SRTM(1″)DEM在流域水文分析中的適用性研究

于海洋, 羅玲， 馬慧慧, 李輝

(1.河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，焦作 454000；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450045)

SRTM(1″)DEM在流域水文分析中的適用性研究

于海洋1,2, 羅玲1， 馬慧慧1, 李輝2

(1.河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，焦作 454000；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450045)

高精度的數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)是流域水文分析應(yīng)用的基礎(chǔ)。美國地質(zhì)調(diào)查局新發(fā)布了全球高分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其空間分辨率為1″(約為30 m)。為評價該數(shù)據(jù)在流域水文分析中的適用性，以鶴壁湯河流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，以機(jī)載LiDAR DEM數(shù)據(jù)為參考，統(tǒng)計(jì)了SRTM(1″)數(shù)據(jù)的高程誤差，分析了坡度、坡向、地表覆蓋等對誤差的影響； 在基于地形的水文分析中，統(tǒng)計(jì)分析了SRTM(1″)數(shù)據(jù)誤差對地形濕度指數(shù)、坡度坡長因子以及匯流動力指數(shù)等地形指數(shù)計(jì)算的影響； 最后選取流域匯水區(qū)面積、最長水流路徑長度、形狀系數(shù)、彎曲度系數(shù)等流域特征參數(shù)對兩種DEM數(shù)據(jù)提取結(jié)果進(jìn)行了對比。研究表明SRTM(1″) DEM數(shù)據(jù)具有較高的精度，原始數(shù)據(jù)均方根誤差為5.98 m，在消除平面位移誤差后減小為4.32 m。基于地形的水文分析表明SRTM DEM與LiDAR DEM計(jì)算結(jié)果具有一定的差異，地形濕度指數(shù)平均值略高，坡度坡長因子和匯流動力指數(shù)平均值偏低，離散度偏小，這與SRTM DEM在微地貌以及高坡度地形區(qū)存在失真相關(guān)。兩種DEM數(shù)據(jù)提取流域特征參數(shù)差異較小。上述研究表明SRTM DEM(1″)數(shù)據(jù)在流域水文分析中具有較大的應(yīng)用潛力。

SRTM； DEM； 水文分析； LiDAR； 地形濕度指數(shù)

0 引言

航天飛機(jī)雷達(dá)地形測量(shuttle radar topography mission，SRTM)計(jì)劃的目的是對收集到的全部數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，形成高精度的全球三維地圖。該數(shù)據(jù)在國土資源各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]。2014年9月24日美國地質(zhì)調(diào)查局開始陸續(xù)公開發(fā)布了SRTM(1 ″)全球高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)空間分辨率由原來的3″(約90 m)提升到1″(約30 m)，數(shù)據(jù)精度得到了大幅提升，為流域水文特征提取與分析應(yīng)用提供了新的數(shù)據(jù)源。為評價SRTM(1″)數(shù)據(jù)的精度以及在流域水文分析中的應(yīng)用潛力，本文以河南省鶴壁市湯河流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，以機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)，分析了SRTM(1″)數(shù)據(jù)的高程誤差以及坡度、坡向、地表覆蓋等對誤差的影響，同時在流域水文信息提取的基礎(chǔ)上，計(jì)算了3種基于地形的水文指數(shù)及部分流域特征參數(shù)，分析了SRTM(1″)數(shù)據(jù)誤差對水文信息提取的影響。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究選取河南省鶴壁市湯河上游流域作為研究對象。該流域位于鶴壁市鶴山區(qū)和山城區(qū)，屬海河流域衛(wèi)河上游水系，面積約 143 km2。研究區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜多樣，主要以低山丘陵為主，中下游分布河流沖積平地。土地覆蓋類型多樣，包括耕地、房屋建筑區(qū)、水體、草地、喬木林、灌木林、人工堆掘地等土地利用類型。復(fù)雜的地形和地表覆被有利于分析不同坡度、不同地表覆蓋下SRTM數(shù)據(jù)特征及水文分析應(yīng)用的影響。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

SRTM(1″)數(shù)據(jù)下載于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http: //earthexplorer.usgs.gov/)，原始數(shù)據(jù)為地理坐標(biāo)系，網(wǎng)格大小為1″，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將其重采樣為30 m空間分辨率(圖1(a))。機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)是采用Leica ALS50獲取的，數(shù)據(jù)獲取日期為2009年4月21日。首先去除數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)誤差和粗差點(diǎn)，通過點(diǎn)云濾波分類和插值建立數(shù)字地面模型DEM。點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取密度0.65 p/m2，垂直方向精度為0.15 m，水平方向精度為0.6 m。LiDAR生成DEM原始分辨率為2 m，為便于和SRTM(1″)數(shù)據(jù)對比分析，通過計(jì)算鄰域均值生成30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)(圖1(b))。由于SRTM DEM與LiDAR DEM數(shù)據(jù)獲取時間相差近10 a，期間地表人工堆掘地及建筑工地區(qū)域地形變化相對較大，所以將在地表覆蓋對SRTM誤差的影響中進(jìn)行分析，其他區(qū)域變化量與SRTM DEM誤差比較可以忽略。

地表覆蓋數(shù)據(jù)來源于地理國情監(jiān)測成果，選取其中的耕地、房屋建筑區(qū)、水體、草地、喬木林、灌木林、人工堆掘地等土地利用類型，進(jìn)行合并處理并轉(zhuǎn)換為30 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)，用于不同覆蓋類型下SRTM DEM精度評價。

2 研究方法

2.1 SRTM DEM 誤差分析

在SRTM DEM精度評價過程中，以機(jī)載LiDAR獲取DEM數(shù)據(jù)為準(zhǔn)確值，對研究區(qū)內(nèi)SRTM DEM所有柵格點(diǎn)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以保證誤差分析不受采樣點(diǎn)的影響。分別統(tǒng)計(jì)兩種DEM數(shù)據(jù)的最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及SRTM DEM相對于LiDAR DEM的均方根誤差(root mean square error，RMSE)，分析坡度、坡向以及不同地表覆蓋類型等對SRTM DEM數(shù)據(jù)誤差的影響。

2.2 地形水文分析

通過對地形濕度指數(shù)(topographic wetness index，TWI)、坡度坡長因子(length slope factor，LSF)、匯流動力指數(shù)(stream power index，SPI)等地形指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析SRTM DEM數(shù)據(jù)誤差對地形水文分析的不同影響。

2.2.1 地形濕度指數(shù)

地形濕度指數(shù)[5]是一種評價土壤水分空間分布的復(fù)合地形指數(shù)，首先應(yīng)用于Topmodel水文模型，能夠準(zhǔn)確刻畫地形對土壤水分飽和程度的影響，對于計(jì)算徑流飽和匯流面積具有重要意義，在土壤水分空間分布與徑流模擬研究中得到廣泛應(yīng)用。

地形濕度指數(shù)w可表示為匯水面積與局地坡度的比值的自然對數(shù)，即

w=ln(As/tanβ),

(1)

式中，As為單元柵格的匯水面積(m2·m-1)；β為局地坡度(°)。

2.2.2 坡度坡長因子

坡度坡長因子是經(jīng)驗(yàn)土壤侵蝕模型中表征地形對侵蝕影響的因子，用來估算徑流侵蝕潛力值，該因子以22.13 m坡長和5°坡度為參考,建立的計(jì)算公式[6]為

(2)

式中,n取值0.4，m取值1.3。

2.2.3 匯流動力指數(shù)

匯流動力指數(shù)[7]計(jì)算了徑流對沉積物運(yùn)移能力的空間分布。該參數(shù)適用于土壤流失評估，能夠更好的描述水流的聚合與輻散特征，即

SPI=ln(Astanβ)。

(3)

2.3 流域特征分析

在兩種DEM數(shù)據(jù)中，選取相同的流域出口位置，采用基于坡面流物理模擬分析的加權(quán)d8算法提取水系網(wǎng)絡(luò)及流域范圍[8]。選取流域匯水區(qū)面積、匯水區(qū)周長、最長水流路徑長度、流域長度(匯水區(qū)外接最長矩形邊長)、形狀系數(shù)(流域長度與匯水面積比值)、彎曲度系數(shù)(最長徑流長度與匯水面積比值)等流域特征參數(shù)對2種DEM數(shù)據(jù)提取結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3 結(jié)果與分析

3.1SRTMDEM精度分析

已知LiDAR數(shù)據(jù)具有較高的精度(垂直方向精度為0.15m，水平方向精度為0.6m)，因此以LiDARDEM為準(zhǔn)確值，對流域匯水區(qū)內(nèi)SRTMDEM所有柵格點(diǎn)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 LiDAR DEM與SRTM DEM數(shù)據(jù)高程及坡度統(tǒng)計(jì)

由表1可知，研究區(qū)SRTM DEM與LiDAR DEM的最大值和最小值接近，差值小于1.5 m； 均值相差2.32 m，標(biāo)準(zhǔn)差差值較小，說明SRTM DEM的精確度較高。坡度統(tǒng)計(jì)表明SRTM DEM在最大值、均值及標(biāo)準(zhǔn)差方面與LiDAR DEM對比均偏小，差值較大，說明SRTM DEM對于坡度較大的地形有一定的失真。從暈渲圖(圖1)對比來看，在SRTM DEM數(shù)據(jù)中存在一定的噪聲，對于地形細(xì)節(jié)信息表達(dá)不如LiDAR DEM更清晰。

研究發(fā)現(xiàn)SRTM DEM與LiDAR DEM在X，Y方向存在明顯的錯位，通過定位地形特征點(diǎn)計(jì)算可知X，Y方向位移分別為-48.28 m和38.36 m。表2為原始SRTM DEM與消除X，Y方向位移誤差后RMSE統(tǒng)計(jì)對比，其誤差最大值、均值以及RMSE值均相應(yīng)減小。SRTM DEM誤差分布直方圖(圖2)中也可以發(fā)現(xiàn)在消除平面誤差后，高程誤差在0值附近像元數(shù)量增加，誤差分布范圍變小。

表2 SRTM DEM與LiDAR DEM 對比誤差統(tǒng)計(jì)

圖2 SRTM DEM誤差分布直方圖

圖3為消除X，Y方向位移誤差前后SRTM DEM誤差(ESRTM-ELiDAR)空間分布，圖中藍(lán)色表示誤差為負(fù)值，紅色表示誤差為正值，從圖中可以明顯看出原始SRTM數(shù)據(jù)誤差分布與坡向明顯相關(guān)。圖4(a)誤差分布與坡度相關(guān)性分析也證明了這一點(diǎn)，對誤差均值和RMSE按照8個坡向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，可以看出原始數(shù)據(jù)誤差均值與坡向具有明顯的相關(guān)性，在西北方向表現(xiàn)為負(fù)值，在東南方向則相反，平面誤差消除后其誤差均值分布與坡向的相關(guān)性明顯減弱(圖3(b)、圖4(b))。

(a) 原始SRTM DEM誤差 (b) 消除X，Y方向位移后誤差

(a) 原始SRTM數(shù)據(jù) (b) X，Y方向偏移消除后

對不同坡度SRTM DEM誤差均值和RMSE按照11個等級進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(圖5)，結(jié)果顯示誤差均值隨坡度增加逐漸減小，坡度較大時出現(xiàn)負(fù)值，表明SRTM DEM數(shù)據(jù)在坡度較大區(qū)域高程值偏小； 誤差標(biāo)準(zhǔn)差和RMSE統(tǒng)計(jì)值隨坡度增大而增大，說明SRTM DEM數(shù)據(jù)誤差在坡度較大區(qū)域偏大，這與其他相關(guān)研究結(jié)果較為一致。

圖5 不同坡度SRTM DEM RMSE變化

選取地理國情監(jiān)測成果中的耕地、房屋建筑區(qū)、水體、草地、喬木林、灌木林、人工堆掘地等土地利用類型，分別統(tǒng)計(jì)不同地表覆蓋類型誤差值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。其中耕地RMSE最小，房屋建筑區(qū)、草地、喬木林較小，其他從小到大依次為水體、灌木林、人工堆掘地及建筑工地等。耕地、房屋建筑區(qū)、草地區(qū)域地勢平坦，RMSE較小。該區(qū)域喬木林主要分布在河道兩側(cè)的平地中，其RMSE也較小，而灌木林主要分布在坡度較大的山區(qū)，誤差大，這說明SRTM數(shù)據(jù)中覆蓋植被高度對誤差的影響遠(yuǎn)小于坡度的影響。水體誤差主要由于水位季節(jié)變化的影響。由于SRTM數(shù)據(jù)與LiDAR數(shù)據(jù)獲取時間間隔接近10 a，人工堆掘地及建筑工地等區(qū)域由于人為擾動影響，地形差異較大。

圖6 不同地表覆蓋SRTM DEM RMSE變化

3.2 地形水文分析

計(jì)算TWI，LSF，SPI等基于地形的水文指數(shù)，以評價SRTM DEM誤差對水文分析的潛在影響。這些復(fù)合地形指數(shù)具有明確的水文意義，在Topmodel等水文模擬模型或水土流失評價作為重要參數(shù)應(yīng)用廣泛。上述地形水文指數(shù)最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)信息見表3。

表3 地形水文指數(shù)統(tǒng)計(jì)

坡面水流的運(yùn)動受到地形的控制，因此TWI與土壤濕度的空間分布、徑流匯水面積以及土壤侵蝕潛力等密切相關(guān)。統(tǒng)計(jì)值表明SRTM DEM獲取TWI值分布區(qū)間及標(biāo)準(zhǔn)差小于LiDAR DEM，均值略大于LiDAR DEM。在LiDAR DEM與SRTM DEM提取TWI直方圖(圖7)中可以看到SRTM提取TWI在峰值位置更加集中，離散度小，在低值區(qū)和高值區(qū)分布頻率低于LiDAR DEM，說明SRTM DEM與同分辨率的LiDAR DEM比較，在地形細(xì)節(jié)變化方面表現(xiàn)略差，整體獲取地形濕度值略高。

圖7 LiDAR DEM與SRTM DEM提取TWI直方圖曲線

LSF統(tǒng)計(jì)值表明SRTM DEM最大值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差均明顯小于LiDAR DEM，累積分布曲線(圖8)顯示SRTM DEM提取LSF值離散度小于LiDAR DEM，分布偏向低值區(qū)，表明SRTM DEM提取LSF參數(shù)描述土壤侵蝕潛力值小于LiDAR DEM，原因與SRTM DEM坡度值偏小相關(guān)。

圖8 LiDAR與SRTM DEM提取LSF累積分布曲線

SPI是對徑流沉積物運(yùn)移能力的空間描述，SRTM DEM計(jì)算結(jié)果均值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)差均小于LiDAR計(jì)算結(jié)果。直方圖顯示SRTM DEM計(jì)算值在峰值位置更加集中，累積分布曲線(圖9)略偏向低值區(qū)，說明SRTM DEM計(jì)算SPI與LSF近似，對徑流沉積物運(yùn)移能力的描述要小于LiDAR DEM，但差異較小。

圖9 LiDAR與SRTM DEM提取SPI累積分布曲線

3.3 流域特征分析

在2種數(shù)據(jù)流域水文分析過程中采用了相同的算法和參數(shù)，提取結(jié)果顯示2種DEM數(shù)據(jù)提取結(jié)果較為接近，提取流域范圍及水系網(wǎng)絡(luò)差別較小。流域部分特征參數(shù)如表4所示，統(tǒng)計(jì)表明2種數(shù)據(jù)獲取流域特征參數(shù)差異較小，顯示了SRTM DEM數(shù)據(jù)的水文分析應(yīng)用的潛力。但SRTM DEM提取各個參數(shù)均略小于LiDAR DEM，尤其是最長水流路徑差異明顯，與LiDAR數(shù)據(jù)中地形更加詳盡、微地貌信息更為豐富有關(guān)。

表4 流域特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

1)本文以河南省鶴壁市湯河上游流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，以機(jī)載LiDAR DEM數(shù)據(jù)為參考，對SRTM DEM (1″)數(shù)據(jù)的精度以及在流域水文特征提取分析中應(yīng)用的潛力進(jìn)行了評價。研究表明SRTM DEM (1″)數(shù)據(jù)具有較高的精度，原始數(shù)據(jù)RMSE為5.98 m，在消除平面系統(tǒng)位移誤差后減小為4.32 m。

2)原始數(shù)據(jù)誤差與坡向高相關(guān)性與存在平面系統(tǒng)位移誤差有關(guān)，在消除平面系統(tǒng)位移誤差后，誤差與坡向相關(guān)性減小。SRTM DEM與坡度存在較高的相關(guān)性，坡度越大，誤差越大。地表覆蓋對SRTM誤差的影響與地形相關(guān)，分布在地形平坦區(qū)的耕地、草地等類型誤差小，灌木林等分布在坡度較大的山區(qū)，誤差較大。

3)基于地形的水文分析表明,SRTM DEM與LiDAR DEM計(jì)算結(jié)果具有一定的差異，SRTM DEM與同分辨率的LiDAR DEM比較， TWI平均值略高，SPI與LSF較小，離散度偏小，這與SRTM DEM在微地貌以及高坡度地形區(qū)存在失真有關(guān)。兩種DEM數(shù)據(jù)提取流域面積、長度、形狀系數(shù)、彎曲度系數(shù)等特征參數(shù)差異較小。上述研究表明SRTM DEM(1″)具有較高的水文分析應(yīng)用潛力。

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(責(zé)任編輯： 李瑜)

Application appraisal in catchment hydrological analysis based on SRTM 1 Arc-Second DEM

YU Haiyang1,2, LUO Ling1, MA Huihui1, LI Hui2

(1.KeyLaboratoryofMineSpatialInformationTechnologiesofNASG,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China；2.YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.Zhengzhou450045,China)

High-precision DEM data constitute the basis of watershed hydrology analysis. SRTM 1 Arc-Second Global elevation data, released by US Geological Survey, offer worldwide coverage data at a resolution of 1″ (30 m). In order to evaluate and analyze the potential watershed hydrologic applications of SRTM, the authors used Tanghe watershed in Hebi as the experimental area and airborne LiDAR DEM data as a reference to assess vertical accuracy of SRTM (1″) data and the impact of slope, aspect, land cover on errors of SRTM (1″). Hydrologic indexes based on the terrain, such as Topographic Wetness Index (TWI), Length Slope Factor (LSF) and Stream Power Index (SPI)，were computed for analysis. Finally the basin’s characteristic parameters, such as catchment basin area, longest path length, shape factor, curvature coefficient, were extracted from the two DEM data and the results were compared. Studies show that SRTM (1″) DEM data have high precision, the RMSE of the original data is 5.98 m, and the RMSE of the data with the elimination of the plane displacement is reduced to 4.32 m. Hydrological analysis shows that SRTM DEM and LiDAR DEM produce some different results: the average of TWI of SRTM is slightly higher, the average of SLF and SPI is lower and the dispersion degree is smaller. This is associated with the terrain distortion of SRTM DEM in micro-topography and high slope area. The basin parameters extracted from both of the DEM data have smaller differences, which shows that SRTM DEM (1″) has wide application prospects in hydrologic analysis.

SRTM； DEM； hydrologic analysis； LiDAR； topographic wetness index

10.6046/gtzyyg.2017.02.20

于海洋，羅玲，馬慧慧，等.SRTM(1″)DEM在流域水文分析中的適用性研究[J].國土資源遙感，2017，29(2)：138-143.(Yu H Y,Luo L，Ma H H,et al.Application appraisal in catchment hydrological analysis based on SRTM 1 Arc-Second DEM[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(2)：138-143.)

2015-10-13；

2015-11-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號： U1304402)、衛(wèi)星測繪技術(shù)與應(yīng)用國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(編號： KLAMTA-201405)及河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號： 14IRTSTHN026)共同資助。

于海洋(1978-)，男，博士，主要從事遙感與GIS地學(xué)應(yīng)用方面的研究。E-mail: 458722328@qq.com。

TP 79

A

1001-070X(2017)02-0138-06