SRTM與ASTER GDEM數(shù)據(jù)比較
——以淮河上游地區(qū)為例

□王 歡 潘衛(wèi)東 李賀麗

（1河南省駐馬店水文水資源勘測局；2河南省信陽水文水資源勘測局）

SRTM與ASTER GDEM數(shù)據(jù)比較
——以淮河上游地區(qū)為例

□王 歡1潘衛(wèi)東2李賀麗1

（1河南省駐馬店水文水資源勘測局；2河南省信陽水文水資源勘測局）

SRTM3和ASTER GDEM是目前為止應(yīng)用最為普遍的數(shù)字高程模型，由于其成像方式和自身分辨率的不同，會使這兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定差異。在淮河上游地區(qū)展開實驗，把基于1∶50000萬比例尺的兩個DEM數(shù)據(jù)相比較，分別比較這兩種數(shù)據(jù)在水平位置偏移、高程、坡度、坡向上的差異。結(jié)果表明：等高線與河谷都有著明顯的偏移； SRTM3與ASTER GDEM數(shù)據(jù)之間的高程差距在平原地區(qū)并不大，而在山區(qū)，兩者高程差距非常大；SRTM3的坡度相對較為平緩，坡度的大小相對較為集中；ASTER GDEM的坡度相對比較陡峭，坡度大小分布較為分散，SRTM3的坡向分布較為分散，ASTER GDEM的坡向相對而言比較集中。關(guān)鍵詞：SRTM；ASTER GDEM；數(shù)字高程模型

1 引言

1.1 研究背景及意義

SRTM是由美國太空總署（NASA）、美國國防部國家測繪局（NIMA）、德國與意大利航天機構(gòu)共同協(xié)作所共同完成聯(lián)合測量，由美國發(fā)射的“奮進”號航天飛機上搭載SRTM系統(tǒng)完成。SRTM對北緯60°～南緯56°之間的陸地進行了測量，這次的任務(wù)測量了地球80%的陸地。其按分辨率可分為SRTM1（約30m）和SRTM3（約90m）兩種，其中SRTM1數(shù)據(jù)只能在美國本土獲取，而SRTM3數(shù)據(jù)全球可免費獲取。于2009由美國NASA發(fā)布的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，其全球分辨率為30 m。ASTER GDEM數(shù)據(jù)覆蓋了地球北緯83°～南緯83°之間的所有陸地區(qū)域，這個范圍基本覆蓋了地球陸地表面的99%。對比可以看出，ASTER GDEM數(shù)據(jù)的空間分辨率有了非常大的提高，并且其地面覆蓋范圍也得到了很大的擴展。

1.2 研究現(xiàn)狀

ASTER GDEM發(fā)布后，一些前輩對ASTER GDEM數(shù)據(jù)與SRTM3數(shù)據(jù)在各個方面分別進行了比較分析，南希、李愛農(nóng)等通過實驗研究得到了SRTM3因為受到分辨率的限制，其山谷線形態(tài)丟失了細(xì)節(jié)信息而走向平直，因而沒有ASTER GDEM數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的山谷形態(tài)準(zhǔn)確豐富的結(jié)論。吳建強等在玲瓏山及其周邊地區(qū)建立了研究區(qū)域，研究分析得出結(jié)論：DEM空間分辨率越大，該數(shù)據(jù)所能表現(xiàn)出的地貌細(xì)節(jié)越豐富，所以在其實驗區(qū)中，SRTM3數(shù)據(jù)的高程精度并沒有ASTER GDEM數(shù)據(jù)的高程精度表現(xiàn)效果好。

作為可以免費獲取的高分辨率DEM，ASTER GDEM與SRTM這兩種數(shù)據(jù)在地學(xué)研究中具有重要的意義。但是，由于其成像方式與自身分辨率的不同，會使這兩種DEM數(shù)據(jù)的高程值產(chǎn)生一定的差異。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們生活、生產(chǎn)、研究中對DEM數(shù)據(jù)要求的不斷提高，如何選擇適合自身研究的DEM數(shù)據(jù)成為研究的首要問題，本文以淮河上游地區(qū)為例將SRTM數(shù)據(jù)與ASTER GDEM數(shù)據(jù)在水平方向、豎直方向、坡度、坡向等方面進行比較，進一步促進兩種DEM數(shù)據(jù)在地學(xué)分析中的應(yīng)用，也加深大家對兩種數(shù)據(jù)的了解，從而在數(shù)據(jù)選擇中，做出更好的判斷。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域概況

淮河歷史悠久，是我國的七大古河流之一，坐落于中國東部。淮河的發(fā)源地在河南省南陽市，其干流經(jīng)過河南、安徽、江蘇3個省?；春尤L為10 000 km總落差達到了200 m，通常被分為上游、中游、下游3個部分。

文章采用淮河上游（淮河發(fā)源地到王家壩一段）為研究區(qū)域（圖1），介于30°N～35°N，112°E～117°E之間。處于中國東部的中國七大古河流之一的淮河，其上游長度為360 km，是全長的3.60%，而其地面落差卻達到了178 m，相比較而言，淮河上游為淮河三個部分中落差最大的一部分，淮河流域的面積為3.06萬km2。淮河上游的水系發(fā)達，支流很多，而其兩岸的山丘綿延。在其流域中，大別山的白馬尖海拔1 774 m和天堂寨海拔1 729 m最高，而大別山以東地區(qū)的地勢明顯降低，崗丘連綿。

圖1 淮河上游邊界圖

2.2 數(shù)據(jù)對比分析與數(shù)據(jù)來源

實驗采用SRTM3數(shù)據(jù)與ASTER GDEM數(shù)據(jù)以及淮河上游的矢量圖。SRTM數(shù)據(jù)生成的基本原理是：合成孔徑雷達衛(wèi)星對同一地區(qū)進行兩次合成孔徑雷達成像，對兩幅圖像中的相位進行干涉處理，得到它們的干涉圖像，再從干涉圖像中的相位信息獲取地形高程數(shù)據(jù)，由于同時采集數(shù)據(jù)的兩個天線安裝在航天飛機上，圖像配準(zhǔn)和基線精度大幅度提高。它的數(shù)據(jù)高程基準(zhǔn)是EGM96，平面基準(zhǔn)是WGS84。本文選用版本為2的SRTM3數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)從空間地理數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）獲取。此版本數(shù)據(jù)包含有的數(shù)據(jù)空洞。本次研究采用2個文件。

ASTER GDEM是使用全自動化的方法對150萬景的ASTER存檔數(shù)據(jù)進行處理生成的，其中包括通過立體相關(guān)生成的1264118個基于獨立場景的ASTERDEM數(shù)據(jù)，再通過去云處理，消去多余的異常值，取平均值，并將其作為ASTER GDEM對應(yīng)區(qū)域的像素值，改正剩下的異常數(shù)據(jù)，再按1°×1°分片，生成全球ASTER GDEM數(shù)據(jù)。目前ASTER GDEM數(shù)據(jù)的版本為第1版本（ASTER GDEM V1），分辨率約為30 m。與SRTM數(shù)據(jù)一樣，ASTER GDEM的高程基準(zhǔn)是EGM96，平面基準(zhǔn)是WGS84。據(jù)ASTER GDEM發(fā)布方稱，95%置信度下ASTER GDEM垂直精度為20 m，水平精度為30 m。此次研究共采用了8個ASTER GDEM文件。該數(shù)據(jù)從空間地理數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）獲取。

Landsat8衛(wèi)星于2013年2月11日被美國太空總署（NASA）成功發(fā)射上天。該衛(wèi)星上攜帶兩個主要載荷：OLI（陸地影像儀）和IRS（熱紅外傳感器）。OLI獨立成像儀包含9個波段，可以組成更多的RGB方案，空間分辨率為30 m，其中包括一個15 m的全色波段，成像寬幅為185 km×185 km。本次實驗運用了四幅Landsat8衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。本次實驗所使用的ASTER GDEM數(shù)據(jù)、SRTM3數(shù)據(jù)和Landsat8數(shù)據(jù)都來自于地理空間數(shù)據(jù)云。

矢量數(shù)據(jù)是在直角坐標(biāo)系中，用X、Y坐標(biāo)表示地圖圖形或地理實體的位置數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)通常用記錄坐標(biāo)的方法來盡可能將某個物體的空間位置表現(xiàn)的毫無偏差。本次實驗所采用的矢量圖是淮河上游面狀矢量圖。該矢量圖由指導(dǎo)老師提供。

2.3 研究方法

基于ArcGIS平臺，先對ASTER GDEM數(shù)據(jù)和SRTM3數(shù)據(jù)分別進行鑲嵌處理。接著，用淮河上游矢量圖分別對兩個DEM數(shù)據(jù)進行裁剪。裁剪后的ASTER GDEM數(shù)據(jù)分辨率仍為30 m，而SRTM3數(shù)據(jù)的分辨率為90 m，為了方便對其比較，將裁剪后的ASTER GDEM通過求取相鄰9個柵格單元的高程值的平均值進行重采樣，把它的分辨率轉(zhuǎn)變?yōu)?0 m，與SRTM3數(shù)據(jù)的分辨率保持一致。

基于ENVI平臺，分別將landsat8四幅圖像的2～8波段進行融合，并將融合后的四幅圖像進行合并。用淮河上游面狀矢量圖對合并后的TM影像進行裁剪，就可以獲得我們所需要的淮河上游的TM影像。用ENVI中的波段計算器進行運算：

（1）式中，b2表示第4波段，及紅光波段，b4代表第7波段，及短紅外波段。得到河流的柵格圖。在ArcGIS中打開該圖，進行矢量化。得到河流矢量圖。

在ArcGIS中對SRTM3和ASTER GDEM求取等高線、坡度、坡向等地形因子。實驗中采用了正、反地形坡向變率算法，對ASTER GDEM和SRTM數(shù)據(jù)進行了山谷信息的提取，為避免信息的冗余也為了便于觀察，對提取信息進行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與清理，并通過ArcScan將其轉(zhuǎn)換為山谷線要素。

3 研究結(jié)果分析

3.1 平面差異

將實驗得到的河流線和從兩個DEM中提取出來的河谷線疊加在同一圖層上，從圖上可以看來，從SRTM3數(shù)據(jù)提取出來的河谷信息與從ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取出來的河谷信息有著明顯的偏移。若將從landsat8中所提取出的河流當(dāng)作參照河流的話，ASTER GDEM的河谷線偏移量要稍小于SRTM3河谷線偏移量。

圖2ASTER GDEM與SRTM3等高線水平比較圖

在試驗中，基于ArcGIS，用兩個DEM數(shù)據(jù)分別生成了兩組等高線，兩組等高線的等高距都是50m。通過圖2可以看出這兩組等高線有著明顯的偏移，ASTER GDEM生成的等高線總是向著SRTM3生成的等高線的西南方向偏移。而就SRTM3來說，ASTER GDEM的等高線更加的零散、細(xì)碎，相比較而言，SRTM3的等高線就比較連貫，沒有太多細(xì)碎的地方。從整體上看來，在樣本區(qū)西面以及南面的山區(qū)一代，等高線之間的偏移量并不大，等高線數(shù)量也沒有太大變化。而在東邊的平原丘陵地帶，由SRTM3所生成的等高線數(shù)量大大少于由ASTER GDEM所生成的等高線數(shù)量。

3.2 豎直差異

對于平面精度一致的DEM，可以單個像元逐一進行比較。比較發(fā)現(xiàn)，不同地形數(shù)據(jù)高程誤差在空間分布并不均勻，差異情況在它們2類被測數(shù)據(jù)的高程互差上有所體現(xiàn)（圖3）。即便SRTM與ASTER GDEM之間所使用的坐標(biāo)系相同，但它們自身的配準(zhǔn)精度有差異。我們用ASTER GDEM每個像元的高程值減去對應(yīng)的SRTM3的高程值，可得到圖3。

結(jié)合其遙感圖像可以知道，在平原地區(qū)，高差大部分處于-15～12m之間，高差并不大，而在山地地區(qū)，高差最高達到120m，落差非常大。兩類地形數(shù)據(jù)的高差以0為中心呈現(xiàn)正態(tài)分布，其高差范圍為［-111，120］。

圖3ASTER GDEM與SRTM3高差分布圖

3.3 坡度

對坡度進行重分類，分為：0～3°、3°～5°、5°～15°、15°～25°和＞25°共五大類。

4 結(jié)論

文章從水平方向、豎直方向、坡度、坡向方面對SRTM3數(shù)據(jù)與ASTER GDEM數(shù)據(jù)進行了比較，結(jié)果表明：①SRTM3山體線條相對粗糙，細(xì)節(jié)信息沒有ASTER GDEM詳細(xì)。從SRTM3數(shù)據(jù)提取出來的河谷信息與從ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取出來的河谷信息有著明顯的偏移。若將從landsat8中所提取出的河流當(dāng)作參照河流的話，ASTER GDEM的河谷線偏移量要稍小于SRTM3河谷線偏移量。SRTM3生成的等高線相對于ASTER GDEM生成的等高線向著東北方向偏移，SRTM3的等高線相對完整；在山區(qū)一帶，等高線差距并不大，但是在平原地區(qū)，ASTER GDEM的等高線所覆蓋范圍明顯大于SRTM3的等高線覆蓋范圍。從水平方向上考慮，ASTER GDEM數(shù)據(jù)所攜帶的信息更加能滿足人們的需求；②在平原地區(qū)，SRTM3與ASTER GDEM數(shù)據(jù)之間的高程相差并不大，而在山區(qū)，兩者高程差距非常大。如果研究問題時所需要的數(shù)據(jù)為平原，精度要求不高時，選擇SRTM3或ASTER GDEM數(shù)據(jù)并沒有太大的差距；如果研究區(qū)域為山區(qū)，如何選擇DEM數(shù)據(jù)，需要通過進一步的精度評價再做決定；③SRTM3的坡度相對較為平緩，坡度的大小相對較為集中。ASTER GDEM的坡度相對比較陡峭，坡度大小分布較為分散。與實際情況結(jié)合來看，做坡度研究時，ASTER GDEM數(shù)據(jù)更加符合人們的需求；④SRTM3的坡向分布較為分散，其坡向分布在正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北這八個方向上的數(shù)量較多。ASTER GDEM的坡向相對而言比較集中。在數(shù)據(jù)選擇時，需要結(jié)合具體情況做進一步分析，才能得到更加符合需求的數(shù)據(jù)。綜上所述，ASTER GDEM數(shù)據(jù)更加能滿足于一般的實驗需求。

［1］康曉偉，馮鐘葵.ASTER GDEM數(shù)據(jù)介紹與程序讀?。跩］.遙感信息，2011（6）：69-72.

［2］南希，李愛農(nóng)，邊金虎，等.典型山區(qū)SRTM3與ASTER GDEM數(shù)據(jù)精度對比分析［J］.地球信息科學(xué)，2015，17（1）：91-97.

［3］吳建強，王懿翔，楊峪，楊一.玲瓏山及其周邊地區(qū)SRTM3和ASTER GDEM高程精度評價［J］.西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014（2）：72-77.

［4］趙國松，杜耘，凌峰，李曉冬.ASTER GDEM與SRTM3高程差異影響因素分析［J］.測繪科學(xué)，2012，37（4）：167-170.

［5］湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗報告（第二版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2012：238-294.

［6］郭笑怡，張洪巖，張正祥，等.ASTER-GDEM與SRTM3數(shù)據(jù)質(zhì)量精度對比分析［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011（3）：334-339.

［7］占蕾，湯國安，楊昕.SRTM DEM高程精度評價［J］.地理與地理信息科學(xué)，2010，26（1）：34-36.

P208

A

1673-8853（2017）10-0088-04

2017-9-18

編輯：劉長垠 韋詩佳