三種外部DEM對初級DSM數據的影響分析與評價

黃 波，張向陽，郭 莉，成曉英

（1.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054；2.自然資源部國土衛星遙感應用中心，北京 100048）

初級DSM數據作為底圖數據，其質量的可靠性直接影響人機交互工作量的大小，而初級DSM數據又是參考外部DEM經過軟件干涉處理得到，外部DEM數據的不同，可能會影響初級DSM數據的質量。本文選取了3種外部DEM分別進行干涉處理，得到3個初級DSM數據，收集380個控制點對其分別進行精度檢驗，統計并分析高程中誤差結果，評價3種外部DEM對初級DSM數據的影響[1-3]。

1 影響分析方法

InSAR技術生成DEM的流程步驟主要為：主圖像/輔圖像→影像配準→影像預濾波→干涉圖生成→基線估計→去平地效應→干涉圖濾波→相位解纏→相位到高程轉化→地理解碼→解碼。分析外部DEM在干涉處理過程中的作用，主要是對干涉相位圖中的地形相位信息進行解纏處理，得到地形相位的真實值。為了確保其他步驟的一致性，本文使用武漢大學自主研發的InSAR DSM軟件進行干涉處理，運算方法唯一，參數設置不變，只是更換外部DEM數據，并且生成初級DSM產品格網間距均為10 m、高程系統均為大地高。

由于數據資料的有限性，本文暫未考慮外部DEM數據與SAR數據之間的時間差，3種參考DEM的時效性、格網間距大小，以及高程轉換參數等帶來的誤差。

2 數據源準備

1）實驗區概況。實驗區位于西安市及周邊地區，面積約為0.8萬km2，測驗區內平地、丘陵、山地、高山地地貌特征明顯，地物要素豐富，涉及城市人工建筑物密集、自然植被多樣、水域豐富、交通復雜，城市與農村并存。

2）原始SAR數據。采用德國TANDEM-X衛星獲取的原始SAR數據。

3）外部DEM數據。SRTM數據由美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）等機構聯合測量，數據覆蓋60°N～56°S之間，占全球陸地表面的80%以上。空間分辨率為1″（30 m），WGS-84坐標系，單位為0，高程系統為大地高，本文使用時將其重采樣為10 m格網間距。

AW3D數據：AW3D數據由日本METI和美國NASA聯合研制并免費面向公眾分發，其數據覆蓋范圍為83°N～83°S之間的所有陸地區域，達到了地球陸地表面的99%。空間分辨率為1″（30 m），WGS-84坐標系單位為0，高程系統為EGM96水準高，本文使用時將其重采樣為10 m格網間距，并將其改正為大地高。

10 000DEM成果數據：使用10 000DLG數據的等高線，進行內插反生得到，格網間距為5 m，坐標系統轉換為WGS-84坐標系，單位為/（°），高程系統改正為大地高。

4）控制點數據。收集到該區域共380個等級控制點，具體分布如圖1所示。

圖1 控制點分布示意圖

3 評價分析結果

分別使用SRTM、AW3D、10 000DEM數據，經過武漢大學自主研發的InSAR DSM軟件進行運算得到3個初級DSM數據，利用收集的380個控制點分別進行中誤差計算，具體結果見表1。

表1 初級DSM數據高程中誤差統計表/m

從表中可以看到，外部DEM數據選取SRTM和AW3D時，利用控制點進行進度檢測，其高程中誤差比較接近，但是使用高精度的10 000DEM數據作為外部DEM時，其進度反而要差一些。分析3種外部DEM數據以及SAR數據特性，本文初步認為干涉處理后形成的初級DSM數據并非真實數據，因為房屋、植被等非地面物體的高度并未做降高處理。由于初級DSM數據精度受多種因素綜合影響，包括海拔、坡度、地形起伏度、土地利用類型、植被密度等[4]，從單點誤差統計分析，外部DEM為AW3D的初級DSM單點高程誤差存在較大粗差值-53.800 m，經核實后，該點為145號控制點落入南部高山地區深溝內，將其剔除，重新計算了高程中誤差，具體結果見表2。

表2 初級DSM數據高程中誤差統計表/m

分析表2結果，當145號點剔除后，外部DEM數據為AW3D的初級DSM高程中誤差從±5.315 m提升到±4.950 m，變化較大，另外2個初級DSM數據只是發生了略微變化。雖然145號點在外部DEM的初級數據高程中誤差達到了-53.800 m，但是其精度還是略高于外部DEM為SRTM的初級DSM數據。

4 結論

通過本文的測試與分析，進一步肯定了SAR數據在數字高程模型生產中應用，更好地發揮了SAR數據主動性、穿透性、全天候等特性，有效避免了光學衛星影像受天氣限制，需要人工消除或減輕云及云影、沙漠、冰雪、森林、陰影等影像弱紋理區域對地表高程的影響[5-6]。2種數據源各自發揮自身優勢，相互補充，不僅保證了數字高程模型的全部數值的有效性，真實反映了實際地形地貌特征，而且實現了對大區域乃至境外地區數字高程模型的獲取。

本文選取了地形較為豐富的區域，也能夠客觀、真實地反映3種外部DEM數據對初級DSM數據的影響，并使用了控制點對其進行了精度比較與分析，也得到了一些經驗，但是鑒于SAR數據和控制點個數有限，以后仍需通過對不同地形實驗區和大量控制點進行實驗[7]，為開展大規模SAR數據利用InSAR技術制作DEM數據，做好理論支撐和精度驗證。