国产资源三号测绘卫星DSM数据质量评价——以高海拔山区为例

张　弛，葛　莹，王　冲，肖胜昌，张骏源

(1.河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 210098；2.中国电力建设集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明 650051)



国产资源三号测绘卫星DSM数据质量评价
——以高海拔山区为例

张弛1，葛莹1，王冲2，肖胜昌2，张骏源1

(1.河海大学 地球科学与工程学院,江苏 南京 210098；2.中国电力建设集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明 650051)

摘要：为了评价国产资源三号测绘卫星DSM数据精度，在顾及地貌类型的情况下，以涵盖平原、台地、丘陵等地貌的高海拔山区为研究案例，并以1∶1万实测地形图DEM为假定真值，以90 m分辨率SRTM DEM为评价参照，从高程精度和地形描述精度两个方面，对15 m分辨率ZY-3 DSM进行精度评价分析。研究结果表明：ZY-3 DSM高程精度优于SRTM DEM，前者高程中误差仅为后者的1/6；就地形描述精度来讲，ZY-3 DSM与SRTM DEM相比，其地形描述精度更接近理论值，前者RMS Et实际值仅为理论值0.99倍，而后者的实际值却是理论值5.13倍。由此看来，ZY-3 DSM数据精度整体上高于SRTM DEM。

关键词：资源三号测绘卫星(ZY-3)；SRTM DEM；高程精度；地形描述精度；高海拔山区

近年来，随着我国测绘产业的迅猛发展，对高分辨率遥感数据需求愈来愈迫切，但高分辨率资源卫星却比较缺乏，这极大地限制了测绘产业的发展。资源三号测绘卫星的发射填补了我国民用高分辨率测绘卫星的空白，对增强我国独立获取地理空间信息的能力，解决我国高分辨率遥感数据紧缺矛盾，加强我国地理信息安全和推动测绘产业发展具有重大意义[1-6]。

数字地表模型(Digital Surface Models，DSM)作为资源三号测绘卫星的成果数据，在生产中具有较高的利用价值。目前，大量国内外学者对DEM进行精度评价分析[7-15]。例如，张朝忙等选取西部地区多种地貌类型，从误差可视化和中误差模型等对SRTM DEM高程精度进行评价[16]；马龙等以西藏为例，从误差可视化和统计分析的角度对SRTM DEM高程精度进行评价[17]；汤国安等选取陕西省不同地貌试验样区，对全数字摄影测量方法所建立的DEM进行地形描述精度评价，并提出地形描述误差(Et)的概念[18]；刘勇等以西北高原地区为例，通过中误差模型和绝对高程偏差等方面评价了SRTM DEM高程精度[19]。但大部分研究仅从高程精度或者地形描述精度进行评价且研究区地貌类型较为单一。本文将以地貌类型丰富的高海拔山区为例，从高程精度与地形描述精度两方面评价ZY-3 DSM，让ZY-3 DSM更好地为我国国民生产和研究服务。

1数据来源与处理

本文选取地貌类型复杂的云南省高海拔山区，面积约1.1×104km2，地理坐标介于101°E～102°E、25°N～26°N之间，高程在909～3 102 m，其中约99.7%高程大于1 000 m，如图1所示。依据李炳元地貌分类标准[20]，结合海拔高度和起伏度2个指标，该区地貌主要有5种类型组成：①平原约占7.5%；②台地约占6.5%；③低丘陵约占0.3%；④高丘陵约占85.6%；⑤小起伏中山约占0.1%。

图1　研究区概况

本研究DSM数据来自资源三号测绘卫星。它是我国第一颗民用高分辨率测绘卫星，主要用于1∶50 000立体测图以及基础地理数据产品的生产[21-23]。SRTM DEM数据来源于美国太空总署(National Aeronautics and Space Administration，NASA)。NASA利用干涉成像雷达系统获取地球表面60°N～56°S间DEM数据，面积超过1.19×108km2，地表覆盖率达到80%[24-25]，其中3弧秒(约90 m)数据已向全球免费提供。

本文采用汤国安等基于正反地形自动提取山体特征线方法[26]，为减少数据冗余，利用ArcGIS软件首先进行填洼处理再提取山体特征线。在提取过程中需设置两个阈值：分析窗口大小和坡向变率，其中分析窗口大小直接决定山体特征线的提取质量[27]。考虑到研究区数据源和地貌特征，取一组n×n(n= 4，5，…，50。)分析窗口来提取山体特征线，再将分析窗口与山体特征线栅格单元数拟合，以确定分析窗口最优阈值(见图2)。

由图2可知，分析窗口与提取栅格数间存在相关性，且曲线存在明显峰值。于是采用多项式拟合曲线，其方程式为

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

135 671x+0.000 7,

R2=0.973 8.

(1)

图2　提取栅格数量与分析窗口大小拟合曲线

由拟合度R2值可知，式(1)通过显著性检验。本文以最大高差法[28]确定该拟合曲线的极大值，可知峰值处n≈8，所以最优分析窗口为8×8。

2研究结果比较

本文以实测1∶1万地形图DEM为假定真值，以90 m分辨率SRTM DEM为参照，从高程精度和地形描述精度两个方面对ZY-3 DSM精度进行定量评价。

2.1高程精度评价

将DEM实测值分别与ZY-3 DSM和SRTM DEM进行减法运算，得到反映高程误差的数据量，如表1所示。就高程误差值而言，ZY-3 DSM平均值是SRTM DEM的2/3，中误差为1/5，最大值为1/2，最小值为2/5。

由ZY-3 DSM与SRTM DEM高程误差直方图可知，高程误差呈现以0为中心的正态分布如图3(a)和图3(b)所示。ZY-3 DSM高程误差主要集中在-16～4 m，约占全部87%，而SRTM DEM高程误差则主要集中在-43～47 m，约占全部78%。

表1　2种数据源高程误差的统计量　m

图3　两种DEM高程误差直方图

对高程误差分区比较见图4。ZY-3 DSM高程误差在[-10，10]区间内占全部83.91%，但SRTM DEM仅为23.6%，后者是前者1/4。此外，ZY-3 DSM高程误差值域为[-77，94]，而SRTM DEM值域为[-175,115]。可见，ZY-3 DSM高程精度明显优于SRTM DEM。

图4　ZY-3 DSM与SRTM DEM高程误差对比

2.2地形描述评价

DEM是地表形态的反映，对高程进行精度评价还远远不够，还需从地形描述精度评价DEM。本文使用山体特征线吻合度[19]和Et值均方根误差[18]为评价指标，深入分析ZY-3 DSM与SRTM DEM两者对真实地表描述的准确程度。其流程如图5所示。

比较ZY-3 DSM与SRTM DEM提取山体特征线，两者具有较高的吻合度。根据刘勇吻合度计算方法[19]，利用ArcGIS栅格分析工具分别计算填洼前后吻合度，计算结果见表2。

由表2可知，填洼处理后，提取栅格数均有减少。就山脊线而言，ZY-3 DSM减少1.56%，而SRTM DEM减少0.93%；对于山谷线ZY-3 DSM减少0.57%，SRTM DEM减少0.04%。相反，填洼后无论ZY-3 DSM还是SRTM DEM提取特征线吻合度均有提高。对山脊线来说，ZY-3 DSM提高0.12%，SRTM DEM提高2.57%，就山谷线而言，ZY-3 DSM提高0.42%，SRTM DEM提高2.12%，但ZY-3 DSM提取山体特征线吻合度仍高出SRTM DEM达8%。可见，基于ZY-3 DSM提取的山体特征线相较于SRTM DEM空间匹配度更高，且对DEM进行填洼预处理能有效减少冗余的山体特征线，提高吻合度比率。

进一步利用Et均方根误差(RMSEt)来评价地形描述精度。在假定DEM高程采样误差为0情况下，地形描述误差Et表示真实地面与模拟地面的差异[18]。Et计算方法是某栅格点高程与其4个相邻

图5　地形描述精度评价流程

特征线种类提取栅格总数吻合栅格数特征线吻合度/%ZY-3DSMSRTMDEMZY-3DSMSRTMDEMZY-3DSMSRTMDEM山脊线填洼前13573708374915520657911809338.3631.51填洼后13362183371439514201112657938.4834.08山谷线填洼前13147114391205536465912238040.8131.28填洼后130746445309119539113613063641.2333.40

栅格点高程的平均值之差：

(2)

本文在ZY-3 DSM和SRTM DEM上随机选取各60个中心栅格及相邻栅格计算Et值，计算结果见表3。由表3可知，ZY-3 DSM的Et值统计量大部分优于SRTM DEM。虽ZY-3 DSM的Et平均值为SRTM DEM的3倍，但ZY-3 DSM的Et最大值为SRTM DEM的1/6，最小值则仅为SRTM DEM的1/8。

表3　两种数据源Et值统计描述　m

进一步地，分区间比较两种DEM数据源的Et值(见图6)。由ZY-3 DSM计算的Et值约95%落入[-4，2]区间，而SRTM DEM仅有35%落入该区间。另外，ZY-3 DSM的Et值域为[-2.138 4，2.506]，而SRTM DEM的Et值域为[-16.75，15.25]。可以说，ZY-3 DSM模拟地表与真实地表之间差异更小。

图6　ZY-3 DSM与SRTM DEM Et值对比直方图

再根据DEM空间分辨率、平均剖面曲率与Et均方根误差(RMSEt)关系式[18]：

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

0.022V+0.241 5.

(3)

式中:R为DEM空间分辨率，V为平均剖面曲率。平均剖面曲率的计算可利用ArcGIS软件对DEM进行坡度的二次计算获得[29]，由于本文使用的ZY-3 DSM空间分辨率为15×15 m，SRTM DEM空间分辨率为90×90 m，计算的RMSEt实际值和理论值如表4所示。

由表4可知，ZY-3 DSM的Et均方根误差实际值与理论值几乎相同，前者是后者的0.99倍，而SRTM DEM的Et均方根误差实际值与理论值相差却较大，前者是后者的5.13倍。认为ZY-3 DSM对地形的描述精度远优于SRTM DEM，ZY-3 DSM与真实地形更接近。

表4　两种DEM数据Et均方根误差比较

3结论

本文以实测1∶1万地形图DEM为参考依据，从高程精度和地形描述精度2个方面，对ZY-3 DSM数据进行精度深入评价。具体地说，首先，根据分析窗口大小和栅格单元数的拟合曲线获取最优分析窗口阈值，该阈值为8×8；其次，无论是高程精度还是地形描述精度，ZY-3 DSM均优于SRTM DEM，其中ZY-3 DSM的高程中误差为SRTM DEM的1/5，山体特征线吻合度高出SRTM DEM约8%，ZY-3 DSM实际Et均方根误差值为理论值的0.99倍，而SRTM DEM该比值为5.13。

总之，在高程精度和地形描述精度方面，与SRTM DEM相比，ZY-3 DSM均具有很好的表现。在今后的研究中，对山体特征线提取方法进行优化，评价不同地貌下地形描述精度，以期让国产资源三号测绘卫星DSM得到更加广泛的应用。

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[责任编辑：李铭娜]

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

中图分类号：P237

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2016)06-0046-05

通讯作者：葛莹(1963-)，女，教授.

作者简介：张弛(1995-)，男，本科生.

基金项目：云南省重大科技专项资助项目——新能源(2013ZB006);卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室课题(KLSMFA-201302)

收稿日期：2015-03-31；修回日期：2015-07-04