計算機運行速度的加快，美國、日本和許多歐洲的發(fā)達國家已經(jīng)開始大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用DSM。目前，獲取DSM的方式有兩種：一種是機載激光雷達技術(shù)，該技術(shù)是一項集多種尖端技術(shù)于一身的空間測量系統(tǒng)，從飛機上的激光掃描儀發(fā)射激光束，通過高速激光掃描，可以得到被測物體表面的三維坐標(biāo)點，對三維坐標(biāo)點進行預(yù)處理后，就可以得到DSM數(shù)據(jù)；另一種是數(shù)字?jǐn)z影測量方法，利用現(xiàn)代航空攝影測量原理，通過復(fù)雜的計算可以得到DSM數(shù)據(jù)，DSM的精度和分辨率與影像數(shù)據(jù)分辨率和重疊度及航飛質(zhì)量有很大關(guān)系。隨著計算機運行速度大幅提高、影像匹配算法不斷完善，近年來利用數(shù)字?jǐn)z影測量原理生成DSM的方法逐漸應(yīng)用起來。綜合考慮性價比及充分利用現(xiàn)有影像資源等因素，選擇數(shù)字?jǐn)z影測量作為DSM數(shù)據(jù)生產(chǎn)方法，經(jīng)過近一年多的生產(chǎn)實踐和研究探索，形成了規(guī)?；?、常態(tài)化的DSM生產(chǎn)流程。

2.2 DSM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范研究

為了進一步規(guī)范DSM的生產(chǎn)流程，確保DSM的生產(chǎn)質(zhì)量，在DSM生產(chǎn)中需要比較完善的DSM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)范和指導(dǎo)。由于我國在DSM生產(chǎn)方面還處于技術(shù)引進階段，并沒有投入大規(guī)模生產(chǎn)，相關(guān)DSM的生產(chǎn)流程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也沒有確定。經(jīng)過一年多DSM生產(chǎn)的技術(shù)積累和經(jīng)驗總結(jié)，從應(yīng)用需求出發(fā)，在DSM精度要求、格式要求、數(shù)據(jù)內(nèi)容要求、作業(yè)方法和檢查方法等多方面制定了一系列DSM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

2.3 DSM數(shù)據(jù)組織與管理方法研究

DSM數(shù)據(jù)量非常巨大，格網(wǎng)間距0.25 m的全上海市區(qū)域DSM數(shù)據(jù)量為400G，這樣逐年累計的DSM數(shù)據(jù)量是相當(dāng)可觀的。這么龐大的數(shù)據(jù)，考慮到以后的管理及維護更新，必須采取有效手段進行組織和管理[8]?？紤]到DSM數(shù)據(jù)特點，將DSM按年份和圖幅用數(shù)據(jù)庫的方式進行了有效管理，并研制了DSM數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)完成了DSM數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫、按圖幅檢索查詢提取、按空間位置檢索查詢提取、維護更新、歷史數(shù)據(jù)管理等功能。

通過以上的研究和實踐，形成了完善統(tǒng)一的DSM數(shù)據(jù)生產(chǎn)和管理體系，使得DSM能夠為地理國情監(jiān)測提供長期穩(wěn)定的技術(shù)支持。

3 DSM變化檢測技術(shù)

DSM能反映出城市三維幾何信息，從而可以利用不同時相的DSM數(shù)據(jù)差分檢測，求取城市在幾何特征方面發(fā)生的變化。在差值DSM上，對其進行二值化處理等基本的圖像處理手段，可以獲取在差值DSM上的待選變化區(qū)域，并將差值按照新增和拆除進行分類，DSM變化檢測結(jié)果如圖2所示，圖中左側(cè)圖斑表示新增區(qū)域，右側(cè)圖斑表示刪除區(qū)域，以上方法稱為DSM變化檢測技術(shù)。利用DSM變化檢測技術(shù)不僅可以快速定位城市高度變化區(qū)域，而且可以發(fā)現(xiàn)變化量值，尤其對于城市、工業(yè)園區(qū)等大范圍區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測，更能充分體現(xiàn)其高效、快速、低成本等特點，大量減少了人工實地監(jiān)測的工作量。基于變化檢測技術(shù)，研究DSM自動差值算法和批處理工具，以便方便快捷實現(xiàn)任意區(qū)域和任意時間段的DSM變化檢測。

圖2 DSM變化檢測結(jié)果

4 應(yīng)用案例與展望

4.1 上海市工業(yè)園區(qū)土地利用績效評估案例

上海市規(guī)劃和國土資源管理局每年都要對上海市工業(yè)園區(qū)進行土地利用績效評估工作，評估內(nèi)容包括土地利用程度、土地利用強度、用地結(jié)構(gòu)狀況等[9-10]，評估結(jié)果作為政府決策部門制定相關(guān)工業(yè)用地政策的參考依據(jù)，有時也作為開發(fā)區(qū)向國家申請擴區(qū)升級的依據(jù)[11]。DSM數(shù)據(jù)作為工業(yè)用地績效評價的一種嶄新的和重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由于其采集自動化程度高、數(shù)據(jù)精度高、處理效率高等特點，已經(jīng)于2012年初步應(yīng)用于上海市工業(yè)用地績效評價工作，為上海市動態(tài)監(jiān)測工業(yè)用地利用情況和土地績效評估工作提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障和技術(shù)支持[12]。

課題組獲取了上海市104塊產(chǎn)業(yè)園區(qū)范圍內(nèi)DSM數(shù)據(jù)，時間段分別為2008年初和2012年初，基于這兩個時間段數(shù)據(jù)，進行了變化檢測分析，檢測精度有兩份，分別為：變化高度大于3 m，變化面積大于100 m2；變化高度大于3 m，變化面積大于1 000 m2。從而得到了兩套DSM變化檢測成果數(shù)據(jù)?；贒SM變化檢測成果，結(jié)合土地績效評估宗地數(shù)據(jù)和合同數(shù)據(jù)，完成了以下工作：

（1）在特定工業(yè)區(qū)塊的工業(yè)地塊（評價單元）評價地圖上，將2008年以來的新增工業(yè)宗地疊加DSM變化檢測成果數(shù)據(jù)，計算2012年來新供工業(yè)項目的開工比率。如圖3所示，為上海市青浦工業(yè)園區(qū)某地塊，利用DSM變化檢測結(jié)果，計算該地塊的開工率為62.7%。

（2）利用DSM變化檢測成果數(shù)據(jù)和DSM原始數(shù)據(jù)，結(jié)合土地供地合同及宗地數(shù)據(jù)，判讀已批已供工業(yè)用地的待建、已建、在建狀態(tài)。如圖4所示，為上海市青浦工業(yè)園區(qū)內(nèi)重點產(chǎn)業(yè)項目建成狀態(tài)的判斷情況，利用供地合同和DSM原始數(shù)據(jù)，可以判斷重點產(chǎn)業(yè)項目目前是否是凈地，如果是凈地，判斷狀態(tài)為未建；否則根據(jù)宗地數(shù)據(jù)和DSM變化檢測成果數(shù)據(jù)區(qū)分是在建狀態(tài)還是已建狀態(tài)。

在工業(yè)園區(qū)土地績效評估中引入DSM技術(shù)支持，大大提高了評估效率，減少了實地調(diào)查的人工工作量，為政府決策部門提供了可靠的評估成果。

圖3 工業(yè)區(qū)塊開工率

圖4 工業(yè)區(qū)塊建成狀態(tài)

4.2 展望

在工業(yè)園區(qū)土地績效評估應(yīng)用中，DSM特點鮮明，成為土地績效評估中一種有效的技術(shù)手段。如果再結(jié)合影像解譯技術(shù)，去除DSM變化檢測成果中的噪聲，確定DSM變化檢測圖斑性質(zhì)，將能更好地服務(wù)于工業(yè)園區(qū)土地績效評估工作，以下是對影像解譯與DSM結(jié)合應(yīng)用的一些展望：（1）利用影像解譯技術(shù)，結(jié)合DSM數(shù)據(jù)源，提取建筑物信息，從而可以測算工業(yè)園區(qū)綜合容積率。（2）利用影像解譯技術(shù)，結(jié)合DSM變化檢測成果，輔以產(chǎn)業(yè)區(qū)塊控制線、工業(yè)地塊評價單元本底圖、土地儲備等圖層進行分析，測算土地儲備情況及近期潛力評估。（3）利用影像解譯技術(shù)，結(jié)合DSM變化檢測成果，輔以產(chǎn)業(yè)區(qū)塊控制線、工業(yè)地塊評價單元本底圖等圖層進行分析，測算存量工業(yè)用地二次開發(fā)情況。

5 結(jié)語

數(shù)字航空攝影測量技術(shù)的飛速發(fā)展，地理國情監(jiān)測對動態(tài)、高效、自動化數(shù)據(jù)和技術(shù)的迫切需求，讓DSM在地理國情監(jiān)測領(lǐng)域有了廣泛的施展空間。建立了完整的DSM生產(chǎn)和管理體系，在此基礎(chǔ)上，將DSM應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)土地績效評估工作中，為政府部門決策提供了可靠的評估成果。對在地理國情監(jiān)測領(lǐng)域廣泛深入應(yīng)用DSM具有非常重要的現(xiàn)實意義。