中國3類典型區SRTMGL1和SRTMV4精度對比分析

吳宇鑫, 趙牡丹, 高志遠, 劉 婷

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

數字高程模型(digital elevation model)作為地表高程信息的原始數據源，在地學研究的諸多領域有著廣泛的應用，如土壤侵蝕、水土流失、地貌分析及地形因子的提取等。現階段，針對DEM的精度評價，已有不少學者進行了相關研究工作。Rodríguez等[1]利用GPS控制點對全球六大洲的SRTM DEM精度進行評價。Ioannidis等[2]利用地面測量控制點對ASTER GDEM和SRTM在希臘地區的精度進行對比分析。Shortridge等[3]利用NED高程數據對全美SRTM 90 m分辨率SRTM DEM進行精度評價，并從地形因子和地表覆蓋方面進行精度分析。Zhao等[4]利用SRTM DEM V2數據和SRTM DEM V4數據對中國中部ASTER GDEM數據進行精度評價，結果得出ASTER GDEM測量值較SRTM DEM偏大，且平原地區精度高于山區。由于ASTER GDEM受地形因素影響較大[5]，受試驗樣區局限性較大，因此大量研究應用其同尺度分辨率的SRTM DEM產品數據。

航天飛機雷達地形測繪任務(Shuttle Radar Terrain Mission, SRTM)數據作為最廣泛應用的數字高程模型數據，其精度的優劣關系到科研結果的可信性及科學性。SRTM DEM數據按照工作的傳感器波段可以分為X波段數據和C波段數據，研究表明，在亞洲地區，3弧秒(90 m)分辨率的C波段SRTM數據的整體精度要優于X波段數據，1弧秒(30 m)分辨率的C波段數據精度也要優于X波段的1弧秒數據[6]。在2015年之后，美國國家地理空間情報局(NGA)已對中國用戶開放可以免費下載全球范圍的1弧秒分辨率SRTM DEM數據，因此對SRTM DEM 1弧秒分辨率和3弧秒分辨率的精度進行對比分析就顯得十分重要。

高精度星載雷達(ICESat/GLAS)數據的水平精度為±20 cm，高程精度為±18 cm，相比全球免費中分辨率DEM，ICESat/GLAS具有更高的水平和高程精度，已有不少學者利用此方法進行了相關的研究驗證[6-13]。因此本文利用ICESat/GLAS數據作為控制點數據，選擇中國3種典型地區(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SRTM DEM 30 m分辨率及90 m分辨率數據進行精度評價，試圖從地表覆蓋和地形因素兩個方面揭示誤差分布規律。

1 研究方法及數據集

1.1 研究區概況

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

1.2 研究數據集

本次研究使用的數據集主要包括DEM數據和ICESAT/GALS數據。

DEM包括SRTM全球1弧秒分辨率數據即SRTM 1 Arc-Second Global數據(下文稱為SRTMGL1)和CGIAR發布的C波段SRTM Version 4數據(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數據中，SRTM V4數據集利用了新的插值與補洞的方法，改善了雷達傳感器因為山地起伏劇烈所造成的數據精度偏差，這使得V4版本的SRTM數據較以往的3弧秒數據有明顯的改進[14]。SRTMGL1數據下載自美國地質勘探局(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)，SRTM V4數據下載自(http:∥srtm.csi.cgiar.org/)。

控制點數據集采用ICEsat/GLAS數據集中的GLA14二級產品數據，GLA14數據主要是針對陸地表面的測高數據集，是由ICESat/GLAS數據集中的GLA05和GLA06一級產品合成，其數據主要形式是傳感器發射的脈沖亮斑對應的地面的數據點，星下點的光斑半徑為70 m，相鄰的地面點距離約為170 m,其測高的高程精度達到了cm級，ICESat/GLAS數據預處理方法見文獻[15-16]，ICESat/GLAS數據下載自美國國家冰雪中心(http:∥nsidc.org/)。

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

1.3 研究方法

研究中精度指標主要利用高程誤差d,平均誤差Mean、標準偏差SD和中誤差RSM，高程誤差代表了每一個控制點的高程值與DEM的柵格高程值之差(HDEM-HGLA4)，平均誤差是數據集中高程誤差的平均值，代表了一個數據集的整體精度。標準差代表了高程誤差間的離散程度。中誤差代表了測量值與真值的偏離程度，是評價數據精度的最直接標準。其公式見(1)—(4)。本文利用以下精度指標，結合地形因子、土地覆蓋以及地貌因素綜合對兩種SRTM進行精度比對和分析。

d=HSRTM-HGLA14

(1)

(2)

(3)

(4)

2 結果與分析

2.1 DEM整體精度

對3類試驗樣區的兩種DEM進行精度計算后結果見表1，可以看出兩種DEM的精度在華北平原地帶大體相當，兩種DEM的標準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，兩種DEM的精度偏差較大，其中標準差有0.43 m的偏差，中誤差有2.42 m的偏差。總體上SRTMGL1平均誤差為2.35 m，系統誤差為(2.35±5.25) m，數據精度為5.75 m；SRTM V4平均誤差為2.38 m，系統誤差為(2.38±6.24) m，數據精度為6.68 m。SRTMGL1數據精度優于SRTM V4數據，離散程度也較SRTM V4偏小，兩種DEM的數據精度和地形都有著密切的關系。

表1 SRTMGL1和SRTM V4精度指標 m

2.2 基于地形因子的影響研究

2.2.1 基于坡度因子 將研究區域坡度進行分級，由于所選取的3類研究區地形起伏不同，因此選取的坡度分級有所差異，華北平原研究區劃分為0°～1°，1°～2°，2°～3°，3°～4°，4°～5°，>5°；云貴高原研究區劃分為0°～1°，1°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～20°，20°～25°，25°～30°，30°～35°，35°～40°，>40°；青藏高原研究區則劃分為0°～1°，1°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～20°，20°～25°，25°～30°，>30°，分別計算各個坡度級不同研究區兩種DEM的中誤差，結果如圖1所示。

兩種DEM中誤差隨坡度分布的變化特征在3類研究區內相似，在所有的坡度分級區間內，SRTMGL1的數據精度要優于SRTM V4。在地勢較為平坦的地區(坡度<1°)，兩種DEM的中誤差較為接近，其中華北平原研究區兩種DEM中誤差之差為0.16 m，云貴高原研究區為0.07 m，青藏高原研究區僅為0.03 m，精度差異不明顯。當研究區內坡度增大時，不同研究區內兩種DEM中誤差的變化規律有所不同，在華北平原研究區和青藏高原研究區內，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，當坡度大于5°時，SRTMGL1和SRTM V4的中誤差之差達到0.49 m；在青藏高原研究區，當坡度大于30°時，SRTMGL1和SRTM V4的中誤差之差達到4.91 m，是坡度小于1°時的163倍，可見坡度對于SRTM V4數據精度的影響程度大于SRTMGL1數據。研究中也發現，在云貴高原研究區，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在30°～35°的坡度區間內，為3.74 m，而當坡度大于35°時，兩種DEM數據中誤差差值減小，在大于40°的坡度區間內，兩種數據的中誤差差值為1.35。當坡度大于35°時，SRTMGL1的數據精度迅速變差，其誤差與同坡度級的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，使得較大坡度的森林覆蓋區域SRTM數據精度變差。

圖1 3類研究區中兩種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的誤差分布關系，首先必須要消除樹木植被對結果的影響，如Zhang等[17]通過設置PTC指數(represent percent tree cover)來剔除植被區，而在本研究中則根據土地覆蓋數據集GlobCover v2.2的屬性信息剔除掉幾種高植被和密植被的數據點(剔除掉闊葉林、針葉林、高層灌木等植被區域)，進而在華北平原研究區和青藏高原研究區選取4種地貌，進行精度分析，依次為平原地區(華北平原)、丘陵地區(華北平原)、高原平原區(青藏高原)和高原高山區(青藏高原)，利用ICESat/GLAS高程控制點，對4種不同地貌區域的兩種DEM進行高程剖面線提取，進行比對，剖面結果如圖2所示。

研究表明，對于4種地貌區域的相對精度，兩種DEM的測量值具有不同的分異特點。總體上，隨著地貌類型的復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>丘陵區>高原平原區>平原區，高程差值與研究樣區所在地的高程相關性不大。在平原區域和高原平原區，SRTMGL1和SRTM V4數據測量值接近，其中平原區高程差值范圍為-2～2 m，高原平原區高程差值范圍為-4～4 m，差值隨地形沒有明顯的分布規律。在丘陵區和高原高山區，兩種DEM差值變化幅度較為動蕩，尤其在山脊點或山谷點等地形變化率較大的區域，兩種DEM的差值出現兩極化的分布，SRTMGL1和SRTM V4數據的高程測量值相差較大，一般情況下，在山脊處時SRTMGL1數據測量值偏大，在山谷處SRTM V4數據測量值偏大。

基于ICESat/GLAS控制點的4種地貌區DEM絕對精度剖面圖如圖3所示。總體來講，控制點與兩種DEM高程差在丘陵區和高原高山區表現較其他地貌區振幅動蕩幅度偏大，其中在高原高山區，高程差值最大值達到了將近25 m，而在平原區及高原平原區動蕩幅度較小，在高原平原區，其高程差值最大值不超過7 m。SRTMGL1數據與控制點差值在平原區和高原平原區較SRTM V4數據差值較小且剖面線浮動小，更為穩定。

從表2的各地貌區的兩種DEM的平均誤差和中誤差結果可以看出，地貌類型為平原區時，SRTMGL1和SRTM V4的中誤差最小，其中SRTMGL1數據的中誤差只有1.54 m，而在高原高山區，兩種DEM的中誤差最大，SRTM V4的中誤差達到了8.73 m。SRTMGL1和SRTM V4的中誤差在平原區相當接近，其差值只有0.21 m，而在丘陵區和高原高山區，兩種DEM的中誤差差值最大，其中丘陵區為3 m，而在高原高山區達到了3.07 m。

2.3 基于土地覆蓋的精度研究

對土地覆蓋數據集進行篩選和分類后，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，計算每種地物類型范圍內的ICESat/GLAS控制點的中誤差，進行統計，結果如圖4所示。

由兩類DEM的中誤差與地表覆蓋的關系可以看出，在華北平原研究區和云貴高原研究區中，人造表面和裸地的中誤差最小，其中在華北平原研究區，裸地覆蓋區的SRTM V4中誤差僅為1.58 m，在云貴高原研究區，人造地面覆蓋區(城市農村用地、部分工業用地及交通用地等)的SRTM GL1中誤差為9.84 m。而植被覆蓋區的中誤差值較其他覆蓋區偏大，Shortridge等[3]指出，SRTM數據在植被覆蓋區中誤差比全研究區中誤差大60%，可見，在植被覆蓋區內，DEM的高程測量值偏移量最大，尤其在高植被區域，華北平原的高植被區SRTM V4的中誤差比整個華北平原地區的SRTM V4中誤差高110%，云貴高原地區的高植被區域SRTMGL1中誤差比全研究區高13.46%，且在高植被區兩種DEM的精度相差最大，華北平原研究區兩者中誤差之差為1.85 m，云貴高原研究區中誤差之差為3.56 m。在青藏高原研究區，冰川覆蓋區的精度最低，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，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種地貌區中兩種DEM相對誤差剖面線

圖3 6種地貌區中兩種DEM絕對誤差剖面線

表2 兩種DEM在各地貌區精度 m

圖4 3種研究區不同土地覆蓋中誤差分布

3 結 論

(1) 整體上，針對不同研究區，兩種DEM在華北平原精度最高，其中SRTM V4精度為2.47 m，系統誤差為(1.21±2.52) m；SRTMGL1精度為2.99 m，系統誤差為(1.21±2.52) m。云貴高原精度最低，其中SRTM V4精度為12.92 m，系統誤差為(2.31±12.72) m；SRTMGL1精度為10.47 m，系統誤差為(1.88±10.30) m。且在3個研究區中，SRTMGL1的精度要優于SRTM V4的精度，由于兩者數據傳感器波段均為C波段，因此精度差異主要是由于SRTMGL1的空間分辨率決定的，較為精細的空間尺度可以提供更好的地形細節表達和更優良的高程精度。

(2) 坡度對于兩種DEM精度皆具有較大影響，在不同的坡度分級內，SRTMGL1的數據精度皆高于SRTM V4數據。在坡度較小的區間內，SRTMGL1和SRTM V4精度相差不大，在華北平原和青藏高原地區，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，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數據精度急劇衰減所致。

(3) 對于4種不同的地貌分區，兩類DEM的相對精度和絕對精度隨地形的變化有不同的分異規律。對于相對精度，在山脊點處，SRTMGL1數據測量較SRTM V4數據偏大，在山谷點處，SRTM V4數據測量值較SRTMG1數據偏大；對于絕對精度，ICESat/GLAS控制點與兩者DEM差值在高起伏區(丘陵區和高原高山區)變化幅度大，SRTMGL1與SRTM V4數據差值剖面先分異性明顯；在低起伏區(平原區和高原平原區)，差值變化幅度小，兩類DEM差值剖面線分異性不明顯。

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