胡勇 馬澤忠 黃健

復(fù)雜山區(qū)ASTER GDEM2高程精度驗證

胡勇1,2馬澤忠1,2黃健1,2

（1 重慶市國土資源和房屋勘測規(guī)劃院，重慶 400020）（2 重慶市土地利用與遙感監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，重慶 400020）

數(shù)字高程模型是地理信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了完善先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射計全球數(shù)字高程模型第二版（GDEM2）在復(fù)雜山區(qū)地形條件下的精度驗證，文章以重慶市石柱土家族自治縣為研究區(qū)，利用1∶1萬數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)和全球定位系統(tǒng)實測控制點高程數(shù)據(jù)對GDEM2數(shù)據(jù)的高程精度進(jìn)行了驗證，然后分高程等級、坡度等級和土地利用類型對GDEM2的高程精度進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，研究區(qū)GDEM2高程的均方根誤差分別為19.67m（與1∶1萬DEM相比）和9.83m（與GPS控制點相比）；GDEM2與1∶1萬DEM相比，高程差絕對值的均值為15.2m，高程差絕對值小于20m的比例為73.1%；GDEM2高程精度隨高程和坡度的增加而增大，林地的誤差大于耕地和草地。研究結(jié)果表明，復(fù)雜山區(qū)GDEM2的總體精度低于官方發(fā)布精度，超過25%的區(qū)域的高程誤差大于20m，因此，在復(fù)雜山區(qū)對于高程精度要求較高的應(yīng)用宜采用更高精度的DEM數(shù)據(jù)。

全球定位系統(tǒng) 全球數(shù)字高程模型 高程精度驗證 遙感應(yīng)用

0 引言

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是地形表面形態(tài)的數(shù)字化模擬，它在測繪、水文、氣象、地貌、工程建設(shè)、通訊、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射計（The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer，ASTER）全球數(shù)字高程模型（Global Digital Elevation Model，GDEM）是美國航空航天局與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省共同推出的全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)[4]，該數(shù)據(jù)是利用新一代對地觀測衛(wèi)星Terra上搭載的ASTER傳感器獲取的光學(xué)立體影像制作而成[5]。ASTER GDEM共發(fā)布了兩個版本的數(shù)據(jù)，第一版發(fā)布于2009年，第二版發(fā)布于2011年10月。全球數(shù)字高程模型第二版（GDEM2）在第一版的基礎(chǔ)上新增了26萬景影像并改進(jìn)了算法，提高了數(shù)據(jù)的空間分辨率和高程精度[6]。GDEM2是目前覆蓋范圍最廣的全球免費高精度DEM數(shù)據(jù)，也是應(yīng)用最廣泛的DEM數(shù)據(jù)之一[7]。

GDEM空間分辨率為（2.78×10–4）°，官方發(fā)布的精度為平面精度30m，高程精度為20m，置信度為95%[8]。GDEM自發(fā)布以來，已有較多的研究對其精度進(jìn)行了驗證[9-11]。但這些驗證大多針對第一版數(shù)據(jù)[5,12]，而GDEM2相比第一版在高程精度上有一定的提高，因此有必要對GDEM2的精度進(jìn)行驗證。此外，已有的研究驗證數(shù)據(jù)主要采用與GDEM精度相當(dāng)?shù)暮教祜w機(jī)雷達(dá)地形測繪（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）高程數(shù)據(jù)，驗證區(qū)域主要集中在地形平坦或地形變化較緩的區(qū)域，因為SRTM高程數(shù)據(jù)的空間分辨率為90m，難以反映復(fù)雜的地形變化，因此復(fù)雜山區(qū)SRTM高程數(shù)據(jù)的精度也難以保證。在復(fù)雜山區(qū)需要采用更高精度的高程數(shù)據(jù)，才能對GDEM2的精度進(jìn)行驗證。本文選擇重慶市石柱土家族自治縣（以下簡稱石柱縣）為研究區(qū)，分別利用1∶1萬DEM數(shù)據(jù)和高精度GPS實測高程數(shù)據(jù)，首次在地形復(fù)雜地區(qū)采用高精度的高程數(shù)據(jù)對GDEM2的精度進(jìn)行了驗證。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

石柱縣位于重慶市東部、長江南岸、三峽庫區(qū)腹心地帶（如圖1），地跨北緯29o39′~30o32′，東經(jīng)107o59′~108o34′之間。境內(nèi)方斗山、七曜山兩大山脈近乎平行縱貫全境，形成“兩山夾一槽”的地貌特征；地勢東南高，西北低，呈起伏狀下降；屬亞熱帶欠濕潤季風(fēng)環(huán)流氣候，雨量充沛，四季分明，光照充足，氣候溫和，海拔高程119m~1934.10m[13]。根據(jù)研究區(qū)1∶1萬DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)計，石柱縣高程標(biāo)準(zhǔn)差為370m，坡度均值為23.2°，坡度小于5°的區(qū)域僅占全縣面積的4.6%，屬于典型的復(fù)雜山區(qū)。

圖1 研究區(qū)與GPS實測點分布

1.2 數(shù)據(jù)

GDEM2空間參考為WGS84/EGM96，數(shù)據(jù)覆蓋范圍為北緯83°至南緯83°之間的所有陸地區(qū)域。

1∶1萬DEM數(shù)據(jù)是根據(jù)重慶市石柱縣1∶1萬地形圖中的等高線、高程點、特征線等地形要素進(jìn)行數(shù)字化處理，地形圖數(shù)據(jù)更新時間為2006—2007年，DEM制作時間為2008年。該DEM數(shù)據(jù)的高程中誤差小于5m，空間參考為西安80/85黃海高程，空間分辨率為5m。

通過GPS采集高精度控制點數(shù)據(jù)，可用于衛(wèi)星影像幾何校正及幾何精度驗證[14]。本文所用GPS數(shù)據(jù)利用重慶市國土資源連續(xù)運行參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）系統(tǒng)采集[15-16]，該CORS系統(tǒng)的平面精度為2cm，高程精度為3.2cm，測量數(shù)據(jù)的空間參考為CGCS2000/85黃海高程。GPS數(shù)據(jù)一共獲取了336個點，數(shù)據(jù)采集時間為2017年11月，均勻分布于石柱全縣，如圖1所示。由于GPS數(shù)據(jù)采集時間與GDEM2采集時間較遠(yuǎn)，因此GPS控制點均選擇在人類活動對高程影響較小的位置。

2 研究方法

2.1 與1∶1萬DEM比較

首先將1∶1萬DEM的投影坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將坐標(biāo)和空間分辨率轉(zhuǎn)換為與GDEM2一致。因1∶1萬DEM數(shù)據(jù)的高程基準(zhǔn)與GDEM2不一致，研究表明兩者的的差異約為0.35m[17]，因此將1∶1萬DEM數(shù)據(jù)加上0.35m，使其與GDEM2一致。然后利用石柱縣行政界線對1∶1萬DEM和GDEM2進(jìn)行裁剪，裁剪后兩影像大小一致。分別統(tǒng)計兩影像的最大值、最小值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差，繪制兩景影像所有像元的散點圖，并計算均方根誤差rms和決定系數(shù)2，2表示兩種數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。公式如下所示[18]

（2）

式中G是指的GDEM2高程數(shù)據(jù)；為1∶1萬DEM像元高程值；為像元數(shù)；為循環(huán)變量，表示第個像元。利用1∶1萬DEM減去GDEM2得到DEM差值影像，然后統(tǒng)計差值影像的最大值、最小值、均值，并繪制差值影像的直方圖。因差值的均值存在正負(fù)相抵的情況，也統(tǒng)計了絕對差值的均值。此外，海拔、坡度和土地利用類型是影響GDEM2精度的主要因素，本文分別從以下方面分析了GDEM2的高程誤差。

1）對海拔進(jìn)行分級，然后分級統(tǒng)計DEM差值影像的最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和絕對誤差均值。

2）對坡度進(jìn)行分級，然后分級統(tǒng)計DEM差值影像的最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和絕對誤差均值。

3）按土地利用類型分別統(tǒng)計DEM差值影像的最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和絕對誤差均值。

2.2 與高精度GPS實測點比較

首先將GPS實測點坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為與GDEM2一致，并利用GPS測量點的坐標(biāo)提取GDEM2影像中對應(yīng)點的像元值，然后繪制所有測量點兩種高程數(shù)據(jù)的散點圖、計算rms和2。利用GPS測量高程減去GDEM2得到的高程差值數(shù)據(jù)，統(tǒng)計差值數(shù)據(jù)的最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和絕對誤差均值。

3 結(jié)果

3.1 GDEM2與1∶1萬DEM比較結(jié)果

研究區(qū)GDEM2與1∶1萬DEM的密度散點圖如圖2所示，基本統(tǒng)計信息如表1所示。圖2顯示，1∶1萬DEM與GDEM2散點圖基本都分布在1∶1線上及其附近，兩種數(shù)據(jù)的2為0.99，rms為19.67。表明研究區(qū)GDEM2與1∶1萬DEM的一致性總體較好，但也存在一定的偏差。

圖2 1∶1萬DEM與GDEM2散點圖

表1 GDEM2和1∶1萬DEM統(tǒng)計

Tab.1 Statistics of the elevation for GDEM2 and 1∶10 000 DEM m

表1顯示，研究區(qū)1∶1萬DEM與GDEM2的均值與標(biāo)準(zhǔn)差差異較小，但最小值和最大值差異較大，其中最小值的差異達(dá)到了43m。根據(jù)公開資料，石柱縣高程范圍為119.00m~1 934.10m，與1∶1萬DEM的高程范圍值基本一致，與GDEM2有一定差異。提取GDEM2中高程低于100m的像元并疊加遙感影像圖，結(jié)果顯示這些像元均位于長江江面，表明研究區(qū)GDEM2的水面高程誤差較大。

利用1∶1萬DEM減去GDEM2得到高程差影像，差值影像的直方圖統(tǒng)計顯示（見圖3），高程差為–20m~20m的像元為73.1%，高程差為–40m~40m的像元為95.6%，低于GDEM2官方發(fā)布精度，表明研究區(qū)GDEM2的高程精度低于全球平均精度。此外，高程差值影像的最小值和最大值分別為–107.0m和89.5m，均值為–0.6m，絕對誤差均值15.2m，表明研究區(qū)GDEM2高程整體略低于1∶1萬DEM。提取高程差影像中的絕對值大于50m的像元為高程異常點，高程異常點（藍(lán)色像元）疊加地形暈渲圖的局部如圖4所示。圖4顯示，高程異常點主要位于峽谷、山脊和陡坡，可能的原因是這些區(qū)域地形破碎、高程變化大且植被覆蓋高，通過ASTER影像對提取的同名點精度較低或者數(shù)量較少[19-20]。

圖3 高程差影像（1∶1萬DEM-GDEM2）直方圖

圖4 高程異常點（藍(lán)色點）疊加地形暈渲圖

表2~表4分別為高程差分高程等級、海拔等級和土地利用類型的統(tǒng)計結(jié)果。分高程等級統(tǒng)計結(jié)果顯示，高程差的最值、標(biāo)準(zhǔn)差和絕對誤差均值都隨高程的增加而增大，即隨著高程的增加，GDEM2與1∶1萬DEM的差異增大。分坡度等級統(tǒng)計的結(jié)果與高程分級統(tǒng)計一致，表明坡度越大，GDEM2的精度越低。研究區(qū)的土地利用類型中耕地、草地和林地的比例超過99%，因此本文只統(tǒng)計了這三種土地利用類型的高程差。統(tǒng)計結(jié)果顯示，林地的精度低于耕地和草地，絕對差值均值分別為17.6m、14.0m和11.7m。

表2 高程差（1∶1萬DEM-GDEM2）分高程等級統(tǒng)計

Tab.2 Statistics of the elevation differences（1∶10 000 DEM-GDEM2）in elevation level m

表3 高程差（1∶1萬DEM-GDEM2）分坡度等級統(tǒng)計

Tab.3 Statistics of the elevation differences（1∶10 000 DEM-GDEM2）in slope level m

表4 高程差（1∶1萬DEM-GDEM2）分土地利用類型統(tǒng)計結(jié)果

Tab.4 Statistics of the elevation differences（1∶10 000 DEM-GDEM2）based on land use type m

3.2 GDEM2與GPS控制點高程比較結(jié)果

GDEM2與GPS控制點高程的散點圖如圖5所示。圖5顯示，GPS控制點高程與GDEM2散點圖基本都分布在1∶1線上及其附近，2為0.99，均方根誤差為9.83，表明兩種高程數(shù)據(jù)在GPS控制點位置的一致性較好，誤差較小。GPS控制點高程減去GDEM2的高程差數(shù)據(jù)統(tǒng)計值如表5所示。高程差的最小值為–28.9m，最大值為24.9m，絕對誤差均值為6.8m，96.6%的點的高程差絕對值小于20m。

表5 高程差（GPS-GDEM2）統(tǒng)計結(jié)果

Tab.5 Statistics of the elevation differences（GPS-GDEM2） m

圖5 GPS與GDEM2高程散點圖

4 結(jié)束語

本文利用1∶1萬DEM數(shù)據(jù)和336個高精度GPS控制點高程數(shù)據(jù)分別與GDEM2進(jìn)行了對比分析，得出以下結(jié)論：

1）研究區(qū)GDEM2精度低于官方發(fā)布精度，高程最大值與最小值與實際值差異較大。與1∶1萬DEM的相比，高程差最小值和最大值分別為–107.0m和89.5m，均值為–0.6m，絕對誤差均值15.2m，高程差絕對值小于20m的比例為73.1%。與GPS控制點測量高程相比，高程差的最小值為–28.9m，最大值為24.9m，均值為–2.2m，絕對誤差均值為6.8m，高程差絕對值小于20m的比例為96.6%。GPS控制點高程與GDEM2對比結(jié)果要優(yōu)于1∶1萬DEM與GDEM2對比結(jié)果，可能的原因是GPS控制點選擇在測量人員容易到達(dá)的位置，無山脊、陡坡等地形條件下的點，因此GDEM2的高程精度也相對較高。

2）GDEM2精度受高程、坡度和土地利用類型的影響較大。隨著高程、坡度的增大，都導(dǎo)致GDEM2精度降低，1∶1萬DEM與GDEM2高程差絕對值大于50m的點均位于峽谷、山脊和陡坡等地形區(qū)域；林地的精度低于耕地和草地，可能的原因包括通過光學(xué)立體相對提取的DEM包括樹高信息、林地的地形條件更復(fù)雜等[21-23]。此外，GDEM2的水面高程精度仍較低，不能用于描述水面高程。

3）本文首次在復(fù)雜山區(qū)條件下采用高精度的高程數(shù)據(jù)對GDEM2的精度進(jìn)行了驗證，驗證結(jié)果可為復(fù)雜山區(qū)GDEM2的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

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Accuracy Assessment of the ASTER GDEM2 in Complex Mountain Area

HU Yong1,2MA Zezhong1,2HUANG Jian1,2

（1 Chongqing Institute of Surveying and Planning for Land Resources and Housing, Chongqing 400020, China）（2 Chongqing Engineering Research Center of Land Use and Remote-Sense Monitoring, Chongqing 400020, China）

DEM (Digital Elevation Model) is an important basic geographic information data. In order to improve the accuracy assessment of the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) Global Digital Elevation Model version 2 (GDEM2) in complex mountain area, the absolute vertical accuracy of GDEM2 was assessed at Shizhu county using ground control points (GCPs) from high-accuracy GPS benchmarks and also using a DEM-to-DEM comparison with the 1∶10000 DEM. It is demonstrated that the vertical errors of root mean value of GDEM2 are 9.83m against GPS-GCPs and 19.67m for the 1∶10000 DEM respectively. Compared with 1∶10000 DEM, the absolute mean error (AME) of the elevation difference is 15.2m, and the percent of the pixels with absolute elevation difference less than 20m is 73.1%, which means the overall accuracy in complex mountain area is lower than the official release accuracy. Moreover, the error of GDEM2 increases with elevation and slope, and the error of forestland is greater than that of farmland and grassland.

GPS; ASTER GDEM; elevation accuracy assessment; remote sensing application

TP79

A

1009-8518(2019)04-0122-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.04.014

胡勇，男，1985年生，2014年獲中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所地理信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，高級工程師。研究方向為遙感數(shù)據(jù)定量化處理與土地利用遙感。E-mail：rihor@sina.com。

2019-02-18

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技項目（2016-k8-054）和重慶市國土房管科技項目（KJ-2019010）資助

（編輯：龐冰）