基于实景三维模型的
分区分块高精度DEM建模方法

研究背景与创新

数字高程模型(DEM)是地表形态的数字表达,在城市规划、气候韧性提升、空间治理及智能化管理中具有核心作用。传统DEM构建方法在处理复杂城市地物遮挡和动态变化方面存在效率低、后处理复杂或时效性差等问题。

本文提出一种"分区分块"的高精度DEM建模方法,通过深度学习进行地表功能分区,针对不同地物类型采用差异化建模策略,有效解决多地物混合区的高程突变与细节保真问题。

核心流程四阶段

1

数据预处理

利用大疆智模(DJI Terra)平台,通过自适应算法和阈值设置,自动剔除道路上的车辆、行人及悬浮杂物。

2

地表功能分区

采用CoANet提取道路骨架,使用DeepLabV3进行地物分割,划分为建筑、裸露地、草地、林地、水体五大典型分区。

3

差异化建模

针对不同地物类型采用专门的建模策略,如林地采用融合算法恢复林下地形,建筑采用极值识别整体降高。

4

区域DEM融合

以道路DEM为基准框架,在各地块交界处设置1m缓冲区作为过渡带,采用不同融合策略确保平滑过渡。

五大典型分区

建/构筑物区

结构高差显著,边界清晰。采用极值识别整体降高法,将建筑物表层点云整体降低至邻近地面点高度,针对遮蔽区进行高程点加密补全。

裸露地区

包含道路、广场、操场,高程平缓连续,是城市骨架。采用平均统计降高法,针对道路两侧行道树点云进行高程统一降低处理,消除植被干扰。

草地与低矮植被区

地形起伏微小,地面点分布均匀。采用区域增长算法,关键参数:网格边长10,生长半径5,生长阈值0.15,能有效保留微洼、边缘沉降等自然起伏特征。

林地区

高大乔木覆盖,地表隐蔽,需恢复林下地形。融合"改进局部最大值算法"与"邻域均值降高算法",将植被点高程赋值为邻域地面点的高程均值,平滑灌木引起的凸点。

水体区

河流、湖泊等,表面平整,边界明确。采用水涯线均值法,提取带有高程信息的水涯线,取其平均值作为水域基底面高程,确保水面平整。

深度学习应用

CoANet网络

道路骨架提取专用网络

基于上下文信息融合与边缘增强机制,能精准识别复杂背景下的道路边界,确保道路区域的连贯性。

DeepLabV3模型

其他地物分割网络

利用空洞空间卷积池化(ASPP)模块,在多感受野下提取语义信息,适用于形态多样的城市地物。

地物分割精度:IoU达到82%,F1分数达到89%,各类区块边界清晰,空间分布关系表达准确。

建模精度评估

道路区域精度对比

本文方法

RMSE: 0.117 m
MAE: 0.089 m
Bias: 0.078 m

IDW插值

RMSE: 0.269 m
MAE: 0.205 m
Bias: 0.180 m

精度较传统IDW提升了56.5%,有效消除了行道树引起的高程抬高

林地区域精度对比

本文方法

RMSE: 0.842 m
MAE: 0.673 m
Bias: 0.532 m

改进最大值法

RMSE: 1.301 m
MAE: 1.050 m
Bias: 0.930 m

精度提升53.1%,通过半变异函数分析,本文方法能有效削弱林下噪声,更逼近真实地表

区域DEM融合策略

以道路DEM为基准框架,在各地块交界处设置1m缓冲区作为过渡带,根据不同边界类型采用差异化融合策略:

缓变边界

裸露地与建筑/草地交界:采用均值融合,确保平滑过渡。

林区交界

林区与道路交界:采用加权融合,平衡地形起伏。

水体边界

水体边界:选取最小值融合,缓解岸线异常。

桥梁遮蔽区

桥梁遮蔽区:选取最大值融合,恢复过渡区高程。

研究价值与展望

方法创新

提出"分区分块"的差异化建模策略,针对不同地物类型采用专门的处理方法,有效解决了多地物混合区的高程突变与细节保真问题。

技术突破

融合深度学习与传统测绘技术,实现了地表功能分区的自动化,大幅降低了人工干预,提升了建模效率和精度。

应用价值

可直接应用于城市规划、洪涝模拟、地质灾害评估等领域,为实景三维中国建设提供高精度、高保真的DEM产品。

未来方向

可拓展至更复杂的地形环境,结合时序遥感数据实现DEM的动态更新,推动数字孪生城市和智慧城市建设。