資源三號測繪衛(wèi)星DSM與ASTER GDEM精度對比分析
——以高海拔山區(qū)為例

張　弛，葛　瑩，王　沖，肖勝昌，李云婷，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 昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

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資源三號測繪衛(wèi)星DSM與ASTER GDEM精度對比分析
——以高海拔山區(qū)為例

張弛1，葛瑩1，王沖2，肖勝昌2，李云婷1，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 昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

為了評價國產(chǎn)資源三號測繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)質(zhì)量，選取地貌類型豐富的云南省高海拔山區(qū)為試驗樣區(qū)，以1∶10 000實測地形圖DEM為假定真值，以30 m分辨率ASTER GDEM為評價參照，從高程精度和地形描述精度兩方面著手，對國產(chǎn)資源三號測繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)精確性進行分析。結(jié)果表明：國產(chǎn)資源三號測繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)精度整體高于ASTER GDEM。

資源三號測繪衛(wèi)星(ZY-3)；ASTER GDEM；高程精度；地形描述精度

2012-01-09，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心采用長征四號乙運載火箭，將資源三號測繪衛(wèi)星(ZY-3 Surveying and Mapping Satellite)成功地送入太空，自此開啟國產(chǎn)民用測繪衛(wèi)星應(yīng)用的新篇章[1]。作為我國第一顆高分辨率民用立體測繪衛(wèi)星，資源三號測繪衛(wèi)星肩負著1∶50 000立體測圖及更大比例尺基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新任務(wù)[2]，它的成功發(fā)射意味著可以利用三線陣立體成圖功能生成立體測繪產(chǎn)品，可為國土資源監(jiān)管、城市規(guī)劃建設(shè)和交通等領(lǐng)域提供測繪地理信息服務(wù)，其重要意義在于更好地開展國土資源調(diào)查與監(jiān)測工作[3-5]。

數(shù)字地表模型(Digital Surface Model，DSM)是指涵蓋地表建筑物、植被等信息的地貌高程模型[6-7]，它是資源三號測繪衛(wèi)星向用戶提供的測繪數(shù)字產(chǎn)品之一，在三維空間數(shù)據(jù)處理與地形分析等方面有著極其重要的應(yīng)用。由于ZY-3 DSM投入使用不久，目前針對它的精度分析和評價并不多。國內(nèi)外這方面研究主要集中在ASTER GDEM和SRTM DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量的探討方面[8-16]。從以上的文獻綜述來看，大部分是從高程精度或地形描述精度入手對SRTM DEM和ASTER GDEM的數(shù)據(jù)精確性進行分析。

為深入了解資源三號測繪衛(wèi)星 DSM產(chǎn)品的精度，本研究以典型高海拔山區(qū)為例，并以1∶10 000實測地形圖DEM為假定真值，30 m分辨率ASTER GDEM為評價參照，從高程精度和地形描述精度兩方面著手，多視角地對我國資源三號測繪衛(wèi)星DSM數(shù)據(jù)質(zhì)量進行精度評價，以期為ZY-3 DSM的實際應(yīng)用提供參考依據(jù)，更好地為我國基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用提供服務(wù)。

1　數(shù)據(jù)來源與處理

圖1　研究區(qū)位置概況

本文的試驗樣區(qū)位于云南省境內(nèi)，試驗區(qū)面積約11 000 km2，屬于典型的高原盆地地貌類型區(qū)，地理坐標(biāo)介于101～102°E，25～26°N之間，高程在909～3 102 m之間，其中約99.7%高程大于1 000 m，如圖1所示。根據(jù)李炳元地貌分類標(biāo)準(zhǔn)[17]，以海拔和起伏度為分類指標(biāo)，對該試驗區(qū)的地貌劃分為：1)平原，起伏度小于20 m，約占試驗區(qū)面積7.5%；2)臺地，起伏度在20～30 m之間，約占試驗區(qū)面積6.5%；3)低丘陵，起伏度在30～100 m內(nèi)，約占試驗區(qū)面積0.3%；4)高丘陵，起伏度在100～200 m間，約占試驗區(qū)面積85.6%；5)小起伏中山，起伏度在200～500 m內(nèi)，海拔在1 000～3 500 m間，約占試驗區(qū)面積0.1%。

資源三號測繪衛(wèi)星搭載前后下視3臺全色相機以及一臺多光譜相機用于獲取三視立體影像和立體像對。將立體像對平差后，根據(jù)密集點匹配技術(shù)獲得同名點，再基于有理函數(shù)模型(Rational Function Model，RFW)的空間前方交會得到地面點坐標(biāo)，通過地面點內(nèi)插即可獲得DSM[18]。

ASTER GDEM(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model)是搭載在TERRA衛(wèi)星上的高分辨率多光譜傳感器，主要用于獲取地球高程數(shù)據(jù)、輻射和表面溫度。由于ASTER數(shù)據(jù)包括底視圖像和后視圖像兩類，且數(shù)據(jù)間存在著55″時間差，由此產(chǎn)生的立體像對可用于提取ASTER GDEM[19]。該數(shù)據(jù)由美國太空總署(NASA)和日本國際經(jīng)貿(mào)商業(yè)部(METI)在2009年6月聯(lián)合推出，其全球范圍內(nèi)的垂直精度達±20 m、平面精度30 m，覆蓋范圍為北緯83°～南緯83°間所有陸地區(qū)域，地表覆蓋率達99%[20]。

2　研究結(jié)果比較

2.1高程精度評價

為了評價DEM高程數(shù)據(jù)質(zhì)量，將實測地形圖DEM分別與ZY-3 DSM和ASTER GDEM進行逐柵格減法運算，得到反映高程誤差的數(shù)據(jù)量，如表1所示。從計算結(jié)果來看，ZY-3 DSM高程誤差平均值和中誤差約為ASTER GDEM的1/3，最大值為ASTER GDEM的4/5，最小值為ASTER GDEM的1/2。因此，與ASTER GDEM相比，ZY-3 DSM高程誤差分布更為集中，具有更高的高程精度。

表1　2種數(shù)據(jù)源高程誤差的統(tǒng)計量　m

由ZY-3 DSM與ASTER GDEM高程誤差分布圖直方圖可知(見圖2和圖3)，2種數(shù)據(jù)源的高程誤差均呈現(xiàn)以0為中心的正態(tài)分布，但高程誤差分布區(qū)間存在較大差異。其中，ZY-3 DSM高程誤差主要集中在-18～12 m，約占全部96.74%，而ASTER GDEM則主要集中在-52～28 m，約占全部95.91%。具體地說，在[-10，10]高程誤差區(qū)間內(nèi)，ZY-3 DSM是83.91%；ASTER GDEM是36.85%，后者僅為前者的2/5。此外，ZY-3 DSM高程誤差值域為[-77，94]；ASTER GDEM高程誤差值域為[-139，120]，前者明顯比后者更小。由此可見，ZY-3 DSM的高程精度明顯高于ASTER GDEM。

圖2　ZY-3 DSM高程誤差分布

圖3　ASTER GDEM高程誤差分布

2.2地形描述精度評價

DEM是地表形態(tài)的數(shù)字表示，僅對高程精度進行評價遠遠不夠，還需從地形描述精度方面來評價DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量。本文借助湯國安提出的地形描述精度[15]和坡度計算模型[16]，深入分析ZY-3 DSM和ASTER GDEM對真實地表描述的準(zhǔn)確程度。

坡度是描述地形曲面形態(tài)和結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)之一，在測繪領(lǐng)域內(nèi)一般是在DEM上通過坡度模型計算得到[16]。本文利用GIS軟件計算得到3種DEM數(shù)據(jù)源的坡度信息(見表2)。由表2可知，坡度最小值均為0，即研究區(qū)內(nèi)存在無地形起伏區(qū)域。與ZY-3 DSM所得坡度統(tǒng)計量相比，ASTER GDEM計算結(jié)果更偏離實測地形圖DEM所得坡度統(tǒng)計量，其中坡度平均值偏離最大，高出實測地形圖DEM坡度平均值約2.5倍。

表2　3種DEM數(shù)據(jù)坡度統(tǒng)計量

進一步分析3種DEM坡度計算結(jié)果(見圖4和圖5)。從圖4可以看出：1)在[0，12]區(qū)間內(nèi)，隨著x坐標(biāo)的增大，3種DEM坡度分布曲線均呈現(xiàn)緩慢增長，此時3條曲線保持較好的吻合度；2)當(dāng)坡度值在[12，24]區(qū)間內(nèi)，3條曲線呈現(xiàn)明顯正增長，且三者之間的差異隨著坡度值的增大而逐漸增大并在x為24附近達到峰值，其中實測地形圖DEM增幅最大，ZY-3 DSM次之，而ASTER GDEM最?。?)當(dāng)坡度值在[24，48]區(qū)間內(nèi)，3條曲線y坐標(biāo)隨著x值的增大而減小，且3條曲線間的差異逐漸減?。?)當(dāng)x大于48后，3條曲線的y坐標(biāo)仍在減小，但幅度較小，此時3條曲線趨于重合。

圖4　3種DEM坡度分布圖

圖5　ZY-3 DSM與ASTER GDEM坡度誤差分布

總的來說，當(dāng)x坐標(biāo)接近0時，實測地形圖DEM坡度分布曲線存在峰值，而另外2種DEM坡度分布曲線y坐標(biāo)均較小，認為是實測數(shù)據(jù)采集過程中，在坡度值較小區(qū)域高程信息采集時，采集數(shù)據(jù)量大，因此實測地形圖DEM在坡度值為0附近存在峰值；當(dāng)坡度較小時，3種DEM坡度分布曲線相差較大且當(dāng)坡度達到24°時，ZY-3 DSM和ASTER GDEM與實測地形圖DEM的坡度誤差表現(xiàn)最為明顯；當(dāng)坡度較大時3種DEM坡度分布曲線趨于重合，認為在這種情況下坡度誤差最小。

利用ArcGIS進行逐柵格減法運算并對計算結(jié)果分區(qū)段統(tǒng)計(見圖5)，定量比較ZY-3 DSM和ASTER GDEM與實測地形圖DEM坡度分布之間的差異。由圖5可知，ZY-3 DSM坡度誤差值域為[-66,60]，ASTER GDEM為[-42，58]。雖然ZY-3 DSM坡度誤差值域大于ASTER GDEM，但是在坡度誤差分布方面，ZY-3 DSM的坡度誤差分布更集中。具體地說，基于ZY-3 DSM所得的坡度誤差主要分布在[-10，10]之間，約占全部84.20%，而ASTER GDEM僅占66.69%。綜上可知，就坡度誤差而言，ZY-3 DSM對坡度的描述精度優(yōu)于ASTER GDEM。

為了多角度地評價DEM地形描述精度，本文還采用湯國安等提出的地形描述誤差(Et)和其均方根誤差(RMSEt)作為地形描述精度評價指標(biāo)。在假定DEM高程采樣誤差不存在的情況下，地形描述誤差Et表示模擬地面與真實地面間的差異。Et計算方法是某柵格點高程值與相鄰四角點柵格高程平均值之差，即柵格單元坐標(biāo)為(i，j)的Et值，可由式(1)計算得出。

(1)

式中：Et(i，j)為中心柵格Et值;H(i，j)為中心柵格高程值，其余為相鄰四角點柵格高程值。

本文在ZY-3 DSM和ASTER GDEM上隨機各選取60個中心柵格及相鄰四角點柵格計算Et值，計算結(jié)果見表3。由表3可知，ZY-3 DSM的Et值統(tǒng)計量大部分優(yōu)于ASTER GDEM。雖然ZY-3 DSMEt平均值為ASTER GDEM的2.5倍，但ZY-3 DSM的Et最大值僅為ASTER GDEM的1/6，最小值僅為ASTER GDEM的1/4。

表3　2種數(shù)據(jù)源Et值統(tǒng)計描述　m

圖6　2種DEM的Et分布直方圖

為深入分析地形描述誤差(Et)的具體分布情況，分區(qū)間比較2種DEM數(shù)據(jù)源Et分布(見圖6)。ZY-3 DSM的Et值約93.33%處于[-2，2]區(qū)間，而ASTER GDEM僅有33.67%落入該區(qū)間，前者約為后者的3倍?？梢哉f，ZY-3 DSM模擬地表更接近真實地表，兩者間的差距更小。

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)系式對地形描述誤差進行定量評價。

RMSEt=(0.0063V+0.006 6)R-

0.022V+0.241 5.

(2)

式中:V為研究區(qū)平均剖面曲率，其可利用ArcGIS對DEM進行坡度的二次計算獲得[21]，R為DEM空間分辨率。結(jié)合本文ZY-3 DSM空間分辨率為15 m，ASTER GDEM為30 m，計算得到2種DEM的RMSEt實際值和理論值見表4。

表4　2種DEM數(shù)據(jù)RMS Et比較

由表4可知，ZY-3 DSM的RMSEt實際值與理論值十分接近，為理論值0.98倍。相較而言，ASTER GDEM的RMSEt實際值與理論值存在較大差異，高出理論值約2.78倍。由此推斷，ZY-3 DSM對地形的描述精度遠比ASTER GDEM高，與真實地形更接近。

3　結(jié)　論

通過對復(fù)雜地形下ZY-3 DSM的高程精度和地形描述精度分析，可得到以下結(jié)論：從高程精度來看，ZY-3 DSM的高程精度遠高于ASTER GDEM，前者的高程中誤差僅為后者的1/3。就地形描述精度而言，ZY-3 DSM的坡度誤差分布與ASTER GDEM相比更為集中，ZY-3 DSM約84.2%位于[-10，10]區(qū)間內(nèi)，而ASTER GDEM僅有66.69%，是ZY-3 DSM的2/3。此外，基于ZY-3 DSM計算得到的RMSEt實際值更接近理論值。因此，本文認為無論從高程精度還是地形描述精度而言，ZY-3 DSM數(shù)據(jù)質(zhì)量都要高于ASTER GDEM。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Accuracy comparison between ZY-3 surveying and mapping satellite DSM and ASTER GDEM—a case of high altitude mountain areas

ZHANG Chi1，GE Ying1，WANG Chong2，XIAO Shengcang2，LI Yunting1，ZHAGN Junyuan1

(1.School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Kunming Engineering Corporation Ltd.，Power Construction Corporation Ltd. of China，Kunming 650051，China)

In order to evaluate the accuracy of DSM data of ZY-3 surveying and mapping satellite，this paper selects the ZY-3 DSM data in the high altitude mountain areas as typical areas with 1∶10 000 DEM as contrastive reference data，analyzes the ZY-3 DSM data with ASTER GDEM as reference，and compares their accuracy in terms of elevation accuracy and accuracy of terrain representation.The results show that on the whole the data quality of ZY-3 DSM is better than ASTER GDEM.

ZY-3 surveying and mapping satellite (ZY-3)；ASTER GDEM；elevation accuracy；accuracy of terrain representation

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.08.007

2015-05-11；

2015-09-20

云南省重大科技專項(2013ZB006 )；衛(wèi)星測繪技術(shù)與應(yīng)用國家測繪地理信息局重點實驗室課題(KLSMFA-201302)

張弛(1995-)，男，本科生.

葛瑩(1963-)，女，教授.

P237

A

1006-7949(2016)08-0029-04