几种全球开放 DEM 数据集的对比分析

学术   2024-09-24 18:06   云南  

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编 者 语:

前述的一篇文章 DEM下载及属性数据提取(ArcGis) ,小编为大家提供了DEM下载(此处的演示数据为本文中介绍的ASTER GDEM 30M数据)及其在ArcGis中使用的方法。此文的推荐是希望大家可以有效区别、利用不同DEM数据的类型及特点,完成一系列的DEM制图以及信息数据的提取工作。俗话说的好利用事物的关键在于能够全面充分的认识事物的本质属性。

管李义 ,陈斯飏 ,邹思远 ,吴文清

来源:测绘与空间地理信息2020年10

摘  要:

开放访问的全球数字高程模型DEM)数据集高程精度一直是科研和应用领域的重要议题。本文在详细介绍了AW3D30 DEMSRTM DEMASTER GDEM TanDEM-X DEM 基本参数的基础上,对比分析了 AW3D30DEM SRTM1 DEM ASTER GDEM 3 种数据集的高程精度。实验表明, AW3D30 DEM 高程精度最高 ,其次是SRTM1 DEM ASTER GDEM 高程上存在整体偏差。SRTM1 DEM 在地形起伏较大的地区,误差较大。

关 键 词:

开放全球DEM数据集;高程精度;对比分析

0 引 言

数字高程模型 ( Digital Elevation Model,DEM) 通常以规则格网的形式数字化呈现地球表面三维形态,在水文、气象、地质灾害和资源普查等方面起到重要作用[1]o 近年来,免费向公众开放的全球或近全球 DEM 种类繁多,常用高程数据有 SRTM( Shuttle Radar Topography Mission) DEM AW3D30(ALOS World 3D-30 m) DEM ATSTER( Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global) GDEM TanDEM-X( TerraSAR-X addon for Digital Elevation Measurements ) DEM[2-4] 目前仅TanDEM-X DEM 是分辨率为90 m的全球数据,其他3种均是30 m数据 。
DEM 数据高程精度主要通过绝对精度和相对精度来衡量[5]。绝对精度是与高精度控制点对比评价,如GPS控制点,激光雷达测高数据等。相对精度是与高精度DEM对比评价,如大比例尺地形图生成的DEM,新型高分辨率 DEM 等。SRTM DEM  ASTER GDEM 由于公布时间早,已经在实际生产和科学研究中得到了广泛应用 ,关于这两种 DEM 数据的精度分析已经有大量研究工作 。而 AW3D30 DEM TerraSAR-X DEM 分别于 2016 年和2018 年向公众开放[6-7],国内目前对这两种高程数据的精度分析报道并不是很多,特别是关于 AW3D30 DEM SRTM1 DEM ASTER GDEM 3 种数据的对比分析有待进一步研究
本文在详细介绍上述4DEM数据基本参数的基础上,以 TanDEM-X 12 m DEM 为参考数据,从高程互差的统计指标和误差空间分布图两个方面对比分析 AW3D30 DEMSRTM1 DEM  ASTER GDEM 的数据高程精度

1 实验区与实验数据

本文选择美国密歇根州附近地区作为实验区(如图1所示),地理位置在 43.24°N 43.47°N ,102.36°S 102.58°S 之间。该区域沟壑纵横,地形起伏明显,呈现为西北低,东南高,以少量植被覆盖的低山脉和丘陵为主,海拔分布在8181049 m之间。

1详细列出实验中涉及的全球开放 DEM 数据集的详细参数(如图 2 所示)。①实验选择AW3D30 DEM V2.2为实验数据,该数据由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)收集20062011年期间 PRISM 相机的全色立体像对生成,并于2016年向公众开放全球数据集,数据覆盖60°N60°S 和少量超过 60°N的地区[8]AW3D30 DEM采用的参考椭球为WGS84椭球,高程基准是基于EGM96高程基准。数据下载地址:https//www. eorc. jaxa. jp/ALOS/en/aw3d30/ 。② SRTM1 DEM SRTM DEM 分辨率为1s的格网高程数据。该数据由美国奋进号航天飞机于2000年左右收集的雷达干涉影像生成,覆盖60°N 56°S地区。SRTM1 DEM采用的参考椭球为WGS84椭球, 高程基准是基于EGM96高程基准。SRTM DEM先后发行过4个版本数据集,本文使用的1 arc-second数据由美国地质调查局( https://earthexplorer.usgs.gov)提供。③ASTER GDEM是由美国国家航空航天局 (NASA) 和日本经济产业省 ( METI) 联合完成 , 通过搭载在Terra卫星上的光学相机收集立体像对生成[9]ASTER GDEM 采用的参考椭球为WGS84椭球,高程基准是基于EGM96高程基准,目前覆盖了83°N83°S地区。2009年第一版数据向公众开放获取,本实验采用 ASTER GDEM V2, 可通过 https//search.earthdata.nasa.gov/ 免费获取。d ) 201810月德国航空航天中心 ( the German Aerospace Center, DLR)公开全球 90 m TanDEM-X DEM 全球数据集。由于TanDEM-X 达到了NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) 规定 HRTE-3 (High Resolution Terrain Elevation ,Level-3) 规范标准,具有很高的高程精度[10]。其中 90 m分辨率数据获取地址:https : //geoservice , dlr. de/web/dataguide/tdm90/。本次使用 DLR 提供的部分 12 m TanDEM-X  DEM 样例数据作为参考数据。

2 研究方法与结果分析

DEM 反映的高程信息是其重要应用,因此, 对 DEM的质量分析主要关注其高程精度。本文以高精度12 m TanDEM-X DEM 为参考数据,通过基于统计分析和 DEM误差空间分布图两个方面来分析目前3种开放全球DEM精度 。
基于统计分析,主要通过高程互差的均方根误差( RMSE)、平均绝对误差 ( MAE) 和更具鲁棒性的指标归一化中值绝对偏差 ( NMAD) 等统计指标来定量评价实验结果[11],通过 DEM 差值图更能反映误差的空间分布特征 。

2展示了AW3D30 DEMSRTM1 DEM ASTER GDEM 的统计值结果。从表中可以看出,AW3D30 DEMRMSE值最小,精度最高,其次是 SRTM1 DEM, ASTER GDEM 精度最低。NMAD 可以一定程度上反映误差的稳定性 ,ASTER GDEM NMAD 值最大,说明该数据质量不稳定,噪声严重,而 AW3D30 DEM SRTM1 DEM误差稳定性相近。结合误差频率分布直方图( 如图 2 所示 )来看,3 种数据的误差整体呈现正态分布。其中ASTER GDEM与参考数据之间存在一个明显的整体偏差,AW3D30 DEM相比较于SRTM1 DEM 直方图更聚拢 ,峰值更高,说明 AW3D30 DEM 质量更好。

3为上述3DEM差值图,即DEM减去参考数据,其展示了DEM误差的空间分布。结合图1b)可以看出,DEM的误差与地形变化存在一定的关系,在地形起伏较大的地区,地形噪声严重。在平坦地区,AW3D30 DEMSRTM1 DEM 误差分布大致相同;在地势较高的区域,SRTM1 DEM 地形噪声相对较大。ASTER GDEM 相对参考数据存在明显偏差,整体高程低于参考数据。

3 结束语

本文详细介绍了 AW3D30 DEMSRTM1 DEMASTER GDEM TanDEM-X DEM 数据情况。以高精度 TanDEM-X 12 m DEM 作为参考数据,从基于统计分析和误差空间分布两个方面有效地对比分析了 AW3D30 DEMSRTM1 DEM ASTER GDEM 3 种开放全球的高程精度。实验表明,AW3D30 DEM 整体精度最高,其次是 SRTM1 DEMSRTM1 DEM 在地形变化明显的地区,地形噪声严重。ASTER GDEM 与参考数据之间存在整体偏差,且数据噪声严重。因此,推荐 AW3D30 DEM 为实际生产和三维可视化提供准确高程信息 。

参考文献:

[1] 汤国安,李发源,刘学军.数字高程模型教程 [M].北京:科学出版社 , 2016.

[2] 张朝忙.中国地区SRTM3 DEMASTER GDEM高程精度质量评价[D].武汉:华中农业大学,2013.

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[4] 陈俊勇.SRTM3 GTOPO30 地形数据质量的评估[J]. 武汉大学学报 (信息科学版),2005,30( 11) 941-944.

[5] 武文娇,章诗芳,赵尚民.SRTM1 DEM ASTER GDEMV2 数据的对比分析 [J]. 地球信息科学学报,2017,19(8) :1 108-1 115.

[6] TAKAKU J,TADONO T.Quality updates of " AW3D"global DSM generated from ALOS PRISM[C]//proceedings of the Geoscience and Remote Sensing Sympo sium (IGARSS),[S.I.]:IEEE International, F, 2017.

[7] GROHMANN C H. Evaluation of TanDEM-X DEMs on selected Brazilian sites : Comparison with SRTM,ASTER GDEM and ALOS AW3D30[J] Remote Sensing of Environment ,2018(212) : 121-133.

[8] 袁小棋,李国元,高小明,.AW3D 30m DSM数据质量分析及部分典型区域精度验证 [J].测绘与空间地理信息,2018,41(4) : 98-101.

[9] 杨小艳,陈龙高,陈龙乾,.基于土地利用类型的ASTER GDEM 精度评价 ——以连云港为例 [J]. 中国矿业大学学报 , 2016,45(2)3 77-385.

[10] 杜亚男,冯光财,李志伟,等.TerraSAR - X/TanDEM -X获取高精度数字高程模型技术研究 [J]. 地球物理学报,2015,58(9) : 3 089-3 102.

[11] HOHLE J,HOHLE M. Accuracy assessment of digital ele vation models by means of robust statistical methods [J].Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2009, 64(4) : 398-406.

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