國產(chǎn)資源三號(hào)測繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)——以高海拔山區(qū)為例

張　弛，葛　瑩，王　沖，肖勝昌，張駿源

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098；2.中國電力建設(shè)集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650051)

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國產(chǎn)資源三號(hào)測繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)
——以高海拔山區(qū)為例

張弛1，葛瑩1，王沖2，肖勝昌2，張駿源1

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098；2.中國電力建設(shè)集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650051)

摘要：為了評(píng)價(jià)國產(chǎn)資源三號(hào)測繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)精度，在顧及地貌類型的情況下，以涵蓋平原、臺(tái)地、丘陵等地貌的高海拔山區(qū)為研究案例，并以1∶1萬實(shí)測地形圖DEM為假定真值，以90 m分辨率SRTM DEM為評(píng)價(jià)參照，從高程精度和地形描述精度兩個(gè)方面，對(duì)15 m分辨率ZY-3 DSM進(jìn)行精度評(píng)價(jià)分析。研究結(jié)果表明：ZY-3 DSM高程精度優(yōu)于SRTM DEM，前者高程中誤差僅為后者的1/6；就地形描述精度來講，ZY-3 DSM與SRTM DEM相比，其地形描述精度更接近理論值，前者RMS Et實(shí)際值僅為理論值0.99倍，而后者的實(shí)際值卻是理論值5.13倍。由此看來，ZY-3 DSM數(shù)據(jù)精度整體上高于SRTM DEM。

關(guān)鍵詞：資源三號(hào)測繪衛(wèi)星(ZY-3)；SRTM DEM；高程精度；地形描述精度；高海拔山區(qū)

近年來，隨著我國測繪產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)高分辨率遙感數(shù)據(jù)需求愈來愈迫切，但高分辨率資源衛(wèi)星卻比較缺乏，這極大地限制了測繪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。資源三號(hào)測繪衛(wèi)星的發(fā)射填補(bǔ)了我國民用高分辨率測繪衛(wèi)星的空白，對(duì)增強(qiáng)我國獨(dú)立獲取地理空間信息的能力，解決我國高分辨率遙感數(shù)據(jù)緊缺矛盾，加強(qiáng)我國地理信息安全和推動(dòng)測繪產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大意義[1-6]。

數(shù)字地表模型(Digital Surface Models，DSM)作為資源三號(hào)測繪衛(wèi)星的成果數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)中具有較高的利用價(jià)值。目前，大量國內(nèi)外學(xué)者對(duì)DEM進(jìn)行精度評(píng)價(jià)分析[7-15]。例如，張朝忙等選取西部地區(qū)多種地貌類型，從誤差可視化和中誤差模型等對(duì)SRTM DEM高程精度進(jìn)行評(píng)價(jià)[16]；馬龍等以西藏為例，從誤差可視化和統(tǒng)計(jì)分析的角度對(duì)SRTM DEM高程精度進(jìn)行評(píng)價(jià)[17]；湯國安等選取陜西省不同地貌試驗(yàn)樣區(qū)，對(duì)全數(shù)字?jǐn)z影測量方法所建立的DEM進(jìn)行地形描述精度評(píng)價(jià)，并提出地形描述誤差(Et)的概念[18]；劉勇等以西北高原地區(qū)為例，通過中誤差模型和絕對(duì)高程偏差等方面評(píng)價(jià)了SRTM DEM高程精度[19]。但大部分研究僅從高程精度或者地形描述精度進(jìn)行評(píng)價(jià)且研究區(qū)地貌類型較為單一。本文將以地貌類型豐富的高海拔山區(qū)為例，從高程精度與地形描述精度兩方面評(píng)價(jià)ZY-3 DSM，讓ZY-3 DSM更好地為我國國民生產(chǎn)和研究服務(wù)。

1數(shù)據(jù)來源與處理

本文選取地貌類型復(fù)雜的云南省高海拔山區(qū)，面積約1.1×104km2，地理坐標(biāo)介于101°E～102°E、25°N～26°N之間，高程在909～3 102 m，其中約99.7%高程大于1 000 m，如圖1所示。依據(jù)李炳元地貌分類標(biāo)準(zhǔn)[20]，結(jié)合海拔高度和起伏度2個(gè)指標(biāo)，該區(qū)地貌主要有5種類型組成：①平原約占7.5%；②臺(tái)地約占6.5%；③低丘陵約占0.3%；④高丘陵約占85.6%；⑤小起伏中山約占0.1%。

圖1　研究區(qū)概況

本研究DSM數(shù)據(jù)來自資源三號(hào)測繪衛(wèi)星。它是我國第一顆民用高分辨率測繪衛(wèi)星，主要用于1∶50 000立體測圖以及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)[21-23]。SRTM DEM數(shù)據(jù)來源于美國太空總署(National Aeronautics and Space Administration，NASA)。NASA利用干涉成像雷達(dá)系統(tǒng)獲取地球表面60°N～56°S間DEM數(shù)據(jù)，面積超過1.19×108km2，地表覆蓋率達(dá)到80%[24-25]，其中3弧秒(約90 m)數(shù)據(jù)已向全球免費(fèi)提供。

本文采用湯國安等基于正反地形自動(dòng)提取山體特征線方法[26]，為減少數(shù)據(jù)冗余，利用ArcGIS軟件首先進(jìn)行填洼處理再提取山體特征線。在提取過程中需設(shè)置兩個(gè)閾值：分析窗口大小和坡向變率，其中分析窗口大小直接決定山體特征線的提取質(zhì)量[27]?？紤]到研究區(qū)數(shù)據(jù)源和地貌特征，取一組n×n(n= 4，5，…，50。)分析窗口來提取山體特征線，再將分析窗口與山體特征線柵格單元數(shù)擬合，以確定分析窗口最優(yōu)閾值(見圖2)。

由圖2可知，分析窗口與提取柵格數(shù)間存在相關(guān)性，且曲線存在明顯峰值。于是采用多項(xiàng)式擬合曲線，其方程式為

y=-1.935 5x4+234.97x3-9 662.3x2+

135 671x+0.000 7,

R2=0.973 8.

(1)

圖2　提取柵格數(shù)量與分析窗口大小擬合曲線

由擬合度R2值可知，式(1)通過顯著性檢驗(yàn)。本文以最大高差法[28]確定該擬合曲線的極大值，可知峰值處n≈8，所以最優(yōu)分析窗口為8×8。

2研究結(jié)果比較

本文以實(shí)測1∶1萬地形圖DEM為假定真值，以90 m分辨率SRTM DEM為參照，從高程精度和地形描述精度兩個(gè)方面對(duì)ZY-3 DSM精度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

2.1高程精度評(píng)價(jià)

將DEM實(shí)測值分別與ZY-3 DSM和SRTM DEM進(jìn)行減法運(yùn)算，得到反映高程誤差的數(shù)據(jù)量，如表1所示。就高程誤差值而言，ZY-3 DSM平均值是SRTM DEM的2/3，中誤差為1/5，最大值為1/2，最小值為2/5。

由ZY-3 DSM與SRTM DEM高程誤差直方圖可知，高程誤差呈現(xiàn)以0為中心的正態(tài)分布如圖3(a)和圖3(b)所示。ZY-3 DSM高程誤差主要集中在-16～4 m，約占全部87%，而SRTM DEM高程誤差則主要集中在-43～47 m，約占全部78%。

表1　2種數(shù)據(jù)源高程誤差的統(tǒng)計(jì)量　m

圖3　兩種DEM高程誤差直方圖

對(duì)高程誤差分區(qū)比較見圖4。ZY-3 DSM高程誤差在[-10，10]區(qū)間內(nèi)占全部83.91%，但SRTM DEM僅為23.6%，后者是前者1/4。此外，ZY-3 DSM高程誤差值域?yàn)閇-77，94]，而SRTM DEM值域?yàn)閇-175,115]?？梢?，ZY-3 DSM高程精度明顯優(yōu)于SRTM DEM。

圖4　ZY-3 DSM與SRTM DEM高程誤差對(duì)比

2.2地形描述評(píng)價(jià)

DEM是地表形態(tài)的反映，對(duì)高程進(jìn)行精度評(píng)價(jià)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需從地形描述精度評(píng)價(jià)DEM。本文使用山體特征線吻合度[19]和Et值均方根誤差[18]為評(píng)價(jià)指標(biāo)，深入分析ZY-3 DSM與SRTM DEM兩者對(duì)真實(shí)地表描述的準(zhǔn)確程度。其流程如圖5所示。

比較ZY-3 DSM與SRTM DEM提取山體特征線，兩者具有較高的吻合度。根據(jù)劉勇吻合度計(jì)算方法[19]，利用ArcGIS柵格分析工具分別計(jì)算填洼前后吻合度，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知，填洼處理后，提取柵格數(shù)均有減少。就山脊線而言，ZY-3 DSM減少1.56%，而SRTM DEM減少0.93%；對(duì)于山谷線ZY-3 DSM減少0.57%，SRTM DEM減少0.04%。相反，填洼后無論ZY-3 DSM還是SRTM DEM提取特征線吻合度均有提高。對(duì)山脊線來說，ZY-3 DSM提高0.12%，SRTM DEM提高2.57%，就山谷線而言，ZY-3 DSM提高0.42%，SRTM DEM提高2.12%，但ZY-3 DSM提取山體特征線吻合度仍高出SRTM DEM達(dá)8%?？梢?，基于ZY-3 DSM提取的山體特征線相較于SRTM DEM空間匹配度更高，且對(duì)DEM進(jìn)行填洼預(yù)處理能有效減少冗余的山體特征線，提高吻合度比率。

進(jìn)一步利用Et均方根誤差(RMSEt)來評(píng)價(jià)地形描述精度。在假定DEM高程采樣誤差為0情況下，地形描述誤差Et表示真實(shí)地面與模擬地面的差異[18]。Et計(jì)算方法是某柵格點(diǎn)高程與其4個(gè)相鄰

圖5　地形描述精度評(píng)價(jià)流程

特征線種類提取柵格總數(shù)吻合柵格數(shù)特征線吻合度/%ZY-3DSMSRTMDEMZY-3DSMSRTMDEMZY-3DSMSRTMDEM山脊線填洼前13573708374915520657911809338.3631.51填洼后13362183371439514201112657938.4834.08山谷線填洼前13147114391205536465912238040.8131.28填洼后130746445309119539113613063641.2333.40

柵格點(diǎn)高程的平均值之差：

(2)

本文在ZY-3 DSM和SRTM DEM上隨機(jī)選取各60個(gè)中心柵格及相鄰柵格計(jì)算Et值，計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可知，ZY-3 DSM的Et值統(tǒng)計(jì)量大部分優(yōu)于SRTM DEM。雖ZY-3 DSM的Et平均值為SRTM DEM的3倍，但ZY-3 DSM的Et最大值為SRTM DEM的1/6，最小值則僅為SRTM DEM的1/8。

表3　兩種數(shù)據(jù)源Et值統(tǒng)計(jì)描述　m

進(jìn)一步地，分區(qū)間比較兩種DEM數(shù)據(jù)源的Et值(見圖6)。由ZY-3 DSM計(jì)算的Et值約95%落入[-4，2]區(qū)間，而SRTM DEM僅有35%落入該區(qū)間。另外，ZY-3 DSM的Et值域?yàn)閇-2.138 4，2.506]，而SRTM DEM的Et值域?yàn)閇-16.75，15.25]。可以說，ZY-3 DSM模擬地表與真實(shí)地表之間差異更小。

圖6　ZY-3 DSM與SRTM DEM Et值對(duì)比直方圖

再根據(jù)DEM空間分辨率、平均剖面曲率與Et均方根誤差(RMSEt)關(guān)系式[18]：

RMSEt=(0.006 3V+0.006 6)R-

0.022V+0.241 5.

(3)

式中:R為DEM空間分辨率，V為平均剖面曲率。平均剖面曲率的計(jì)算可利用ArcGIS軟件對(duì)DEM進(jìn)行坡度的二次計(jì)算獲得[29]，由于本文使用的ZY-3 DSM空間分辨率為15×15 m，SRTM DEM空間分辨率為90×90 m，計(jì)算的RMSEt實(shí)際值和理論值如表4所示。

由表4可知，ZY-3 DSM的Et均方根誤差實(shí)際值與理論值幾乎相同，前者是后者的0.99倍，而SRTM DEM的Et均方根誤差實(shí)際值與理論值相差卻較大，前者是后者的5.13倍。認(rèn)為ZY-3 DSM對(duì)地形的描述精度遠(yuǎn)優(yōu)于SRTM DEM，ZY-3 DSM與真實(shí)地形更接近。

表4　兩種DEM數(shù)據(jù)Et均方根誤差比較

3結(jié)論

本文以實(shí)測1∶1萬地形圖DEM為參考依據(jù)，從高程精度和地形描述精度2個(gè)方面，對(duì)ZY-3 DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行精度深入評(píng)價(jià)。具體地說，首先，根據(jù)分析窗口大小和柵格單元數(shù)的擬合曲線獲取最優(yōu)分析窗口閾值，該閾值為8×8；其次，無論是高程精度還是地形描述精度，ZY-3 DSM均優(yōu)于SRTM DEM，其中ZY-3 DSM的高程中誤差為SRTM DEM的1/5，山體特征線吻合度高出SRTM DEM約8%，ZY-3 DSM實(shí)際Et均方根誤差值為理論值的0.99倍，而SRTM DEM該比值為5.13。

總之，在高程精度和地形描述精度方面，與SRTM DEM相比，ZY-3 DSM均具有很好的表現(xiàn)。在今后的研究中，對(duì)山體特征線提取方法進(jìn)行優(yōu)化，評(píng)價(jià)不同地貌下地形描述精度，以期讓國產(chǎn)資源三號(hào)測繪衛(wèi)星DSM得到更加廣泛的應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

Evaluation of DSM data quality on ZY-3 surveying and mapping satellite——a case of high altitude mountain areasZHANG Chi1，GE Ying1，WANG Chong2，XIAO Shengcang2，ZHAGN Junyuan1

(1.School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098;2.Kunming Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Power Constructing Corporation of China，Kunming 650051)

Abstract：In order to evaluate the accuracy of DSM data of ZY-3 surveying and mapping satellite，this paper selects ZY-3 DSM data in the high altitude mountain areas，treating the field surveying data DEM and SRTM DEM as reference contrastive data，and comparing the data accuracy with field surveying data through elevation accuracy and accuracy of terrain representation.The results show the elevation accuracy of ZY-3 DSM is better than the SRTM DEM，specifically the former has about 1/6 of mean square error of height compared with the latter.In terms of the accuracy of terrain representation，ZY-3 DSM is closer to the theoretical value，of which RMS Et actual value is 0.99 times, while the SRTM DEM is 5.13 times. Thus the data accuracy of ZY-3 DSM is better than the SRTM DEM.

Key words：ZY-3 surveying and mapping satellite (ZY-3);SRTM DEM;elevation accuracy;accuracy of terrain representation;high altitude mountain areas

中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)06-0046-05

通訊作者：葛瑩(1963-)，女，教授.

作者簡介：張弛(1995-)，男，本科生.

基金項(xiàng)目：云南省重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目——新能源(2013ZB006);衛(wèi)星測繪技術(shù)與應(yīng)用國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題(KLSMFA-201302)

收稿日期：2015-03-31；修回日期：2015-07-04