吳宇鑫, 趙牡丹, 高志遠(yuǎn), 劉 婷

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 西安 710127; 2.武警工程大學(xué) 信息工程學(xué)院, 西安 710086)

數(shù)字高程模型(digital elevation model)作為地表高程信息的原始數(shù)據(jù)源，在地學(xué)研究的諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如土壤侵蝕、水土流失、地貌分析及地形因子的提取等?，F(xiàn)階段，針對(duì)DEM的精度評(píng)價(jià)，已有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究工作。Rodríguez等[1]利用GPS控制點(diǎn)對(duì)全球六大洲的SRTM DEM精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。Ioannidis等[2]利用地面測(cè)量控制點(diǎn)對(duì)ASTER GDEM和SRTM在希臘地區(qū)的精度進(jìn)行對(duì)比分析。Shortridge等[3]利用NED高程數(shù)據(jù)對(duì)全美SRTM 90 m分辨率SRTM DEM進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，并從地形因子和地表覆蓋方面進(jìn)行精度分析。Zhao等[4]利用SRTM DEM V2數(shù)據(jù)和SRTM DEM V4數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)中部ASTER GDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，結(jié)果得出ASTER GDEM測(cè)量值較SRTM DEM偏大，且平原地區(qū)精度高于山區(qū)。由于ASTER GDEM受地形因素影響較大[5]，受試驗(yàn)樣區(qū)局限性較大，因此大量研究應(yīng)用其同尺度分辨率的SRTM DEM產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)(Shuttle Radar Terrain Mission, SRTM)數(shù)據(jù)作為最廣泛應(yīng)用的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，其精度的優(yōu)劣關(guān)系到科研結(jié)果的可信性及科學(xué)性。SRTM DEM數(shù)據(jù)按照工作的傳感器波段可以分為X波段數(shù)據(jù)和C波段數(shù)據(jù)，研究表明，在亞洲地區(qū)，3弧秒(90 m)分辨率的C波段SRTM數(shù)據(jù)的整體精度要優(yōu)于X波段數(shù)據(jù)，1弧秒(30 m)分辨率的C波段數(shù)據(jù)精度也要優(yōu)于X波段的1弧秒數(shù)據(jù)[6]。在2015年之后，美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局(NGA)已對(duì)中國(guó)用戶開(kāi)放可以免費(fèi)下載全球范圍的1弧秒分辨率SRTM DEM數(shù)據(jù)，因此對(duì)SRTM DEM 1弧秒分辨率和3弧秒分辨率的精度進(jìn)行對(duì)比分析就顯得十分重要。

高精度星載雷達(dá)(ICESat/GLAS)數(shù)據(jù)的水平精度為±20 cm，高程精度為±18 cm，相比全球免費(fèi)中分辨率DEM，ICESat/GLAS具有更高的水平和高程精度，已有不少學(xué)者利用此方法進(jìn)行了相關(guān)的研究驗(yàn)證[6-13]。因此本文利用ICESat/GLAS數(shù)據(jù)作為控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，選擇中國(guó)3種典型地區(qū)(華北平原、云貴高原和青藏高原)，盡可能多地模擬出不同的地貌、地形類型，針對(duì)SRTM DEM 30 m分辨率及90 m分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，試圖從地表覆蓋和地形因素兩個(gè)方面揭示誤差分布規(guī)律。

1 研究方法及數(shù)據(jù)集

1.1 研究區(qū)概況

本文選擇中國(guó)的3種典型地貌區(qū)：華北平原、云貴高原和青藏高原，隸屬于我國(guó)不同的3類階地。其中華北平原研究區(qū)位于東經(jīng)115°—119°，北緯35°—39°，其區(qū)域地貌主要為北低南高，北部為華北平原區(qū)，南側(cè)為低山丘陵區(qū)，隸屬于第三階梯。云貴高原研究區(qū)的經(jīng)度范圍約為東經(jīng)100°—103°，北緯25°—27°，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)大部分為山區(qū)地形，平均海拔超過(guò)2 000 m，隸屬于第二階梯。青藏高原試驗(yàn)區(qū)位于東經(jīng)87°—89°，北緯31°—33°，其范圍內(nèi)地形主要由高原山區(qū)和高原平原組成，平均海拔超過(guò)5 000 m，隸屬于第一階梯。

1.2 研究數(shù)據(jù)集

本次研究使用的數(shù)據(jù)集主要包括DEM數(shù)據(jù)和ICESAT/GALS數(shù)據(jù)。

DEM包括SRTM全球1弧秒分辨率數(shù)據(jù)即SRTM 1 Arc-Second Global數(shù)據(jù)(下文稱為SRTMGL1)和CGIAR發(fā)布的C波段SRTM Version 4數(shù)據(jù)(下文稱為SRTM V4)，前者的空間分辨率為1弧秒(30 m)，后者為3弧秒(90 m)。在所有3弧秒分辨率的C波段SRTM數(shù)據(jù)中，SRTM V4數(shù)據(jù)集利用了新的插值與補(bǔ)洞的方法，改善了雷達(dá)傳感器因?yàn)樯降仄鸱鼊×宜斐傻臄?shù)據(jù)精度偏差，這使得V4版本的SRTM數(shù)據(jù)較以往的3弧秒數(shù)據(jù)有明顯的改進(jìn)[14]。SRTMGL1數(shù)據(jù)下載自美國(guó)地質(zhì)勘探局(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)，SRTM V4數(shù)據(jù)下載自(http:∥srtm.csi.cgiar.org/)。

控制點(diǎn)數(shù)據(jù)集采用ICEsat/GLAS數(shù)據(jù)集中的GLA14二級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，GLA14數(shù)據(jù)主要是針對(duì)陸地表面的測(cè)高數(shù)據(jù)集，是由ICESat/GLAS數(shù)據(jù)集中的GLA05和GLA06一級(jí)產(chǎn)品合成，其數(shù)據(jù)主要形式是傳感器發(fā)射的脈沖亮斑對(duì)應(yīng)的地面的數(shù)據(jù)點(diǎn)，星下點(diǎn)的光斑半徑為70 m，相鄰的地面點(diǎn)距離約為170 m,其測(cè)高的高程精度達(dá)到了cm級(jí)，ICESat/GLAS數(shù)據(jù)預(yù)處理方法見(jiàn)文獻(xiàn)[15-16]，ICESat/GLAS數(shù)據(jù)下載自美國(guó)國(guó)家冰雪中心(http:∥nsidc.org/)。

研究中應(yīng)用歐空局發(fā)布的土地覆蓋數(shù)據(jù)集GlobCover v2.2作為地表覆蓋分類的參考數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載自歐洲空間局(http:∥due.esrin.esa.int/page_globcover.php)。

1.3 研究方法

研究中精度指標(biāo)主要利用高程誤差d,平均誤差Mean、標(biāo)準(zhǔn)偏差SD和中誤差RSM，高程誤差代表了每一個(gè)控制點(diǎn)的高程值與DEM的柵格高程值之差(HDEM-HGLA4)，平均誤差是數(shù)據(jù)集中高程誤差的平均值，代表了一個(gè)數(shù)據(jù)集的整體精度。標(biāo)準(zhǔn)差代表了高程誤差間的離散程度。中誤差代表了測(cè)量值與真值的偏離程度，是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)精度的最直接標(biāo)準(zhǔn)。其公式見(jiàn)(1)—(4)。本文利用以下精度指標(biāo)，結(jié)合地形因子、土地覆蓋以及地貌因素綜合對(duì)兩種SRTM進(jìn)行精度比對(duì)和分析。

d=HSRTM-HGLA14

(1)

(2)

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 DEM整體精度

對(duì)3類試驗(yàn)樣區(qū)的兩種DEM進(jìn)行精度計(jì)算后結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出兩種DEM的精度在華北平原地帶大體相當(dāng)，兩種DEM的標(biāo)準(zhǔn)偏差和中誤差基本相同，而在山地起伏最大的貴州高原研究區(qū)，兩種DEM的精度偏差較大，其中標(biāo)準(zhǔn)差有0.43 m的偏差，中誤差有2.42 m的偏差?？傮w上SRTMGL1平均誤差為2.35 m，系統(tǒng)誤差為(2.35±5.25) m，數(shù)據(jù)精度為5.75 m；SRTM V4平均誤差為2.38 m，系統(tǒng)誤差為(2.38±6.24) m，數(shù)據(jù)精度為6.68 m。SRTMGL1數(shù)據(jù)精度優(yōu)于SRTM V4數(shù)據(jù)，離散程度也較SRTM V4偏小，兩種DEM的數(shù)據(jù)精度和地形都有著密切的關(guān)系。

表1 SRTMGL1和SRTM V4精度指標(biāo) m

2.2 基于地形因子的影響研究

2.2.1 基于坡度因子 將研究區(qū)域坡度進(jìn)行分級(jí)，由于所選取的3類研究區(qū)地形起伏不同，因此選取的坡度分級(jí)有所差異，華北平原研究區(qū)劃分為0°～1°，1°～2°，2°～3°，3°～4°，4°～5°，>5°；云貴高原研究區(qū)劃分為0°～1°，1°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～20°，20°～25°，25°～30°，30°～35°，35°～40°，>40°；青藏高原研究區(qū)則劃分為0°～1°，1°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～20°，20°～25°，25°～30°，>30°，分別計(jì)算各個(gè)坡度級(jí)不同研究區(qū)兩種DEM的中誤差，結(jié)果如圖1所示。

兩種DEM中誤差隨坡度分布的變化特征在3類研究區(qū)內(nèi)相似，在所有的坡度分級(jí)區(qū)間內(nèi)，SRTMGL1的數(shù)據(jù)精度要優(yōu)于SRTM V4。在地勢(shì)較為平坦的地區(qū)(坡度<1°)，兩種DEM的中誤差較為接近，其中華北平原研究區(qū)兩種DEM中誤差之差為0.16 m，云貴高原研究區(qū)為0.07 m，青藏高原研究區(qū)僅為0.03 m，精度差異不明顯。當(dāng)研究區(qū)內(nèi)坡度增大時(shí)，不同研究區(qū)內(nèi)兩種DEM中誤差的變化規(guī)律有所不同，在華北平原研究區(qū)和青藏高原研究區(qū)內(nèi)，隨著坡度的增大，SRTMGL1 DEM和SRTM V4 DEM的精度分異程度增大，其中在華北平原研究區(qū)，當(dāng)坡度大于5°時(shí)，SRTMGL1和SRTM V4的中誤差之差達(dá)到0.49 m；在青藏高原研究區(qū)，當(dāng)坡度大于30°時(shí)，SRTMGL1和SRTM V4的中誤差之差達(dá)到4.91 m，是坡度小于1°時(shí)的163倍，可見(jiàn)坡度對(duì)于SRTM V4數(shù)據(jù)精度的影響程度大于SRTMGL1數(shù)據(jù)。研究中也發(fā)現(xiàn)，在云貴高原研究區(qū)，DEM精度隨坡度的變化特征有所不同，兩種DEM的中誤差差值最大值出現(xiàn)在30°～35°的坡度區(qū)間內(nèi)，為3.74 m，而當(dāng)坡度大于35°時(shí)，兩種DEM數(shù)據(jù)中誤差差值減小，在大于40°的坡度區(qū)間內(nèi)，兩種數(shù)據(jù)的中誤差差值為1.35。當(dāng)坡度大于35°時(shí)，SRTMGL1的數(shù)據(jù)精度迅速變差，其誤差與同坡度級(jí)的SRTM V4接近，這可能與云貴高原的高密度的地表森林覆蓋有關(guān)，使得較大坡度的森林覆蓋區(qū)域SRTM數(shù)據(jù)精度變差。

圖1 3類研究區(qū)中兩種DEM中誤差隨坡度變化

2.2.2 基于地貌因素 為了揭示地貌與兩種DEM的誤差分布關(guān)系，首先必須要消除樹(shù)木植被對(duì)結(jié)果的影響，如Zhang等[17]通過(guò)設(shè)置PTC指數(shù)(represent percent tree cover)來(lái)剔除植被區(qū)，而在本研究中則根據(jù)土地覆蓋數(shù)據(jù)集GlobCover v2.2的屬性信息剔除掉幾種高植被和密植被的數(shù)據(jù)點(diǎn)(剔除掉闊葉林、針葉林、高層灌木等植被區(qū)域)，進(jìn)而在華北平原研究區(qū)和青藏高原研究區(qū)選取4種地貌，進(jìn)行精度分析，依次為平原地區(qū)(華北平原)、丘陵地區(qū)(華北平原)、高原平原區(qū)(青藏高原)和高原高山區(qū)(青藏高原)，利用ICESat/GLAS高程控制點(diǎn)，對(duì)4種不同地貌區(qū)域的兩種DEM進(jìn)行高程剖面線提取，進(jìn)行比對(duì)，剖面結(jié)果如圖2所示。

研究表明，對(duì)于4種地貌區(qū)域的相對(duì)精度，兩種DEM的測(cè)量值具有不同的分異特點(diǎn)?？傮w上，隨著地貌類型的復(fù)雜和地表粗糙度的增加，兩種DEM的高程差值范圍增大，即高原高山區(qū)>丘陵區(qū)>高原平原區(qū)>平原區(qū)，高程差值與研究樣區(qū)所在地的高程相關(guān)性不大。在平原區(qū)域和高原平原區(qū)，SRTMGL1和SRTM V4數(shù)據(jù)測(cè)量值接近，其中平原區(qū)高程差值范圍為-2～2 m，高原平原區(qū)高程差值范圍為-4～4 m，差值隨地形沒(méi)有明顯的分布規(guī)律。在丘陵區(qū)和高原高山區(qū)，兩種DEM差值變化幅度較為動(dòng)蕩，尤其在山脊點(diǎn)或山谷點(diǎn)等地形變化率較大的區(qū)域，兩種DEM的差值出現(xiàn)兩極化的分布，SRTMGL1和SRTM V4數(shù)據(jù)的高程測(cè)量值相差較大，一般情況下，在山脊處時(shí)SRTMGL1數(shù)據(jù)測(cè)量值偏大，在山谷處SRTM V4數(shù)據(jù)測(cè)量值偏大。

基于ICESat/GLAS控制點(diǎn)的4種地貌區(qū)DEM絕對(duì)精度剖面圖如圖3所示。總體來(lái)講，控制點(diǎn)與兩種DEM高程差在丘陵區(qū)和高原高山區(qū)表現(xiàn)較其他地貌區(qū)振幅動(dòng)蕩幅度偏大，其中在高原高山區(qū)，高程差值最大值達(dá)到了將近25 m，而在平原區(qū)及高原平原區(qū)動(dòng)蕩幅度較小，在高原平原區(qū)，其高程差值最大值不超過(guò)7 m。SRTMGL1數(shù)據(jù)與控制點(diǎn)差值在平原區(qū)和高原平原區(qū)較SRTM V4數(shù)據(jù)差值較小且剖面線浮動(dòng)小，更為穩(wěn)定。

從表2的各地貌區(qū)的兩種DEM的平均誤差和中誤差結(jié)果可以看出，地貌類型為平原區(qū)時(shí)，SRTMGL1和SRTM V4的中誤差最小，其中SRTMGL1數(shù)據(jù)的中誤差只有1.54 m，而在高原高山區(qū)，兩種DEM的中誤差最大，SRTM V4的中誤差達(dá)到了8.73 m。SRTMGL1和SRTM V4的中誤差在平原區(qū)相當(dāng)接近，其差值只有0.21 m，而在丘陵區(qū)和高原高山區(qū)，兩種DEM的中誤差差值最大，其中丘陵區(qū)為3 m，而在高原高山區(qū)達(dá)到了3.07 m。

2.3 基于土地覆蓋的精度研究

對(duì)土地覆蓋數(shù)據(jù)集進(jìn)行篩選和分類后，其地物類型可分為以下幾類：耕地、低植被(高度小于5 m)、高植被(高度大于5 m)、裸地、人造表面、水體和冰川，計(jì)算每種地物類型范圍內(nèi)的ICESat/GLAS控制點(diǎn)的中誤差，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。

由兩類DEM的中誤差與地表覆蓋的關(guān)系可以看出，在華北平原研究區(qū)和云貴高原研究區(qū)中，人造表面和裸地的中誤差最小，其中在華北平原研究區(qū)，裸地覆蓋區(qū)的SRTM V4中誤差僅為1.58 m，在云貴高原研究區(qū)，人造地面覆蓋區(qū)(城市農(nóng)村用地、部分工業(yè)用地及交通用地等)的SRTM GL1中誤差為9.84 m。而植被覆蓋區(qū)的中誤差值較其他覆蓋區(qū)偏大，Shortridge等[3]指出，SRTM數(shù)據(jù)在植被覆蓋區(qū)中誤差比全研究區(qū)中誤差大60%，可見(jiàn)，在植被覆蓋區(qū)內(nèi)，DEM的高程測(cè)量值偏移量最大，尤其在高植被區(qū)域，華北平原的高植被區(qū)SRTM V4的中誤差比整個(gè)華北平原地區(qū)的SRTM V4中誤差高110%，云貴高原地區(qū)的高植被區(qū)域SRTMGL1中誤差比全研究區(qū)高13.46%，且在高植被區(qū)兩種DEM的精度相差最大，華北平原研究區(qū)兩者中誤差之差為1.85 m，云貴高原研究區(qū)中誤差之差為3.56 m。在青藏高原研究區(qū)，冰川覆蓋區(qū)的精度最低，SRTM V4的中誤差為8.36 m，SRTMGL1的中誤差為6.05 m，相差2.31 m，而在水體覆蓋區(qū)，兩種DEM的精度皆較高，SRTM V4中誤差為3.56 m，SRTMGL1為3.57 m，兩者僅差0.01 m。

圖2 4種地貌區(qū)中兩種DEM相對(duì)誤差剖面線

圖3 6種地貌區(qū)中兩種DEM絕對(duì)誤差剖面線

表2 兩種DEM在各地貌區(qū)精度 m

圖4 3種研究區(qū)不同土地覆蓋中誤差分布

3 結(jié) 論

(1) 整體上，針對(duì)不同研究區(qū)，兩種DEM在華北平原精度最高，其中SRTM V4精度為2.47 m，系統(tǒng)誤差為(1.21±2.52) m；SRTMGL1精度為2.99 m，系統(tǒng)誤差為(1.21±2.52) m。云貴高原精度最低，其中SRTM V4精度為12.92 m，系統(tǒng)誤差為(2.31±12.72) m；SRTMGL1精度為10.47 m，系統(tǒng)誤差為(1.88±10.30) m。且在3個(gè)研究區(qū)中，SRTMGL1的精度要優(yōu)于SRTM V4的精度，由于兩者數(shù)據(jù)傳感器波段均為C波段，因此精度差異主要是由于SRTMGL1的空間分辨率決定的，較為精細(xì)的空間尺度可以提供更好的地形細(xì)節(jié)表達(dá)和更優(yōu)良的高程精度。

(2) 坡度對(duì)于兩種DEM精度皆具有較大影響，在不同的坡度分級(jí)內(nèi)，SRTMGL1的數(shù)據(jù)精度皆高于SRTM V4數(shù)據(jù)。在坡度較小的區(qū)間內(nèi)，SRTMGL1和SRTM V4精度相差不大，在華北平原和青藏高原地區(qū)，隨著坡度的增大，兩者中誤差之差增大，而在云貴高原研究區(qū)，隨著坡度的增大，兩者中誤差之差先增大后減小，這可能是由于高坡度、高密度的森林覆蓋造成SRTMGL1數(shù)據(jù)精度急劇衰減所致。

(3) 對(duì)于4種不同的地貌分區(qū)，兩類DEM的相對(duì)精度和絕對(duì)精度隨地形的變化有不同的分異規(guī)律。對(duì)于相對(duì)精度，在山脊點(diǎn)處，SRTMGL1數(shù)據(jù)測(cè)量較SRTM V4數(shù)據(jù)偏大，在山谷點(diǎn)處，SRTM V4數(shù)據(jù)測(cè)量值較SRTMG1數(shù)據(jù)偏大；對(duì)于絕對(duì)精度，ICESat/GLAS控制點(diǎn)與兩者DEM差值在高起伏區(qū)(丘陵區(qū)和高原高山區(qū))變化幅度大，SRTMGL1與SRTM V4數(shù)據(jù)差值剖面先分異性明顯；在低起伏區(qū)(平原區(qū)和高原平原區(qū))，差值變化幅度小，兩類DEM差值剖面線分異性不明顯。

(4) 在華北平原試驗(yàn)區(qū)和云貴高原試驗(yàn)區(qū)中，兩種DEM在裸地和人造表面覆蓋區(qū)的精度最高，在高植被區(qū)域(>5 m)的精度最差。在青藏高原研究區(qū)，兩種DEM在水體覆蓋區(qū)的精度最高，而在冰川處的精度最差。