露天礦區(qū)多源數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)對(duì)比分析

蘇曉茹 唐 偉 戴華陽(yáng) 閻躍觀

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院, 北京 100083)

0 引言

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是區(qū)域表面高程的數(shù)字化表達(dá),信息豐富,應(yīng)用廣泛[1-3]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,可通過(guò)機(jī)載或星載傳感器獲取高程數(shù)據(jù),得到全球范圍內(nèi)的高精度DEM產(chǎn)品,如TanDEM-X(TanDEM-X Digital Elevation Model)、SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)、ASTER GDEM(ASTER Global Digital Elevation Model)、AW3D30(Alos Word 3D-30)等典型產(chǎn)品。其中TanDEM-X、SRTM是基于合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)生產(chǎn),精度易受雷達(dá)后向散射影響,ASTER GDEM、AW3D30基于光學(xué)立體觀測(cè)技術(shù)生產(chǎn),精度易受云層影響。此外地形起伏、地貌類(lèi)型等因素也會(huì)給DEM產(chǎn)品帶來(lái)一定的不確定性。因此,在應(yīng)用DEM數(shù)據(jù)前開(kāi)展精度評(píng)價(jià)工作至關(guān)重要,目前相關(guān)研究可分為以下幾類(lèi)[4-9]:(1)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為對(duì)照樣本,從地形區(qū)域、地貌環(huán)境等角度分析評(píng)價(jià);(2)從水文分析等應(yīng)用角度評(píng)價(jià)DEM適用性;(3)從坡度、地形剖面線等可視化角度采用視覺(jué)效果對(duì)比。分析發(fā)現(xiàn):實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)雖然精度高,但空間分辨率低,無(wú)法實(shí)現(xiàn)大區(qū)域精度分析,利用高精度高分辨率DEM數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的研究比較少。此外,露天礦區(qū)具有地形變化顯著、邊坡不穩(wěn)定等特點(diǎn),對(duì)DEM數(shù)據(jù)精度要求和時(shí)效性要求較高,針對(duì)露天礦區(qū)域的不同時(shí)期的DEM產(chǎn)品進(jìn)行比較可以用來(lái)研究采礦和復(fù)墾活動(dòng)引起的高程變化規(guī)律,但相關(guān)研究較少。因此,本文以德國(guó)某露天礦為研究區(qū),以TanDEM-X數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn),將SRTM、AW3D30、ASTER GDEM數(shù)據(jù)與TanDEM-X進(jìn)行比較,分析了不同DEM產(chǎn)品之間的質(zhì)量差異,研究了不同DEM產(chǎn)品對(duì)不同土地覆蓋區(qū)域(水體、植被)的地形表達(dá)準(zhǔn)確性。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于德國(guó)北萊茵-維斯特法倫州西部(50°32′～51°07′N(xiāo),6°14′～6°51′E),研究區(qū)北部及西南部地勢(shì)起伏大,地形變化明顯,中部地勢(shì)平坦,西部及南部森林植被豐富。根據(jù)地貌類(lèi)型進(jìn)一步將研究區(qū)劃分為子區(qū)域1和子區(qū)域2,其中子區(qū)域1包含Garzweiler、Hambach、Inden三個(gè)露天礦,露天礦開(kāi)采活動(dòng)導(dǎo)致該區(qū)域地形變化顯著,子區(qū)域2為非采礦區(qū),高程變化較小,區(qū)域內(nèi)存在水體及少數(shù)森林植被。

1.2 數(shù)據(jù)概況

本文使用4種不同DEM數(shù)據(jù)。TanDEM-X是德國(guó)航天航空中心對(duì)地雷達(dá)觀測(cè)項(xiàng)目獲取的高精度全球DEM,覆蓋全球陸地區(qū)域[10]。SRTM是美國(guó)宇航局、美國(guó)地理空間情報(bào)局、美國(guó)國(guó)防部以及意大利航天局合作,采用InSAR技術(shù)對(duì)60°N～60°S區(qū)域的雷達(dá)影像生成的DEM[11]。ASTER是美國(guó)航天局與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省合作發(fā)射的高分辨率影像傳感器,使用近紅外相機(jī)獲得同步光學(xué)立體像對(duì),2001年起該立體像對(duì)被用于制作全球數(shù)字高程模型(ASTER GDEM)[12]。AW3D是日本宇宙航空研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展的全球陸地區(qū)域精確數(shù)字三維地圖項(xiàng)目,使用搭載在ALOS衛(wèi)星上的全色遙感儀器獲得影像數(shù)據(jù)并生成的數(shù)字地圖,AW3D30由5 m分辨率DEM數(shù)據(jù)重采樣而來(lái)[13]。使用DEM數(shù)據(jù)基本參數(shù)如表1所示。

2 研究方法

2.1 高程對(duì)比

TanDEM-X高程是基于WGS84橢球的大地高,而SRTM、ASTER GDEM、AW3D30高程是基于EGM96大地水準(zhǔn)面的正高,利用式(1)將SRTM、ASTER GDEM、AW3D30正高轉(zhuǎn)換為大地高。

H=h+N

(1)

式中,H為大地高;h為正高;N為大地水準(zhǔn)面差距。

統(tǒng)一高程系統(tǒng)后,選用最鄰近法對(duì)TanDEM-X 12 m數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣至30 m,以TanDEM-X 30 m數(shù)據(jù)作為參考值,逐像元分別計(jì)算TanDEM-X 30 m與SRTM 30 m、ASTER GDEM、AW3D30的高差,統(tǒng)計(jì)高差最值、高差平均值、高差標(biāo)準(zhǔn)差及高差均方根誤差等參數(shù)。高差平均值、高差標(biāo)準(zhǔn)差及高差均方根誤差的計(jì)算公式分別見(jiàn)式(2)、(3)、(4)。

(2)

(3)

(4)

式中,n為像元個(gè)數(shù),ZREF為T(mén)anDEM-X 30 m高程;ZDEM為SRTM或ASTER GDEM或AW3D30數(shù)據(jù)高程。

2.2 坡度對(duì)比

坡度是用來(lái)描述傾斜程度的地形因子,在水文分析等方面有重要作用,DEM作為地形的數(shù)字化表達(dá),為坡度研究提供了良好的數(shù)據(jù)源。但是,由于數(shù)據(jù)的不確定性會(huì)導(dǎo)致在相同的區(qū)域內(nèi)坡度產(chǎn)生差異。因此,參考國(guó)際地理聯(lián)合會(huì)地貌調(diào)查與地貌制圖委員會(huì)關(guān)于地貌詳圖應(yīng)用的坡度分類(lèi)劃分標(biāo)準(zhǔn),將坡度劃分為0°～5°、5°～15°、15°～35°、35°～55°、55°～90°五個(gè)等級(jí),統(tǒng)計(jì)坡度最值以及各等級(jí)占比。

2.3 地形剖面對(duì)比

通過(guò)提取地形剖面,分析DEM對(duì)不同土地覆蓋類(lèi)型區(qū)域的地形描述差異,根據(jù)研究區(qū)域所包含的地貌類(lèi)型,分別在水體和森林植被區(qū)域提取4種數(shù)據(jù)的地形剖面線。

3 結(jié)果分析

3.1 高程對(duì)比分析

以TanDEM-X 30 m數(shù)據(jù)作為參考DEM,減去SRTM 30 m、ASTER GDEM、AW3D30得到相應(yīng)的高差分布圖分別如圖1(a)、(b)、(c)所示,其中正值代表高程變大,負(fù)值代表高程變小。

表1 DEM數(shù)據(jù)基本參數(shù)

圖1 3種DEM與TanDEM-X DEM高差分布圖

從圖1中可以看出,地表高程變化較大的區(qū)域分布在北部露天礦區(qū),其余區(qū)域則高程變化較小,DEM數(shù)據(jù)獲取間隔內(nèi)露天礦人為開(kāi)采活動(dòng)導(dǎo)致的高程變化明顯地體現(xiàn)在高差分布圖中。圖1(a)中97.7%區(qū)域高差值在±50 m范圍內(nèi),圖1(b)中98.2%區(qū)域高差值在±50 m范圍內(nèi),圖1(c)中98.6%區(qū)域高差值在±50 m范圍內(nèi)。可見(jiàn)與TanDEM-X數(shù)據(jù)獲取時(shí)間間隔越短,所獲的地形越相似,計(jì)算的高程差也比較小,選擇DEM數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)根據(jù)地形變化考慮數(shù)據(jù)的時(shí)效性。

為進(jìn)一步分析不同DEM的質(zhì)量,統(tǒng)計(jì)各DEM數(shù)據(jù)在非采礦區(qū)的高差參數(shù)如表2。從表2可看出:SRTM與TanDEM-X高差平均值最小,ASTER GDEM與TanDEM-X高差平均值最大;TanDEM-X與SRTM數(shù)據(jù)的高差均方根誤差最小,其次是AW3D30,再次是ASTER GDEM。這表明在非采礦區(qū)內(nèi),數(shù)據(jù)獲取方式會(huì)影響DEM差異,SRTM與TanDEM-X均采用InSAR技術(shù)獲取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)差異較小,而ASTER GDEM、AW3D30采用光學(xué)方式,與TanDEM-X數(shù)據(jù)差異較大。

表2 3種DEM與TanDEM-X DEM高差參數(shù) 單位:m

3.2 坡度對(duì)比分析

由DEM提取得到的坡度參數(shù)如表3所示。從表中可以看出,TanDEM-X、SRTM、AW3D30坡度均較多分布在0°～5°,而ASTER GDEM較多分布在5°～15°。整體上,SRTM、AW3D30與TanDEM-X坡度分布相似,ASTER GDEM與TanDEM-X坡度分布相差最大。TanDEM-X 12 m/90 m坡度最小值分別為0.000 01°、0.005°,而其余DEM坡度最小值均為0°,TanDEM-X數(shù)據(jù)計(jì)算坡度得更為精確。比較TanDEM-X 12 m/90 m、SRTM 30 m/90 m數(shù)據(jù)所生成的坡度可知:DEM空間分辨率越高,坡度最值越大,對(duì)地形描述越精確,因此在坡度研究時(shí)應(yīng)該盡量選擇高空間分辨率數(shù)據(jù)。

表3 DEM坡度參數(shù)

3.3 地形剖面對(duì)比分析

沿東西方向做水體區(qū)域地形剖面如圖2(a)所示。由地形剖面可見(jiàn)，ASTER GDEM表現(xiàn)出很大的異常波動(dòng),研究使用的ASTER GDEM第二版相對(duì)于第一版數(shù)據(jù)雖然改善了水體掩膜,但仍然存在內(nèi)陸湖泊高程異常現(xiàn)象。TanDEM-X也表現(xiàn)出較小的異常波動(dòng),因?yàn)門(mén)anDEM-X數(shù)據(jù)在沙漠、水體等光滑區(qū)域容易引起數(shù)據(jù)異常。SRTM與AW3D30對(duì)水體地形表達(dá)相似,并無(wú)異常出現(xiàn),在水體區(qū)域SRTM與AW3D30數(shù)據(jù)質(zhì)量比較好。

圖2 水體及森林植被區(qū)域地形剖面

沿南北方向做森林植被區(qū)域地形剖面如圖2(b)所示,從圖可知,4種數(shù)據(jù)地形剖面曲線相似,在森林植被區(qū)域地形描述能力相似。分別對(duì)比TanDEM-X、SRTM與其他兩種數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)TanDEM-X、SRTM地形剖面均略低于AW3D30地形剖面,但差異并不明顯。TanDEM-X、SRTM所采用的X、C波段雷達(dá)信號(hào)在稀疏森林區(qū)域雖然具有一定的穿透能力,但雷達(dá)信號(hào)受植被高度、結(jié)構(gòu)和密度的影響,隨著森林密度增強(qiáng)穿透深度減小最終未達(dá)到地面。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以高精度TanDEM-X數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),對(duì)比分析了露天礦區(qū)多源DEM產(chǎn)品的質(zhì)量,為DEM數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供參考。研究表明:

(1)人為采礦活動(dòng)帶來(lái)的地形變化是引起DEM產(chǎn)品差異的主要原因,開(kāi)采和復(fù)墾活動(dòng)明顯地體現(xiàn)在了不同時(shí)期獲取的DEM高程變化中。

(2)通過(guò)計(jì)算非采礦區(qū)DEM數(shù)據(jù)之間高差均方根誤差,發(fā)現(xiàn)不同DEM數(shù)據(jù)具有較好的一致性,TanDEM-X數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)的高差均方根誤差分別為2.64 m、5.88 m、2.99 m。

(3)地貌類(lèi)型和空間分辨率影響DEM數(shù)據(jù)表達(dá),空間分辨率越高,地形描述越準(zhǔn)確。在森林植被區(qū)域4種數(shù)據(jù)地形表達(dá)相似,但在水體區(qū)域SRTM與AW3D30對(duì)地形表達(dá)較好。

研究了針對(duì)露天礦區(qū)域的多源DEM差異,在后續(xù)的研究中將結(jié)合多種地貌區(qū)域全面衡量全球DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量。