全球公眾數(shù)據(jù)資源ASTER GDEM的應(yīng)用研究

張濤

(河南省測(cè)繪工程院,河南 鄭州 450003)

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全球公眾數(shù)據(jù)資源ASTER GDEM的應(yīng)用研究

張濤

(河南省測(cè)繪工程院,河南 鄭州 450003)

本文利用美國(guó)太空總署(NASA)對(duì)外公布的全球公眾數(shù)據(jù)資源ASTERGDEM(星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)踐性處理和研究,并對(duì)其精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證。

ASTER GDEM;SRTM

1 背景概述

數(shù)字高程模型在“4D”產(chǎn)品中具有重要的地位,對(duì)于遙感影像的數(shù)據(jù)處理至關(guān)重要。當(dāng)前對(duì)于全球數(shù)字高程模型(GDEM)數(shù)據(jù)資源,容易搜集并且比較經(jīng)典的全球公眾數(shù)據(jù)資源是SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)系統(tǒng)制作的SRTM3 DEM和ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)。

2000年2月11日,美國(guó)發(fā)射的“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)上搭載SRTM系統(tǒng),獲取北緯60。至南緯60。之間總面積超過1.19億平方公里的雷達(dá)影像數(shù)據(jù),覆蓋地球80%以上的陸地表面。經(jīng)過兩年多的數(shù)據(jù)處理,制成了數(shù)字地形高程模型(DEM),即現(xiàn)在的SRTM地形產(chǎn)品數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)產(chǎn)品2003年開始公開發(fā)布,經(jīng)歷多次修訂。SRTM地形數(shù)據(jù)按精度可以分為SRTM1和SRTM3,分別對(duì)應(yīng)的分辨率精度為30m和90m數(shù)據(jù)(目前公開數(shù)據(jù)為90m分辨率的數(shù)據(jù),30m數(shù)據(jù)暫時(shí)保密)［1］。

ASTERGDEM,即先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型,與SRTM一樣為數(shù)字高程DEM,其全球空間分辨率為1s(約30m),垂直精度20m。該數(shù)據(jù)是根據(jù)NASA的新一代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Terra的詳盡觀測(cè)結(jié)果制作完成的。其數(shù)據(jù)覆蓋范圍為北緯83。到南緯83。之間的所有陸地區(qū)域,達(dá)到了地球陸地表面的99%。目前共有兩版,第一版于2009年公布,第二版于2011年10月公布。華盛頓美國(guó)宇航局總部的科學(xué)家伍迪一特納說：“ASTER全球數(shù)字高程模型目前已經(jīng)是世界上最完善、最可靠的全球地形圖。”加利福尼亞州帕薩迪納美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的ASTER科研組負(fù)責(zé)人麥克一埃布拉姆說：“它的這個(gè)更新版為民用用戶提供了最清晰的全球地形數(shù)據(jù)。但是美國(guó)宇航局同時(shí)也發(fā)出警告說,圖里可能偶爾會(huì)出現(xiàn)“一些異常”［2］。

本文將對(duì)公眾數(shù)據(jù)資源ASTERGDEM第二版本中某地大區(qū)域范圍內(nèi)數(shù)字高程模型進(jìn)行實(shí)踐性處理和應(yīng)用研究。

2 ASTER GDEM具體處理實(shí)踐流程

2.1 ASTER GDEM數(shù)據(jù)處理方法

2.1.1 按照研究對(duì)象區(qū)域的經(jīng)緯度范圍下載數(shù)據(jù)資源

由于ASTER GDEM數(shù)據(jù)是按照WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行平面坐標(biāo)定義的,網(wǎng)絡(luò)資源是按1。×1。分片組織發(fā)布的,在網(wǎng)絡(luò)上下載數(shù)據(jù)資源之前需要明確下載對(duì)象區(qū)域的WGS84橢球下的經(jīng)緯度范圍參數(shù),然后在下載網(wǎng)站上輸入相應(yīng)的范圍參數(shù)即可進(jìn)行數(shù)據(jù)資源的下載。

圖1 ASTER GDEM資源網(wǎng)絡(luò)下載查詢界面

2.1.2 將下載下來的DEM數(shù)據(jù)解壓縮并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換

將下載下的分片數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮后每個(gè)GDEM分片包含兩個(gè)文件,一個(gè)數(shù)字高程模型(DEM)文件和一個(gè)質(zhì)量評(píng)估(QA)文件。每個(gè)數(shù)據(jù)文件的文件名根據(jù)分片幾何中心左下(西南)角的經(jīng)緯度產(chǎn)生。例如,ASTGTM_N40E116文件的左下角坐標(biāo)是北緯40。,東經(jīng)116。。ASTGTM_N40E116_dem和ASTGTM_N40E116_num對(duì)應(yīng)的分別是數(shù)字高程模型(DEM)和質(zhì)量控制(QA)的數(shù)據(jù)。DEM格式為GeoTIFF,參考大地水準(zhǔn)面WGS84/EGM96,地理坐標(biāo)為地理經(jīng)緯度坐標(biāo),地面分辨率為1弧度秒(約30m),無(wú)效像素值為一9999,海平面數(shù)據(jù)為0,每片尺寸3601像素x3601像素(1。x1。)。

2.1.3 利用ERDAS將格式轉(zhuǎn)換后的按經(jīng)緯度分塊的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌拼接

將解壓縮后(1。x1。)分片的DEM,利用ERDAS數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能將GeoTIFF格式DEM批量格式轉(zhuǎn)換為ERDAS單精度浮點(diǎn)型*img格式,然后利用MOSAIC TOOL工具進(jìn)行拼接,形成滿覆蓋研究對(duì)象區(qū)域的整塊DEM數(shù)據(jù)。

圖2 ASTER GDEM研究對(duì)象滿覆蓋結(jié)果

2.1.4 空間坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：利用已知的WGS84橢球?qū)AG75橢球近似轉(zhuǎn)換七參數(shù),依據(jù)七參數(shù)模型進(jìn)行平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

具體模型表達(dá)如下：“7參數(shù)”法(參心平移量：ΔX、Δ Y、ΔY；尺度比：M；坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)量：ωX、ωY、ωZ)

設(shè)WGS84和西安80坐標(biāo)系間(或北京54坐標(biāo)系)有七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)一3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個(gè)尺度參數(shù)。

由WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到西安80坐標(biāo)系(或北京54坐標(biāo)系)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中：

該區(qū)域的橢球轉(zhuǎn)換ΔX、ΔY、ΔY；M；ωX、ωY、ωZ7項(xiàng)參數(shù)。

高程值轉(zhuǎn)換:利用似大地水準(zhǔn)面精化成果進(jìn)行高程異常值改正。

先依據(jù)GDEM上的每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的平面經(jīng)緯度在高程異常值格網(wǎng)模型上進(jìn)行雙線性內(nèi)插得到某點(diǎn)的高程異常改正值,再通過“正常高=橢球高+高程異常改正數(shù)”公式得到新規(guī)劃的DEM格網(wǎng)點(diǎn)上的新的高程值。

圖3 研究對(duì)象區(qū)域異常值改正格網(wǎng)模型數(shù)據(jù)

圖4 研究對(duì)象區(qū)域geoid數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)方法：利用均勻分布的已知點(diǎn)平面位置在數(shù)字高程模型上利用雙線性內(nèi)插出高程值,然后與已知的高程值進(jìn)行比較,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)精度。對(duì)四個(gè)地形類別不同區(qū)域進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

區(qū)域一：檢測(cè)總點(diǎn)數(shù)301

中誤差：4.949

圖5 區(qū)域―誤差分布表

區(qū)域二：檢測(cè)總點(diǎn)數(shù)：277

中誤差：5.845

圖6 區(qū)域二誤差分布表

區(qū)域三：檢測(cè)總點(diǎn)數(shù)300

中誤差：5.679

圖7 區(qū)域三誤差分布表

區(qū)域四：檢測(cè)總點(diǎn)數(shù)200

中誤差：5.725

圖8 區(qū)域四誤差分布表

所以利用ASTERGDEM制作的30m*30m數(shù)字高程格網(wǎng)模型,插值精度中誤差在5～10m之內(nèi),通過樣本誤差分析,發(fā)現(xiàn)ASTERGDEM中存在粗差,這種粗差的存在與NASA發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)候的警告是相呼應(yīng)的。事實(shí)表明“偶爾會(huì)出現(xiàn)一些異常”現(xiàn)象也是客觀存在的。可能是因?yàn)樵摂?shù)據(jù)包含了高于地表的附屬構(gòu)筑物的高度信息。在實(shí)際應(yīng)用的過程中可以進(jìn)行基于統(tǒng)計(jì)的濾波處理,以減少粗差。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合上述的實(shí)踐工作,可以得到以下結(jié)論：

①試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)ASTERGDEM數(shù)據(jù)資源存在一定的數(shù)據(jù)精度和較好的質(zhì)量統(tǒng)一性,但使用前必須針對(duì)具體區(qū)域進(jìn)行合適的處理和坐標(biāo)規(guī)劃。

②在滿足一定的數(shù)據(jù)精度規(guī)范要求下,可以利用ASTERGDEM這一公眾資源來輔助地理信息從業(yè)者的技術(shù)設(shè)計(jì)工作和區(qū)域研究工作。

［1］吳建強(qiáng),王贅祥,楊峪,等.玲瓏山及其周邊地區(qū)SRTM3和ASTERGDEM高程精度評(píng)價(jià)［J］.資源開發(fā)與市場(chǎng),2014 (02):72一77.

［2］昌小莉,周楊,羅明良.基于ASTERGDEM的延河流域水系提取及面積高程積分研究［J］.資源開發(fā)與市場(chǎng), 2014,30(12):1475一1477.

APPlication Analysis of Global Public Data Resources ASTER GDEM

Zhang Tao
(Henan Institute of Surveying and Mapping,Zhengzhou Henan 450003)

Based on the global public data resources ASTER GDEM(space borne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model)data publicly announced by the USA space agency(NASA),this paper conducted practical processing and research,and carried out statistical validation on its accuracy.

ASTER GDEM;SRTM

P208

A

1003一5168(2015)07一0001一3

2015一6一5

張濤(1983一),男,本科,注冊(cè)測(cè)繪師,研究方向:攝影測(cè)量與遙感。