摘要：黃土高原地區(qū)是我國水土流失的重點(diǎn)區(qū)域，快速、精準(zhǔn)、便捷地獲取黃土高原地區(qū)的地形信息，可以為區(qū)域水土流失研究提供數(shù)據(jù)支持。為掌握開放的SRTMDEM能否支撐黃土高原地區(qū)水土流失研究工作，以位于黃土丘陵溝壑區(qū)的韭園溝為研究區(qū)，以5m分辨率的1∶10000DEM數(shù)據(jù)作為參考真值，對(duì)SRTMDEM進(jìn)行高程精度和地形、水文因子表達(dá)能力分析。結(jié)果表明：①高程最大誤差為62m，平均誤差為13.43m，中誤差為14.62m，誤差在合理范圍內(nèi)，SRTMDEM可以表達(dá)高程信息和地形起伏特征；②SRTMDEM在坡度較高地區(qū)的地形細(xì)節(jié)表達(dá)能力相對(duì)較弱，在坡向表達(dá)方面表現(xiàn)較好；③SRTMDEM可以很好地刻畫河網(wǎng)及流域溝谷特征。綜合來看，SRTMDEM可為黃土高原地區(qū)大尺度水土流失研究提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：SRTMDEM；高程；地形；水文；水土流失；黃土高原地區(qū)

中圖分類號(hào)：P208；S157文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.03.011

引用格式：張慶功，賈智樂，黃偉，等.SRTMDEM在黃土高原地區(qū)的應(yīng)用研究[J].中國水土保持，2025（3）：38-41.

DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)是水土流失研究中的重要支撐數(shù)據(jù)之一，可用于計(jì)算高程、坡度、坡向等信息。然而大范圍、高精度的DEM數(shù)據(jù)獲取難度大、成本高，給區(qū)域尺度水土流失研究信息獲取帶來了一定困難。因此，常態(tài)化、便捷化、低成本獲取區(qū)域尺度高精度DEM數(shù)據(jù)對(duì)于水土流失研究具有重要意義。SRTM（ShuttleRadarTopographyMission）DEM是美國航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪數(shù)據(jù)，可免費(fèi)下載使用，按照精度可分為SRTM1和SRTM3，對(duì)應(yīng)分辨率分別為30m和90m，這為我國開展區(qū)域尺度水土保持關(guān)鍵因子研究提供了新思路。目前，國內(nèi)外已有針對(duì)SRTMDEM數(shù)據(jù)的研究，主要集中在SRTMDEM數(shù)據(jù)處理和空洞填補(bǔ)[1]、數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度分析[2]以及在各行業(yè)的應(yīng)用[3]等方面。DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度是數(shù)字地形研究分析及應(yīng)用的前提和根本保證[4]，但針對(duì)SRTMDEM在黃土高原這一典型區(qū)域的適用性研究較少。為了進(jìn)一步掌握開放的SRTMDEM能否支撐黃土高原地區(qū)水土流失研究工作，對(duì)30m分辨率的SRTMDEM數(shù)據(jù)開展研究，以5m分辨率的1∶10000DEM數(shù)據(jù)作為參考真值，選取位于黃土丘陵溝壑區(qū)的韭園溝為研究區(qū)，對(duì)該區(qū)域SRTMDEM的高程精度和地形、水文因子表達(dá)能力進(jìn)行了論證分析，探討SRTMDEM在黃土高原地區(qū)水土流失研究工作中的應(yīng)用價(jià)值。

1研究區(qū)概況

韭園溝位于陜西省北部的榆林市綏德縣，位于黃土丘陵溝壑區(qū)，總面積約75km2，屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量468mm，主要集中在7—9月。屬于黃河流域，地形梁峁起伏，溝壑縱橫，海拔820～1180m，地表植被稀少，主要是灌木、野草和野花，水土流失較為嚴(yán)重。土層較厚，黃土塬、梁、峁以及溝壑、黃土喀斯特等地貌發(fā)育十分典型[5]，基本涵蓋了黃土高原大部分的地貌組合及景觀形態(tài)。

2研究方法

本研究利用ArcGIS軟件開展空間分析計(jì)算與精度評(píng)估，以5m分辨率的1∶10000DEM數(shù)據(jù)作為參考真值，利用DefineProjection坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具，將下載得到的30m分辨率SRTMDEM轉(zhuǎn)換成與5m分辨率DEM相一致的坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)比SRTMDEM和參考真值DEM的高程誤差，采用等高線套合差來判斷數(shù)據(jù)精度，并通過坡度、坡向、水文因子等對(duì)比分析，探討SRTMDEM表達(dá)地表形態(tài)的能力及適用范圍與條件，技術(shù)路線見圖1。

1）將SRTMDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)化與配準(zhǔn)，使其與1∶10000DEM數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系一致，并進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，配準(zhǔn)總誤差為1.36個(gè)像元，符合后期試驗(yàn)要求。

2）等高線套合積差是指由DEM再生的等高線與原始等高線多邊形復(fù)合后，由兩條等高線相交產(chǎn)生的沿原始等高線兩側(cè)分布的細(xì)碎多邊形面積總和與相鄰兩條半距等高線面積之比[6]。等高線套合積差的計(jì)算公式為

式中：Pi為某一條等高線的套合積差；Si為某一條等高線和原始等高線套合后細(xì)碎多邊形面積總和；M為相鄰兩條半距等高線面積；PA為整個(gè)研究區(qū)的等高線套合積差；m為等高線的條數(shù)。

3結(jié)果與分析

3.1SRTMDEM高程精度分析

由于數(shù)據(jù)量較大，因此隨機(jī)抽樣選取10000個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行誤差驗(yàn)證。提取SRTMDEM上相應(yīng)點(diǎn)的高程值，以此為基礎(chǔ)與5m分辨率DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行高程最大誤差、平均誤差、中誤差計(jì)算，計(jì)算得到最大誤差為62m，平均誤差為13.43m，中誤差為14.62m。高程值的誤差與黃土丘陵溝壑區(qū)地形起伏和切割深度大有關(guān)，并非實(shí)際差值。SRTMDEM的分辨率為30m，與5m分辨率的DEM相比只能粗略表達(dá)地形，但高程誤差值在合理范圍內(nèi)。

通過以5m分辨率DEM提取的等高線作為基準(zhǔn)等高線，以SRTMDEM提取的等高線為測(cè)試等高線，分析SRTMDEM和5m分辨率DEM的套合差。套合后的局部細(xì)碎多邊形示意見圖2。由圖2可以看出，基于SRTMDEM提取的等高線與基準(zhǔn)等高線整體走向接近，可以真實(shí)反映溝壑信息。但是由于SRTMDEM的分辨率較參考真值低，SRTMDEM無法反映精細(xì)的地形細(xì)節(jié)，因此出現(xiàn)了套合積差，經(jīng)計(jì)算得到PA值為0.22。湯國安等[6]通過試驗(yàn)指出，在數(shù)據(jù)源空間分辨率不同時(shí)，PA值在0.05以內(nèi)表示套合結(jié)果令人滿意，PA值大于0.30時(shí)表示套合結(jié)果較差。本研究表明，受到SRTMDEM自身分辨率的限制，部分地形細(xì)節(jié)無法精細(xì)表達(dá)，與基準(zhǔn)等高線存在偏差，但PA值小于0.30，提取的等高線與基準(zhǔn)等高線整體走向一致，表明SRTMDEM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地形信息的基本表達(dá)。

3.2SRTMDEM的地形因子表達(dá)能力

3.2.1坡度

在實(shí)際運(yùn)用中坡度一般指平均坡度。雖然平均坡度在一定程度上可以表達(dá)地面傾斜度和起伏狀態(tài)，但是與實(shí)際情況存在較大差異[7]。坡譜是在一定區(qū)域內(nèi)以坡度為自變量，其對(duì)應(yīng)面積為因變量組成的各級(jí)別坡度統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)于特定區(qū)域，坡譜顯然可以更好地反映地面變化特征[8]。由于坡譜是微觀地形因子在一定分級(jí)規(guī)則下的頻譜圖[9]，因此坡譜的分級(jí)設(shè)置十分重要。為直觀反映數(shù)據(jù)特征，顯示數(shù)據(jù)差異，本研究以3°為一個(gè)坡度等級(jí)，將基于SRTMDEM和5m分辨率DEM提取的坡度信息繪制成坡譜圖，見圖3?？梢钥闯?，SRTMDEM和5m分辨率DEM提取的坡譜信息變化趨勢(shì)相同，但是在坡度較高的區(qū)域，SRTMDEM提取出的數(shù)量較少，地形細(xì)節(jié)表達(dá)欠佳。

3.2.2坡向

在實(shí)際研究中，經(jīng)常依照特定的標(biāo)準(zhǔn)將坡向進(jìn)行歸類，如將坡向劃分為陽坡、陰坡、半陽坡、半陰坡等，使坡向具有一定的地理意義。本研究將坡向歸類為水平、北向、東北向、東向、東南向、南向、西南向、西向、西北向，繪制基于SRTMDEM和5m分辨率DEM的坡向頻譜圖（見圖4，圖中數(shù)字表示各坡向面積占比，單位%）?？梢钥闯觯琒RTMDEM基本可以反映真實(shí)的坡向信息。

3.3SRTMDEM的水文因子表達(dá)能力

3.3.1河網(wǎng)

通過DEM數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)位置和長(zhǎng)度，是DEM數(shù)據(jù)表達(dá)地形的能力之一。匯流的累積閾值大小會(huì)直接影響提取的河網(wǎng)密度及河流級(jí)別，閾值越小，提取的河網(wǎng)密度越大，河流級(jí)別越多；閾值越大，提取的河網(wǎng)越稀疏，河流級(jí)別越少。若設(shè)置的閾值不合適，則會(huì)產(chǎn)生大量偽水道。經(jīng)過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)河網(wǎng)的累積閾值設(shè)定為100左右時(shí)，提取出的河網(wǎng)信息與真實(shí)情況最為接近。將累積閾值設(shè)定為100，基于SRTMDEM和5m分辨率DEM提取河網(wǎng)并進(jìn)行對(duì)比分析（局部示意見圖5），計(jì)算二者的套合差（局部示意見圖6）。結(jié)果表明，基于SRTMDEM和5m分辨率DEM提取的河網(wǎng)在位置和長(zhǎng)度上基本一致，僅存在少部分不吻合的區(qū)域，PA值為0.03，套合效果較好?？梢哉f基于SRTMDEM提取的河網(wǎng)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，即SRTMDEM可以較好地反映和表達(dá)流域溝谷特征。

3.3.2流域

流域是覆蓋于整個(gè)河網(wǎng)的地表區(qū)域。支流的集水區(qū)域被稱為子流域或小流域，相互連接的子流域構(gòu)成流域。在水土流失治理中，常以小流域?yàn)閱卧_展，因此基于DEM數(shù)據(jù)科學(xué)準(zhǔn)確地劃分小流域?qū)λ亮魇а芯渴种匾?。基于SRTMDEM和5m分辨率DEM分別提取水系中線，并與研究區(qū)小流域邊界線進(jìn)行疊加分析，局部示意見圖7?？梢钥闯?，二者整體比較相近，但在局部區(qū)域存在差異。對(duì)基于SRTMDEM和5m分辨率DEM提取的小流域進(jìn)行周長(zhǎng)差和面積差計(jì)算，得到周長(zhǎng)差比率約為0.021，面積差比率約為0.015。結(jié)果表明，當(dāng)無法獲取更高精度的DEM數(shù)據(jù)時(shí)，SRTMDEM可以用于研究區(qū)小流域的劃分。

4結(jié)論

本研究以5m分辨率DEM作為參考真值，以位于黃土丘陵溝壑區(qū)的韭園溝為研究區(qū)，從高程精度和地形、水文因子表達(dá)能力方面對(duì)SRTMDEM進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。受分辨率限制，SRTMDEM的高程信息與參考真值存在一定誤差，但高程誤差在合理范圍內(nèi)，在溝壑縱橫的黃土高原地區(qū)SRTMDEM具有較好的表達(dá)高程信息和地形起伏的能力；SRTMDEM在坡度較高的地區(qū)地形細(xì)節(jié)特性的表達(dá)能力相對(duì)較弱，在坡向表達(dá)方面表現(xiàn)較好；SRTMDEM可以很好地表達(dá)河網(wǎng)及流域溝谷特征，其效果接近于5m分辨率DEM。綜合來看，SRTMDEM可用于黃土高原地區(qū)大尺度水土流失研究，可為坡度、坡長(zhǎng)因子計(jì)算提供較好的數(shù)據(jù)支撐。

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（責(zé)任編輯李佳星）

收稿日期：2024-07-01

基金項(xiàng)目：河南省2022年度水利科技攻關(guān)項(xiàng)目（GG202215）；河南省2021年度水利科技攻關(guān)項(xiàng)目（GG202150）；2023年度河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目（2023CHQN08）；2024年度河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（242102320248）

第一作者：張慶功（1984—），男，河南魯山人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事GIS、工程測(cè)量等方面工作。

通信作者：賈智樂（1989—），男，河南孟津人，工程師，碩士，主要從事攝影測(cè)量與遙感、信息化等方面工作。

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