張　弛，葛　瑩，王　沖，肖勝昌，李云婷，張駿源

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

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資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星DSM與ASTER GDEM精度對(duì)比分析
——以高海拔山區(qū)為例

張弛1，葛瑩1，王沖2，肖勝昌2，李云婷1，張駿源1

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

為了評(píng)價(jià)國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)質(zhì)量，選取地貌類(lèi)型豐富的云南省高海拔山區(qū)為試驗(yàn)樣區(qū)，以1∶10 000實(shí)測(cè)地形圖DEM為假定真值，以30 m分辨率ASTER GDEM為評(píng)價(jià)參照，從高程精度和地形描述精度兩方面著手，對(duì)國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)精確性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)精度整體高于ASTER GDEM。

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星(ZY-3)；ASTER GDEM；高程精度；地形描述精度

2012-01-09，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心采用長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭，將資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星(ZY-3 Surveying and Mapping Satellite)成功地送入太空，自此開(kāi)啟國(guó)產(chǎn)民用測(cè)繪衛(wèi)星應(yīng)用的新篇章[1]。作為我國(guó)第一顆高分辨率民用立體測(cè)繪衛(wèi)星，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星肩負(fù)著1∶50 000立體測(cè)圖及更大比例尺基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新任務(wù)[2]，它的成功發(fā)射意味著可以利用三線陣立體成圖功能生成立體測(cè)繪產(chǎn)品，可為國(guó)土資源監(jiān)管、城市規(guī)劃建設(shè)和交通等領(lǐng)域提供測(cè)繪地理信息服務(wù)，其重要意義在于更好地開(kāi)展國(guó)土資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)工作[3-5]。

數(shù)字地表模型(Digital Surface Model，DSM)是指涵蓋地表建筑物、植被等信息的地貌高程模型[6-7]，它是資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星向用戶提供的測(cè)繪數(shù)字產(chǎn)品之一，在三維空間數(shù)據(jù)處理與地形分析等方面有著極其重要的應(yīng)用。由于ZY-3 DSM投入使用不久，目前針對(duì)它的精度分析和評(píng)價(jià)并不多。國(guó)內(nèi)外這方面研究主要集中在ASTER GDEM和SRTM DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量的探討方面[8-16]。從以上的文獻(xiàn)綜述來(lái)看，大部分是從高程精度或地形描述精度入手對(duì)SRTM DEM和ASTER GDEM的數(shù)據(jù)精確性進(jìn)行分析。

為深入了解資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星 DSM產(chǎn)品的精度，本研究以典型高海拔山區(qū)為例，并以1∶10 000實(shí)測(cè)地形圖DEM為假定真值，30 m分辨率ASTER GDEM為評(píng)價(jià)參照，從高程精度和地形描述精度兩方面著手，多視角地對(duì)我國(guó)資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，以期為ZY-3 DSM的實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)，更好地為我國(guó)基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用提供服務(wù)。

1　數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

圖1　研究區(qū)位置概況

本文的試驗(yàn)樣區(qū)位于云南省境內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)面積約11 000 km2，屬于典型的高原盆地地貌類(lèi)型區(qū)，地理坐標(biāo)介于101～102°E，25～26°N之間，高程在909～3 102 m之間，其中約99.7%高程大于1 000 m，如圖1所示。根據(jù)李炳元地貌分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[17]，以海拔和起伏度為分類(lèi)指標(biāo)，對(duì)該試驗(yàn)區(qū)的地貌劃分為：1)平原，起伏度小于20 m，約占試驗(yàn)區(qū)面積7.5%；2)臺(tái)地，起伏度在20～30 m之間，約占試驗(yàn)區(qū)面積6.5%；3)低丘陵，起伏度在30～100 m內(nèi)，約占試驗(yàn)區(qū)面積0.3%；4)高丘陵，起伏度在100～200 m間，約占試驗(yàn)區(qū)面積85.6%；5)小起伏中山，起伏度在200～500 m內(nèi)，海拔在1 000～3 500 m間，約占試驗(yàn)區(qū)面積0.1%。

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星搭載前后下視3臺(tái)全色相機(jī)以及一臺(tái)多光譜相機(jī)用于獲取三視立體影像和立體像對(duì)。將立體像對(duì)平差后，根據(jù)密集點(diǎn)匹配技術(shù)獲得同名點(diǎn)，再基于有理函數(shù)模型(Rational Function Model，RFW)的空間前方交會(huì)得到地面點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)地面點(diǎn)內(nèi)插即可獲得DSM[18]。

ASTER GDEM(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model)是搭載在TERRA衛(wèi)星上的高分辨率多光譜傳感器，主要用于獲取地球高程數(shù)據(jù)、輻射和表面溫度。由于ASTER數(shù)據(jù)包括底視圖像和后視圖像兩類(lèi)，且數(shù)據(jù)間存在著55″時(shí)間差，由此產(chǎn)生的立體像對(duì)可用于提取ASTER GDEM[19]。該數(shù)據(jù)由美國(guó)太空總署(NASA)和日本國(guó)際經(jīng)貿(mào)商業(yè)部(METI)在2009年6月聯(lián)合推出，其全球范圍內(nèi)的垂直精度達(dá)±20 m、平面精度30 m，覆蓋范圍為北緯83°～南緯83°間所有陸地區(qū)域，地表覆蓋率達(dá)99%[20]。

2　研究結(jié)果比較

2.1高程精度評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)DEM高程數(shù)據(jù)質(zhì)量，將實(shí)測(cè)地形圖DEM分別與ZY-3 DSM和ASTER GDEM進(jìn)行逐柵格減法運(yùn)算，得到反映高程誤差的數(shù)據(jù)量，如表1所示。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，ZY-3 DSM高程誤差平均值和中誤差約為ASTER GDEM的1/3，最大值為ASTER GDEM的4/5，最小值為ASTER GDEM的1/2。因此，與ASTER GDEM相比，ZY-3 DSM高程誤差分布更為集中，具有更高的高程精度。

表1　2種數(shù)據(jù)源高程誤差的統(tǒng)計(jì)量　m

由ZY-3 DSM與ASTER GDEM高程誤差分布圖直方圖可知(見(jiàn)圖2和圖3)，2種數(shù)據(jù)源的高程誤差均呈現(xiàn)以0為中心的正態(tài)分布，但高程誤差分布區(qū)間存在較大差異。其中，ZY-3 DSM高程誤差主要集中在-18～12 m，約占全部96.74%，而ASTER GDEM則主要集中在-52～28 m，約占全部95.91%。具體地說(shuō)，在[-10，10]高程誤差區(qū)間內(nèi)，ZY-3 DSM是83.91%；ASTER GDEM是36.85%，后者僅為前者的2/5。此外，ZY-3 DSM高程誤差值域?yàn)閇-77，94]；ASTER GDEM高程誤差值域?yàn)閇-139，120]，前者明顯比后者更小。由此可見(jiàn)，ZY-3 DSM的高程精度明顯高于ASTER GDEM。

圖2　ZY-3 DSM高程誤差分布

圖3　ASTER GDEM高程誤差分布

2.2地形描述精度評(píng)價(jià)

DEM是地表形態(tài)的數(shù)字表示，僅對(duì)高程精度進(jìn)行評(píng)價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需從地形描述精度方面來(lái)評(píng)價(jià)DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量。本文借助湯國(guó)安提出的地形描述精度[15]和坡度計(jì)算模型[16]，深入分析ZY-3 DSM和ASTER GDEM對(duì)真實(shí)地表描述的準(zhǔn)確程度。

坡度是描述地形曲面形態(tài)和結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)之一，在測(cè)繪領(lǐng)域內(nèi)一般是在DEM上通過(guò)坡度模型計(jì)算得到[16]。本文利用GIS軟件計(jì)算得到3種DEM數(shù)據(jù)源的坡度信息(見(jiàn)表2)。由表2可知，坡度最小值均為0，即研究區(qū)內(nèi)存在無(wú)地形起伏區(qū)域。與ZY-3 DSM所得坡度統(tǒng)計(jì)量相比，ASTER GDEM計(jì)算結(jié)果更偏離實(shí)測(cè)地形圖DEM所得坡度統(tǒng)計(jì)量，其中坡度平均值偏離最大，高出實(shí)測(cè)地形圖DEM坡度平均值約2.5倍。

表2　3種DEM數(shù)據(jù)坡度統(tǒng)計(jì)量

進(jìn)一步分析3種DEM坡度計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖4和圖5)。從圖4可以看出：1)在[0，12]區(qū)間內(nèi)，隨著x坐標(biāo)的增大，3種DEM坡度分布曲線均呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，此時(shí)3條曲線保持較好的吻合度；2)當(dāng)坡度值在[12，24]區(qū)間內(nèi)，3條曲線呈現(xiàn)明顯正增長(zhǎng)，且三者之間的差異隨著坡度值的增大而逐漸增大并在x為24附近達(dá)到峰值，其中實(shí)測(cè)地形圖DEM增幅最大，ZY-3 DSM次之，而ASTER GDEM最??；3)當(dāng)坡度值在[24，48]區(qū)間內(nèi)，3條曲線y坐標(biāo)隨著x值的增大而減小，且3條曲線間的差異逐漸減??；4)當(dāng)x大于48后，3條曲線的y坐標(biāo)仍在減小，但幅度較小，此時(shí)3條曲線趨于重合。

圖4　3種DEM坡度分布圖

圖5　ZY-3 DSM與ASTER GDEM坡度誤差分布

總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)x坐標(biāo)接近0時(shí)，實(shí)測(cè)地形圖DEM坡度分布曲線存在峰值，而另外2種DEM坡度分布曲線y坐標(biāo)均較小，認(rèn)為是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，在坡度值較小區(qū)域高程信息采集時(shí)，采集數(shù)據(jù)量大，因此實(shí)測(cè)地形圖DEM在坡度值為0附近存在峰值；當(dāng)坡度較小時(shí)，3種DEM坡度分布曲線相差較大且當(dāng)坡度達(dá)到24°時(shí)，ZY-3 DSM和ASTER GDEM與實(shí)測(cè)地形圖DEM的坡度誤差表現(xiàn)最為明顯；當(dāng)坡度較大時(shí)3種DEM坡度分布曲線趨于重合，認(rèn)為在這種情況下坡度誤差最小。

利用ArcGIS進(jìn)行逐柵格減法運(yùn)算并對(duì)計(jì)算結(jié)果分區(qū)段統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖5)，定量比較ZY-3 DSM和ASTER GDEM與實(shí)測(cè)地形圖DEM坡度分布之間的差異。由圖5可知，ZY-3 DSM坡度誤差值域?yàn)閇-66,60]，ASTER GDEM為[-42，58]。雖然ZY-3 DSM坡度誤差值域大于ASTER GDEM，但是在坡度誤差分布方面，ZY-3 DSM的坡度誤差分布更集中。具體地說(shuō)，基于ZY-3 DSM所得的坡度誤差主要分布在[-10，10]之間，約占全部84.20%，而ASTER GDEM僅占66.69%。綜上可知，就坡度誤差而言，ZY-3 DSM對(duì)坡度的描述精度優(yōu)于ASTER GDEM。

為了多角度地評(píng)價(jià)DEM地形描述精度，本文還采用湯國(guó)安等提出的地形描述誤差(Et)和其均方根誤差(RMSEt)作為地形描述精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。在假定DEM高程采樣誤差不存在的情況下，地形描述誤差Et表示模擬地面與真實(shí)地面間的差異。Et計(jì)算方法是某柵格點(diǎn)高程值與相鄰四角點(diǎn)柵格高程平均值之差，即柵格單元坐標(biāo)為(i，j)的Et值，可由式(1)計(jì)算得出。

(1)

式中：Et(i，j)為中心柵格Et值;H(i，j)為中心柵格高程值，其余為相鄰四角點(diǎn)柵格高程值。

本文在ZY-3 DSM和ASTER GDEM上隨機(jī)各選取60個(gè)中心柵格及相鄰四角點(diǎn)柵格計(jì)算Et值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，ZY-3 DSM的Et值統(tǒng)計(jì)量大部分優(yōu)于ASTER GDEM。雖然ZY-3 DSMEt平均值為ASTER GDEM的2.5倍，但ZY-3 DSM的Et最大值僅為ASTER GDEM的1/6，最小值僅為ASTER GDEM的1/4。

表3　2種數(shù)據(jù)源Et值統(tǒng)計(jì)描述　m

圖6　2種DEM的Et分布直方圖

為深入分析地形描述誤差(Et)的具體分布情況，分區(qū)間比較2種DEM數(shù)據(jù)源Et分布(見(jiàn)圖6)。ZY-3 DSM的Et值約93.33%處于[-2，2]區(qū)間，而ASTER GDEM僅有33.67%落入該區(qū)間，前者約為后者的3倍?？梢哉f(shuō)，ZY-3 DSM模擬地表更接近真實(shí)地表，兩者間的差距更小。

再根據(jù)DEM空間分辨率、平均剖面曲率與Et均方根誤差(RMSEt)關(guān)系式對(duì)地形描述誤差進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

RMSEt=(0.0063V+0.006 6)R-

0.022V+0.241 5.

(2)

式中:V為研究區(qū)平均剖面曲率，其可利用ArcGIS對(duì)DEM進(jìn)行坡度的二次計(jì)算獲得[21]，R為DEM空間分辨率。結(jié)合本文ZY-3 DSM空間分辨率為15 m，ASTER GDEM為30 m，計(jì)算得到2種DEM的RMSEt實(shí)際值和理論值見(jiàn)表4。

表4　2種DEM數(shù)據(jù)RMS Et比較

由表4可知，ZY-3 DSM的RMSEt實(shí)際值與理論值十分接近，為理論值0.98倍。相較而言，ASTER GDEM的RMSEt實(shí)際值與理論值存在較大差異，高出理論值約2.78倍。由此推斷，ZY-3 DSM對(duì)地形的描述精度遠(yuǎn)比ASTER GDEM高，與真實(shí)地形更接近。

3　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)復(fù)雜地形下ZY-3 DSM的高程精度和地形描述精度分析，可得到以下結(jié)論：從高程精度來(lái)看，ZY-3 DSM的高程精度遠(yuǎn)高于ASTER GDEM，前者的高程中誤差僅為后者的1/3。就地形描述精度而言，ZY-3 DSM的坡度誤差分布與ASTER GDEM相比更為集中，ZY-3 DSM約84.2%位于[-10，10]區(qū)間內(nèi)，而ASTER GDEM僅有66.69%，是ZY-3 DSM的2/3。此外，基于ZY-3 DSM計(jì)算得到的RMSEt實(shí)際值更接近理論值。因此，本文認(rèn)為無(wú)論從高程精度還是地形描述精度而言，ZY-3 DSM數(shù)據(jù)質(zhì)量都要高于ASTER GDEM。

[1]李德仁.我國(guó)第一顆民用三線陣立體測(cè)圖衛(wèi)星：資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2012(3)：317-322.

[2]吳曉萍,劉東麗,李國(guó)明,等.資源三號(hào)影像在礦山開(kāi)發(fā)遙感調(diào)查中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2015,38(4)：36-37.

[3]邱學(xué)雷.資源三號(hào)衛(wèi)星投入應(yīng)用填補(bǔ)空白:貢獻(xiàn)卓越的“千里眼”[J].國(guó)防科技工業(yè)，2012(8):24-25.

[4]潘紅播,張過(guò),唐新明,等.資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像產(chǎn)品精度分析與驗(yàn)證[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2013，42(5)：738-744.

[5]曹金山，馬紅利.資源三號(hào)影像對(duì)地目標(biāo)定位的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償[J].測(cè)繪科學(xué)，2015,40(9)：3-8.

[6]韓文泉，王毅明，俞明.基于機(jī)載LiDAR技術(shù)的DSM生成與地物變化自動(dòng)檢測(cè)方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(S2)：140-142.

[8]潘慧波，胡友健，王大瑩.從LiDAR數(shù)據(jù)中獲取DSM生成真正射影像[J].測(cè)繪工程，2009,19(3)：47-50.

[9]畢華興，譚秀英，李笑吟.基于DEM的數(shù)字地形分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(2)：49-53.

[10]劉勇.中國(guó)西北部高山高原地區(qū)SRTM 3數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2008，44(6)：1-7.

[10] 閆業(yè)超，張樹(shù)文，岳書(shū)平.東北川崗地區(qū)SRTM 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2008(25):41-45.

[11] 馬龍，李穎.從GTOPO30到SRTM DEM 精度研究：以西藏為例[J].水土保持通報(bào)，2006，26(5)：71-74.

[12] SUN G，RANSON K J，KHARUKVI，etal.Validation of surface height from Shuttle Radar Topography Mission using shuttle laser altimeter[J].Remote Sensing of Environment，2003,(88)：401-411.

[13] 張朝忙，劉慶生，劉高煥，等.中國(guó)地區(qū)SRTM3 DEM高程精度質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].測(cè)繪工程，2014,23(4)：14-19.

[14] 南希，李?lèi)?ài)農(nóng)，邊金虎，等.典型山區(qū)SRTM3與ASTER GDEM數(shù)據(jù)精度對(duì)比分析：以青藏高原東麓深切河谷區(qū)為例[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2015(1)：91-98.

[15] 湯國(guó)安，龔健雅，陳正江，等.數(shù)字高程模型地形描述精度量化模擬研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2001，30(4)：361-365.

[16] 劉學(xué)軍，卞璐，盧華興，等.顧及DEM誤差自相關(guān)的坡度計(jì)算模型精度分析[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2008，37(2)：200-206.

[17] 李炳元，潘保田，韓嘉福.中國(guó)陸地基本地貌類(lèi)型及其劃分指標(biāo)探討[J].第四紀(jì)研究，2008(4)：535-543.

[18] 潘紅播，張過(guò)，唐新明，等.資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像產(chǎn)品精度分析與驗(yàn)證[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2013，42(5)：738-744.

[19] 趙國(guó)松，杜耘，凌峰，等.ASTER GDEM與SRTM3高程差異影響因素分析[J].測(cè)繪科學(xué)，2012，37(4)：167-170.

[20] 張朝忙，劉慶生，劉高煥,等.我國(guó)東部地區(qū)ASTER GDEM高程精度評(píng)價(jià)[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2014(1)：67-72.

[21] TANG Guo-an.A Research on the Accuracy of Digital Elevation Models[M].Beijing：Science Press Beijing New York，2000.

[責(zé)任編輯：張德福]

Accuracy comparison between ZY-3 surveying and mapping satellite DSM and ASTER GDEM—a case of high altitude mountain areas

ZHANG Chi1，GE Ying1，WANG Chong2，XIAO Shengcang2，LI Yunting1，ZHAGN Junyuan1

(1.School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Kunming Engineering Corporation Ltd.，Power Construction Corporation Ltd. of China，Kunming 650051，China)

In order to evaluate the accuracy of DSM data of ZY-3 surveying and mapping satellite，this paper selects the ZY-3 DSM data in the high altitude mountain areas as typical areas with 1∶10 000 DEM as contrastive reference data，analyzes the ZY-3 DSM data with ASTER GDEM as reference，and compares their accuracy in terms of elevation accuracy and accuracy of terrain representation.The results show that on the whole the data quality of ZY-3 DSM is better than ASTER GDEM.

ZY-3 surveying and mapping satellite (ZY-3)；ASTER GDEM；elevation accuracy；accuracy of terrain representation

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.08.007

2015-05-11；

2015-09-20

云南省重大科技專項(xiàng)(2013ZB006 )；衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題(KLSMFA-201302)

張弛(1995-)，男，本科生.

葛瑩(1963-)，女，教授.

P237

A

1006-7949(2016)08-0029-04