中國5類典型區域常用DEM高程精度評價

蔣廣鑫,謝元禮,3,高志遠,周 鵬

(1.西北大學 城市與環境學院,西安 710127;2.陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室,西安 710127;3.西北大學 地表系統與災害研究院,西安 710127)

數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)作為地表高程信息的數據源,對于水土流失以及地形因子提取等地學研究具有關鍵性作用。作為地學研究中廣泛應用的基礎數據之一,其精度的優劣直接關系到科研結果的可信度及科學性。現階段,針對DEM精度評價的方法主要有2種:(1) 利用更高精度的地面測量控制點對DEM數據進行對比分析,如GPS實測點數據[1-3]和高程控制點數據[4-5];(2) 利用更高精度的DEM數據與之進行對比,獲得精度評價,例如最常用的方法,通過與大比例尺地形圖生成的DEM對數據進行分析評價[6-8]。然而當研究范圍是大區域時,將會面臨以下問題:第一,無法大范圍地獲取地面測量數據。第二,由于研究區域的范圍較廣以及數據的保密性,無法獲取更高的DEM數據來評價已有數據。基于此,目前已有不少學者以ICESAT/GLAS高程數據作為地面參考點數據對大尺度區域DEM進行精度分析。胡加佩等[9]利用GLAH14數據對全國范圍的SRTM V4和ASTER GDEM數據進行了對比,系統分析了兩種DEM的誤差統計特征和空間分布特征,結果表明,兩種DEM都與地形有著較強的相關性。武文嬌等[10]以山西省為研究區,基于ICESat/GLAS GLAH14測高數據對SRTMGL1和ASTER GDEM V2數據的垂直精度進行了對比,結合地形因子以及利用地形剖面分析的方法分析了數據差異。結果表明了SRTM1 DEM垂直精度高于ASTER GDEM V2,并且兩種數據均受坡度影響嚴重,土地利用類型和地貌類型影響較小。

目前的DEM精度評價研究多是針對某一類DEM精度的討論,或兩類DEM之間的對比,研究目的更多的是突出說明某種DEM數據的整體優越性。常見評價的DEM種類主要集中在ASTER GDEM V2,SRTMGL1和SRTM V4等3類高程數據,且研究范圍上,以全國范圍或者局部小范圍區域為主,缺乏對典型區域精度的研究。基于此,本文的研究目的是通過探究常用DEM在不同區域的精度表現,以便為之后的地學研究數據選取提供一定的指導作用,因此本文選取這3種DEM在5類地貌典型區進行對比研究。

本文以ICESAT/GLAS GLAH14點數據為參照,以地貌為特征,選取中國5類典型區域作為研究區域,對SRTMGL1,SRTM V4,ASTER V2數據的質量進行定量化分析,以便于了解3種高程產品在不同研究區的誤差分布特征,為數據選用及誤差修正提供依據。

1 試驗區與數據

1.1 研究區概況

本文依據研究區內地貌類型構成的不同,選擇中國的5類典型地貌區:華北平原、黃土高原、青藏高原、云貴高原和塔里木盆地。其中華北平原區域地貌主要由平原區和低山丘陵區組成;黃土高原其間溝壑縱橫,由山地區、黃土丘陵區、黃土塬區、黃土臺塬區、河谷平原區組成,是地貌研究的熱點區域;青藏高原主要由高原山區和高原平原組成,平均海拔超過了5 000 m;塔里木盆地位于中國新疆南部,是中國面積最大的內陸盆地,中間盆地,邊緣礫石沙漠;云貴高原作為中國四大高原之一,區域內大部分為山區地形,是世界上喀斯特地貌最發育的典型地區之一。這5個區域都屬于地貌研究熱點區域,具有較高的研究價值和地貌代表性。

1.2 研究數據

本文研究數據分為:

(1) 分析數據,包括SRTMGL1,SRTM V4和ASTER GDEM。其中,SRTMGL1即SRTM 1 Arc-Second Global數據,對應的平面分辨率精度為30 m,數據下載網址為http:∥earthexplorer.usgs.gov/。SRTM V4采用的是90 m分辨率SRTM V4.1版本數據,來源于(http:∥srtm.csi.cgiar.org/);ASTER GDEM選擇版本為ASTERV2,來源于(http:∥www.gscloud.cn/),平面分辨率為30 m,是由對地觀測衛星Terra的近紅外波段垂直向下和后視兩個傳感器獲取的立體像對生成的DEM數據。

(2) 參考數據,包括ICESAT/GLAS數據和中國地貌類型數據。ICESAT/GLAS數據為2003—2009年觀測并經處理后的全球(南北緯86°之間)地球表面的高程散點數據,具有覆蓋范圍廣、精度高的特點。本文采用的是GLAH14數據,來源于美國國家冰雪數據中心(http:∥nsidc.org/data)。中國地貌類型數據包括2005年中國土地利用現狀遙感監測數據和中國100萬地貌類型空間分布數據。2005年中國土地利用現狀遙感監測數據是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源,通過人工目視解譯生成,空間分辨率為1 km,數據來源為中國科學院資源環境數據云平臺(http:∥www.resdc.cn/)。中國100萬地貌類型空間分布數據來源于《中華人民共和國地貌圖集(1∶100萬)》,數據來源為中國科學院資源環境數據云平臺(http:∥www.resdc.cn/)。

1.3 數據預處理

(1) 格式統一。SRTMGL1,SRTM V4,ASTER GDEM V2均為TIF格式的柵格數據,GLA14為二進制點云數據,利用HDFVier工具,從GLA14原始二進制文件中讀取測高數據,并將其轉換成shape文件[11]。

(2) 基準統一。在高程基準方面,可以利用式(1) 將GLAH14的高程統一到WGS84參考橢球高程下。

HWGS84=h-N-offset

(1)

式中:h是激光光斑中心相對于T/P橢球的高程;N是EGM96水準面與T/P橢球面的差值;offset是兩個橢球體高程差異;offset一般取值為0.7 m;h，N使用HDFVier工具直接提取。

(3) GLA14點云篩選。由于ICESAT數據存在粗差,因此,基于ICESAT數據對SRTM,ASTER GDEM等DEM精度進行評估時,需要對ICESAT點云數據進行篩選。通過對已有的研究成果分析并結合本文研究區的地形特征,ICESAT數據粗差剔除原則[9]為:ICESAT數據中,云頂端的回波信號可導致GLA14數據含有超過±100 m左右的粗差,考慮到SRTM數據精度優于ASTER數據,故通過計算對應位置上SRTM DEM和ICESat/GLAS差值,剔除差值在±100 m以外的ICESat點[12-13]。

(4) 點數據地類屬性提取。在GLA14點云篩選結果的基礎上,采用雙線性內插的方法獲取對應位置的屬性值。

2 數據精度分析方法

研究中精度指標選取了高程誤差d,平均誤差Mean,標準偏差SD和中誤差RSME作為精度評價指標。

d=hDEM-hICESat/GLAH14

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:利用高程誤差d表示每個實際點位DEM與ICESat/GLAS GLAH14數據之間的差值;利用平均誤差Mean表示DEM數據集相較于ICESat/GLAS GLAH14數據集的數據整體精度。標準差SD則代表了高程誤差間的離散程度。中誤差RSME則代表了測量值與真值的偏離程度,也是評價數據精度的最直接標準。

利用以上幾種精度評價指標,首先對3種DEM在不同典型區域的總體精度進行統計,然后,結合坡度、坡向、土地覆蓋、地貌因素等進行3種DEM精度的分析。坡度因子分析中,將所有典型區域坡度進行統一的離散化分級,級差劃分為0°～1°,1°～5°,5°～10°,10°～15°,15°～20°,20°～25°,25°～30°,30°～35°,35°～40°,以及>40°,分別計算每個坡度分級里不同DEM精度表現。坡向因子方面,將坡向以45°為一個區間分為8個坡向區域,計算每個坡向區間內各個DEM的精度表現。土地覆蓋和地貌因素方面,計算各個DEM在不同地貌因素和土地覆蓋中的SD和RSME,對3種DEM進行精度比對分析。

3 結果及分析

3.1 不同區域的DEM精度總體評價

3種DEM在5類典型區域的精度評價結果見表1,結論如下:(1) 總體上,SRTMGL1的數據精度明顯優于SRTM V4和ASTER V2,SRTMGL1的平均誤差為-2.083 m,系統誤差為(2.083±8.201)m,數據精度為8.462 m,離散程度較另外2種DEM也偏小;ASTER V2總體精度則略微優于SRTM V4,ASTER V2平均精度為2.540 m,系統誤差為(2.540±16.312)m,數據精度為16.509 m,SRTM V4平均精度為2.208 m,系統誤差為(2.208±17.579)m,數據精度為17.717 m;(2) 結合試驗區,SRTMGL1在5類試驗區中精度表現均為最優,數據精度保持在10 m左右,SRTM V4和ASTER V2則在不同的試驗區精度表現各有優劣。華北平原和塔里木盆地兩個試驗區中,SRTM V4精度優于ASTER V2;而在黃土高原,青藏高原和云貴高原3個試驗區中,SRTM V4精度迅速下降,精度明顯低于ASTER V2,分析其原因,極大程度是因為ASTER GDEM通過對立體影像對解譯獲得,其精度易受云或者地標建筑等影響,而SRTM V4受地形起伏或是植被覆蓋度等影響,因此,在平坦區域,SRTM V4精度優于ASTER V2,當地形起伏較大,如山地地區,ASTER V2精度優于SRTM V4。(3) 3種DEM隨著試驗區的不同,精度表現均有著不同程度的變化,華北平原和塔里木盆地,3種DEM均具有較好的精度,三者分異性不大,當試驗區為高原地區,3種DEM則產生了較大差異,充分說明,3種DEM與地形有著密切的關系[14]。

表1 SRTMGL1,SRTM V4和ASTER V2精度指標 m

3.2 坡度對DEM精度影響

3種DEM中誤差在不同研究區域隨坡度分級的變化特征如圖1所示,3種DEM在所有區域都保持著隨著坡度的增加,中誤差逐漸遞增的趨勢。在所有的研究區域中,SRTMGL1的數據精度都要優于SRTM V4,在地勢較為平坦的地區(坡度<1°),SRTMGL1和SRTM V4中誤差較為接近,其中,華北平原兩種DEM中誤差之差為0.02 m,塔里木盆地兩種DEM中誤差之差為0.05 m,黃土高原、青藏高原、云貴高原兩類DEM中誤差之差依次為0.25 m,0.4 m,1.5 m,精度差異細微,2類DEM可以互為補充,在此坡度分級下,由于成像方式的不同,ASTER V2與SRTM DEM存在著3～13 m的中誤差之差,精度較差。隨著研究區內坡度增大,不同研究區內3種DEM中誤差變化規律逐漸不同,SRTMGL1和ASTER V2在各研究區內都保持著相對平穩的中誤差之差,華北平原、黃土高原、青藏高原、塔里木盆地、云貴高原2類數據之差依次為(0.6±4.0)m,(2.8±0.6),(11.4±1.4)m,(7.6±3.8)m,(6.5±3.3)m。分析DEM在所有5個試驗區中精度表現,SRTMGL1一般保持著最高精度,但是在華北平原地區,當坡度>30°時,SRTMGL1精度迅速下降,ASTER V2精度優于SRTMGL1,為3種數據精度最高。而SRTM V4和ASTER V2隨著坡度分級,各有優劣:在坡度較小(<10°)時,SRTM V4精度優于ASTER V2,當坡度>10°,ASTER V2精度開始優于SRTM V4,且SRTM V4精度隨著坡度的增加,分異程度明顯大于ASTER V2,遞增速率明顯,精度較差,ASTER V2則與SRTMGL1保持著接近的遞增速率,相對SRTM V4而言具有較高的精度[14]。

圖1 各研究區3種DEM中誤差和坡度的關系

3.3 坡向對DEM精度影響

將坡向以45°為一個區間,劃分為8個坡向級,北方向(337.5°～22.5°)、東北方向(22.5°～67.5°)、東方向(67.5°～112.5°)、東南方向(112.5°～157.5°)、南方向(157.5°～202.5°)、西南方向(202.5°～247.5°)、西方向(247.5°～292.5°)、西北方向(292.5°～337.5°),參考Zhang等[15]在研究地表覆蓋對SRTM DEM精度的影響時控制變量的思想,為了研究3種DEM在不同區域的精度表現,將3種DEM在5類典型區域的各坡向中誤差歸一化到區間內,繪制在雷達圖上,以研究3種DEM在不同區域的精度表現,結果如圖2所示。其中,ASTER V2在5個區域的西南坡向上均出現了較大的中誤差,SRTM V4的中誤差主要出現在正西,正東,正北,正南方向。SRTMGL1則呈現不規律性。

圖2 各研究區3種DEM中誤差和坡向的關系

在黃土高原研究區,3種DEM均呈現對稱分布。而在地勢平坦的華北平原地區,SRTM V4和SRTMGL1精度隨坡向分異性大致相似,在地勢復雜的云貴高原研究區,3種DEM精度分異性大體一致,分析其原因,可能是因為云貴高原的高密度植被覆蓋導致DEM的精度均有所下降。在地勢復雜而地表覆蓋不高的青藏高原研究區,3種DEM分別呈現出截然不同的分異性,SRTM V4,ASTER V2和SRTMGL1分別在東南,西南,西北方向精度最低,并明顯規律。隨坡向的變化,3種DEM表現出高程測量偏離值分異特征,原因可能與衛星傳感器在上升軌道和下降軌道的航向以及SRTM傳感器雷達與地表的入射角度有關。

將每一種DEM在不同研究區的隨坡向的精度表現繪制雷達圖,結果如圖3所示3種DEM在華北平原、塔里木盆地、黃土高原和青藏高原4個研究區中,隨著坡向的變化,每一種DEM在4個研究區的精度變化程度大體相當,這表明在同一地區,坡向對DEM數據精度的影響不大。云貴高原則在東方向,東南方向以及東北方向出現了中誤差變小的情況,而SRTMGL1和SRTM V4兩種數據在5個研究區內誤差分布相似,推測可能與SRTM傳感器與地表入射角度有關。

圖3 各DEM不同研究區中誤差和坡向的關系

3.4 土地利用類型對DEM精度影響

基于土地類型對研究區域進行分類,將試驗區分為耕地,林地,草地,水域,人造表面,未利用土地等5種類型。分別計算每個試驗區各土地類型范圍內的3種DEM與ICESat/GLAS控制點的中誤差,進行統計,繪制柱狀圖(圖4)以及將每種DEM的5個試驗區隨土地類型的變化進行縱向比較,制成折線圖(圖5)。

圖4 各研究區3種DEM中誤差和土地利用類型的關系

圖5 各DEM不同研究區中誤差和土地利用類型的關系

試驗結果表明,同一試驗區內,隨著土地覆蓋類型的變化,SRTMGL1精度均優于SRTM V4和ASTER V2。地勢平坦地區(華北平原和塔里木盆地),SRTM V4和SRTMGL1兩種DEM中誤差之差較為接近,除林地類型以外,中誤差之差最大值為2.2 m,最小值僅為0.01 m,充分說明平坦地區,不同的土地覆蓋類型,SRTM V4與SRTMGL1數據精度相當,ASTER V2精度最低。而在高原地區,SRTM V4數據集精度略微低于ASTER V2,且在林地類型區域,SRTM V4數據偏差均高于ASTER V2,說明在高密度植被覆蓋區域,ASTER V2的精度優于SRTM V4[16]。2種DEM雖然生成原理不同,但均受植被覆蓋影響嚴重,因此林地的精度較低。

在對3種DEM的橫向對比中可以發現,SRTM V4數據集隨土地利用類型的精度變化,由高到低依次為:人造表面,耕地,未利用土地,水域,草地,林地。其中SRTMGL1與SRTM V4保持統一的精度變化趨勢,但是SRTMGL1數據集整體精度高于SRTM V4。ASTER V2的精度隨著土地利用覆蓋類型的變化,中誤差隨著人造表面,未利用土地,水域,草地,耕地,林地而依次增大[17]。

3.5 地貌類型對DEM精度影響

基于地貌類型對SRTMGL1,SRTM V4,ASTER V2進行分類,根據中國100萬地貌類型空間分布數據集分類標準將地貌類型分為平原、臺地、丘陵、小起伏山脈、中起伏山脈、大起伏山脈、極大起伏山脈,研究在5個試驗區內,地貌類型的變化對于3種DEM的精度影響(圖6和圖7)。

圖6 各研究區3種DEM中誤差和地貌類型的關系

圖7 各DEM不同研究區中誤差和地貌的關系

結果表明,SRTMGL1在5個試驗區均為精度最高的數據集,且ASTER V2在地貌類型為平原的地區精度是3種DEM中最低的。5個試驗區中,華北平原、青藏高原、塔里木盆地、云貴高原4個試驗區中SRTM V4在平原、臺地、丘陵的精度均高于ASTER V2。當地貌類型變為山脈,且隨著海拔的升高,ASTER V2精度高于SRTM V4。

總體而言,3種DEM均隨著海拔的升高,中誤差逐漸遞增,其中,SRTM V4隨著海拔的升高,中誤差遞增速率較快,在高原試驗區的山脈地區中誤差升高迅速,精度下降速度較快。SRTMGL1和ASTER V2中誤差遞增速率則呈現緩慢的遞增趨勢。3種DEM在5個試驗區的臺地地貌中精度明顯下降,中誤差明顯高于平原和丘陵地貌,在華北平原試驗區較為明顯[18]。

4 結 論

(1) 對比5個研究區共979 490個ICESat/GLAS GLAH14數據點,SRTM V4,ASTER V2和SRTMGL1數據的總體平均誤差分別為2.2 m,2.5 m和2.1 m,誤差標準差為17.5 m,16.3 m和8.2 m,中誤差分別為17.7 m,16.5 m,8.4 m。總體而言,SRTMGL1數據集的垂直精度要高于ASTER V2,而ASTER V2的總體高程精度則要略微優于SRTM V4。

(2) SRTMGL1,ASTER V2和SRTM V4均受到坡度、土地利用類型和地貌類型影響較大,而坡向對于DEM的影響較小,且誤差分布較為均勻。坡度對3種DEM的影響總體趨勢為:坡度越高,精度越差。SRTMGL1在各個坡度分級區間數據精度均為最高,ASTER V2和SRTM V4在坡度較小(<15°)時,ASTER V2精度低于SRTM V4,當坡度>15°,ASTER V2精度開始優于SRTM V4。3種DEM在耕地和人造表面覆蓋區域的精度最高,在林地覆蓋區域,DEM精度最低[19]。

(3) 不同地貌分區對3種DEM的精度具有較大的影響。SRTM V4隨著海拔和地形起伏度的增大,數據中誤差遞增明顯,SRTMGL1則隨著地形起伏的變化,差值變化幅度很小。3種DEM在臺地類型區域數據精度均低于平原和丘陵。ASTER V2隨著地貌變化(在山脈類型區域),精度變化幅度較SRTM V4更加平穩,數據精度更高。

本文對SRTMGL1,SRTM V4和ASTER GDEM V2的精度進行了詳細的對比分析,可以為這3種DEM數據在不同類型區域的應用提供一定的指導作用。數據選取的總體原則為:SRTMGL1最優選,其次,平原為主地區選擇SRTM V4,高原以及植被覆蓋度高的地形復雜區域盡量選擇ASTER GDEM V2.