SRTM與ASTER GDEM數據比較
——以淮河上游地區為例

□王 歡 潘衛東 李賀麗

（1河南省駐馬店水文水資源勘測局；2河南省信陽水文水資源勘測局）

SRTM與ASTER GDEM數據比較
——以淮河上游地區為例

□王 歡1潘衛東2李賀麗1

（1河南省駐馬店水文水資源勘測局；2河南省信陽水文水資源勘測局）

SRTM3和ASTER GDEM是目前為止應用最為普遍的數字高程模型，由于其成像方式和自身分辨率的不同，會使這兩種數據產生一定差異。在淮河上游地區展開實驗，把基于1∶50000萬比例尺的兩個DEM數據相比較，分別比較這兩種數據在水平位置偏移、高程、坡度、坡向上的差異。結果表明：等高線與河谷都有著明顯的偏移； SRTM3與ASTER GDEM數據之間的高程差距在平原地區并不大，而在山區，兩者高程差距非常大；SRTM3的坡度相對較為平緩，坡度的大小相對較為集中；ASTER GDEM的坡度相對比較陡峭，坡度大小分布較為分散，SRTM3的坡向分布較為分散，ASTER GDEM的坡向相對而言比較集中。關鍵詞：SRTM；ASTER GDEM；數字高程模型

1 引言

1.1 研究背景及意義

SRTM是由美國太空總署（NASA）、美國國防部國家測繪局（NIMA）、德國與意大利航天機構共同協作所共同完成聯合測量，由美國發射的“奮進”號航天飛機上搭載SRTM系統完成。SRTM對北緯60°～南緯56°之間的陸地進行了測量，這次的任務測量了地球80%的陸地。其按分辨率可分為SRTM1（約30m）和SRTM3（約90m）兩種，其中SRTM1數據只能在美國本土獲取，而SRTM3數據全球可免費獲取。于2009由美國NASA發布的ASTER GDEM數據，其全球分辨率為30 m。ASTER GDEM數據覆蓋了地球北緯83°～南緯83°之間的所有陸地區域，這個范圍基本覆蓋了地球陸地表面的99%。對比可以看出，ASTER GDEM數據的空間分辨率有了非常大的提高，并且其地面覆蓋范圍也得到了很大的擴展。

1.2 研究現狀

ASTER GDEM發布后，一些前輩對ASTER GDEM數據與SRTM3數據在各個方面分別進行了比較分析，南希、李愛農等通過實驗研究得到了SRTM3因為受到分辨率的限制，其山谷線形態丟失了細節信息而走向平直，因而沒有ASTER GDEM數據所表現出的山谷形態準確豐富的結論。吳建強等在玲瓏山及其周邊地區建立了研究區域，研究分析得出結論：DEM空間分辨率越大，該數據所能表現出的地貌細節越豐富，所以在其實驗區中，SRTM3數據的高程精度并沒有ASTER GDEM數據的高程精度表現效果好。

作為可以免費獲取的高分辨率DEM，ASTER GDEM與SRTM這兩種數據在地學研究中具有重要的意義。但是，由于其成像方式與自身分辨率的不同，會使這兩種DEM數據的高程值產生一定的差異。隨著科學技術的發展以及人們生活、生產、研究中對DEM數據要求的不斷提高，如何選擇適合自身研究的DEM數據成為研究的首要問題，本文以淮河上游地區為例將SRTM數據與ASTER GDEM數據在水平方向、豎直方向、坡度、坡向等方面進行比較，進一步促進兩種DEM數據在地學分析中的應用，也加深大家對兩種數據的了解，從而在數據選擇中，做出更好的判斷。

2 研究區域與數據

2.1 研究區域概況

淮河歷史悠久，是我國的七大古河流之一，坐落于中國東部。淮河的發源地在河南省南陽市，其干流經過河南、安徽、江蘇3個省。淮河全長為10 000 km總落差達到了200 m，通常被分為上游、中游、下游3個部分。

文章采用淮河上游（淮河發源地到王家壩一段）為研究區域（圖1），介于30°N～35°N，112°E～117°E之間。處于中國東部的中國七大古河流之一的淮河，其上游長度為360 km，是全長的3.60%，而其地面落差卻達到了178 m，相比較而言，淮河上游為淮河三個部分中落差最大的一部分，淮河流域的面積為3.06萬km2。淮河上游的水系發達，支流很多，而其兩岸的山丘綿延。在其流域中，大別山的白馬尖海拔1 774 m和天堂寨海拔1 729 m最高，而大別山以東地區的地勢明顯降低，崗丘連綿。

圖1 淮河上游邊界圖

2.2 數據對比分析與數據來源

實驗采用SRTM3數據與ASTER GDEM數據以及淮河上游的矢量圖。SRTM數據生成的基本原理是：合成孔徑雷達衛星對同一地區進行兩次合成孔徑雷達成像，對兩幅圖像中的相位進行干涉處理，得到它們的干涉圖像，再從干涉圖像中的相位信息獲取地形高程數據，由于同時采集數據的兩個天線安裝在航天飛機上，圖像配準和基線精度大幅度提高。它的數據高程基準是EGM96，平面基準是WGS84。本文選用版本為2的SRTM3數據，該數據從空間地理數據云（http：//www.gscloud.cn/）獲取。此版本數據包含有的數據空洞。本次研究采用2個文件。

ASTER GDEM是使用全自動化的方法對150萬景的ASTER存檔數據進行處理生成的，其中包括通過立體相關生成的1264118個基于獨立場景的ASTERDEM數據，再通過去云處理，消去多余的異常值，取平均值，并將其作為ASTER GDEM對應區域的像素值，改正剩下的異常數據，再按1°×1°分片，生成全球ASTER GDEM數據。目前ASTER GDEM數據的版本為第1版本（ASTER GDEM V1），分辨率約為30 m。與SRTM數據一樣，ASTER GDEM的高程基準是EGM96，平面基準是WGS84。據ASTER GDEM發布方稱，95%置信度下ASTER GDEM垂直精度為20 m，水平精度為30 m。此次研究共采用了8個ASTER GDEM文件。該數據從空間地理數據云（http：//www.gscloud.cn/）獲取。

Landsat8衛星于2013年2月11日被美國太空總署（NASA）成功發射上天。該衛星上攜帶兩個主要載荷：OLI（陸地影像儀）和IRS（熱紅外傳感器）。OLI獨立成像儀包含9個波段，可以組成更多的RGB方案，空間分辨率為30 m，其中包括一個15 m的全色波段，成像寬幅為185 km×185 km。本次實驗運用了四幅Landsat8衛星影像數據。本次實驗所使用的ASTER GDEM數據、SRTM3數據和Landsat8數據都來自于地理空間數據云。

矢量數據是在直角坐標系中，用X、Y坐標表示地圖圖形或地理實體的位置數據。矢量數據通常用記錄坐標的方法來盡可能將某個物體的空間位置表現的毫無偏差。本次實驗所采用的矢量圖是淮河上游面狀矢量圖。該矢量圖由指導老師提供。

2.3 研究方法

基于ArcGIS平臺，先對ASTER GDEM數據和SRTM3數據分別進行鑲嵌處理。接著，用淮河上游矢量圖分別對兩個DEM數據進行裁剪。裁剪后的ASTER GDEM數據分辨率仍為30 m，而SRTM3數據的分辨率為90 m，為了方便對其比較，將裁剪后的ASTER GDEM通過求取相鄰9個柵格單元的高程值的平均值進行重采樣，把它的分辨率轉變為90 m，與SRTM3數據的分辨率保持一致。

基于ENVI平臺，分別將landsat8四幅圖像的2～8波段進行融合，并將融合后的四幅圖像進行合并。用淮河上游面狀矢量圖對合并后的TM影像進行裁剪，就可以獲得我們所需要的淮河上游的TM影像。用ENVI中的波段計算器進行運算：

（1）式中，b2表示第4波段，及紅光波段，b4代表第7波段，及短紅外波段。得到河流的柵格圖。在ArcGIS中打開該圖，進行矢量化。得到河流矢量圖。

在ArcGIS中對SRTM3和ASTER GDEM求取等高線、坡度、坡向等地形因子。實驗中采用了正、反地形坡向變率算法，對ASTER GDEM和SRTM數據進行了山谷信息的提取，為避免信息的冗余也為了便于觀察，對提取信息進行了適當的調整與清理，并通過ArcScan將其轉換為山谷線要素。

3 研究結果分析

3.1 平面差異

將實驗得到的河流線和從兩個DEM中提取出來的河谷線疊加在同一圖層上，從圖上可以看來，從SRTM3數據提取出來的河谷信息與從ASTER GDEM數據提取出來的河谷信息有著明顯的偏移。若將從landsat8中所提取出的河流當作參照河流的話，ASTER GDEM的河谷線偏移量要稍小于SRTM3河谷線偏移量。

圖2ASTER GDEM與SRTM3等高線水平比較圖

在試驗中，基于ArcGIS，用兩個DEM數據分別生成了兩組等高線，兩組等高線的等高距都是50m。通過圖2可以看出這兩組等高線有著明顯的偏移，ASTER GDEM生成的等高線總是向著SRTM3生成的等高線的西南方向偏移。而就SRTM3來說，ASTER GDEM的等高線更加的零散、細碎，相比較而言，SRTM3的等高線就比較連貫，沒有太多細碎的地方。從整體上看來，在樣本區西面以及南面的山區一代，等高線之間的偏移量并不大，等高線數量也沒有太大變化。而在東邊的平原丘陵地帶，由SRTM3所生成的等高線數量大大少于由ASTER GDEM所生成的等高線數量。

3.2 豎直差異

對于平面精度一致的DEM，可以單個像元逐一進行比較。比較發現，不同地形數據高程誤差在空間分布并不均勻，差異情況在它們2類被測數據的高程互差上有所體現（圖3）。即便SRTM與ASTER GDEM之間所使用的坐標系相同，但它們自身的配準精度有差異。我們用ASTER GDEM每個像元的高程值減去對應的SRTM3的高程值，可得到圖3。

結合其遙感圖像可以知道，在平原地區，高差大部分處于-15～12m之間，高差并不大，而在山地地區，高差最高達到120m，落差非常大。兩類地形數據的高差以0為中心呈現正態分布，其高差范圍為［-111，120］。

圖3ASTER GDEM與SRTM3高差分布圖

3.3 坡度

對坡度進行重分類，分為：0～3°、3°～5°、5°～15°、15°～25°和＞25°共五大類。

4 結論

文章從水平方向、豎直方向、坡度、坡向方面對SRTM3數據與ASTER GDEM數據進行了比較，結果表明：①SRTM3山體線條相對粗糙，細節信息沒有ASTER GDEM詳細。從SRTM3數據提取出來的河谷信息與從ASTER GDEM數據提取出來的河谷信息有著明顯的偏移。若將從landsat8中所提取出的河流當作參照河流的話，ASTER GDEM的河谷線偏移量要稍小于SRTM3河谷線偏移量。SRTM3生成的等高線相對于ASTER GDEM生成的等高線向著東北方向偏移，SRTM3的等高線相對完整；在山區一帶，等高線差距并不大，但是在平原地區，ASTER GDEM的等高線所覆蓋范圍明顯大于SRTM3的等高線覆蓋范圍。從水平方向上考慮，ASTER GDEM數據所攜帶的信息更加能滿足人們的需求；②在平原地區，SRTM3與ASTER GDEM數據之間的高程相差并不大，而在山區，兩者高程差距非常大。如果研究問題時所需要的數據為平原，精度要求不高時，選擇SRTM3或ASTER GDEM數據并沒有太大的差距；如果研究區域為山區，如何選擇DEM數據，需要通過進一步的精度評價再做決定；③SRTM3的坡度相對較為平緩，坡度的大小相對較為集中。ASTER GDEM的坡度相對比較陡峭，坡度大小分布較為分散。與實際情況結合來看，做坡度研究時，ASTER GDEM數據更加符合人們的需求；④SRTM3的坡向分布較為分散，其坡向分布在正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北這八個方向上的數量較多。ASTER GDEM的坡向相對而言比較集中。在數據選擇時，需要結合具體情況做進一步分析，才能得到更加符合需求的數據。綜上所述，ASTER GDEM數據更加能滿足于一般的實驗需求。

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1673-8853（2017）10-0088-04

2017-9-18

編輯：劉長垠 韋詩佳