中国3类典型区SRTMGL1和SRTMV4精度对比分析

吴宇鑫, 赵牡丹, 高志远, 刘 婷

(1.西北大学 城市与环境学院, 西安 710127; 2.武警工程大学 信息工程学院, 西安 710086)

数字高程模型(digital elevation model)作为地表高程信息的原始数据源，在地学研究的诸多领域有着广泛的应用，如土壤侵蚀、水土流失、地貌分析及地形因子的提取等。现阶段，针对DEM的精度评价，已有不少学者进行了相关研究工作。Rodríguez等[1]利用GPS控制点对全球六大洲的SRTM DEM精度进行评价。Ioannidis等[2]利用地面测量控制点对ASTER GDEM和SRTM在希腊地区的精度进行对比分析。Shortridge等[3]利用NED高程数据对全美SRTM 90 m分辨率SRTM DEM进行精度评价，并从地形因子和地表覆盖方面进行精度分析。Zhao等[4]利用SRTM DEM V2数据和SRTM DEM V4数据对中国中部ASTER GDEM数据进行精度评价，结果得出ASTER GDEM测量值较SRTM DEM偏大，且平原地区精度高于山区。由于ASTER GDEM受地形因素影响较大[5]，受试验样区局限性较大，因此大量研究应用其同尺度分辨率的SRTM DEM产品数据。

航天飞机雷达地形测绘任务(Shuttle Radar Terrain Mission, SRTM)数据作为最广泛应用的数字高程模型数据，其精度的优劣关系到科研结果的可信性及科学性。SRTM DEM数据按照工作的传感器波段可以分为X波段数据和C波段数据，研究表明，在亚洲地区，3弧秒(90 m)分辨率的C波段SRTM数据的整体精度要优于X波段数据，1弧秒(30 m)分辨率的C波段数据精度也要优于X波段的1弧秒数据[6]。在2015年之后，美国国家地理空间情报局(NGA)已对中国用户开放可以免费下载全球范围的1弧秒分辨率SRTM DEM数据，因此对SRTM DEM 1弧秒分辨率和3弧秒分辨率的精度进行对比分析就显得十分重要。

高精度星载雷达(ICESat/GLAS)数据的水平精度为±20 cm，高程精度为±18 cm，相比全球免费中分辨率DEM，ICESat/GLAS具有更高的水平和高程精度，已有不少学者利用此方法进行了相关的研究验证[6-13]。因此本文利用ICESat/GLAS数据作为控制点数据，选择中国3种典型地区(华北平原、云贵高原和青藏高原)，尽可能多地模拟出不同的地貌、地形类型，针对SRTM DEM 30 m分辨率及90 m分辨率数据进行精度评价，试图从地表覆盖和地形因素两个方面揭示误差分布规律。

1 研究方法及数据集

1.1 研究区概况

本文选择中国的3种典型地貌区：华北平原、云贵高原和青藏高原，隶属于我国不同的3类阶地。其中华北平原研究区位于东经115°—119°，北纬35°—39°，其区域地貌主要为北低南高，北部为华北平原区，南侧为低山丘陵区，隶属于第三阶梯。云贵高原研究区的经度范围约为东经100°—103°，北纬25°—27°，试验区内大部分为山区地形，平均海拔超过2 000 m，隶属于第二阶梯。青藏高原试验区位于东经87°—89°，北纬31°—33°，其范围内地形主要由高原山区和高原平原组成，平均海拔超过5 000 m，隶属于第一阶梯。

1.2 研究数据集

本次研究使用的数据集主要包括DEM数据和ICESAT/GALS数据。

DEM包括SRTM全球1弧秒分辨率数据即SRTM 1 Arc-Second Global数据(下文称为SRTMGL1)和CGIAR发布的C波段SRTM Version 4数据(下文称为SRTM V4)，前者的空间分辨率为1弧秒(30 m)，后者为3弧秒(90 m)。在所有3弧秒分辨率的C波段SRTM数据中，SRTM V4数据集利用了新的插值与补洞的方法，改善了雷达传感器因为山地起伏剧烈所造成的数据精度偏差，这使得V4版本的SRTM数据较以往的3弧秒数据有明显的改进[14]。SRTMGL1数据下载自美国地质勘探局(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)，SRTM V4数据下载自(http:∥srtm.csi.cgiar.org/)。

控制点数据集采用ICEsat/GLAS数据集中的GLA14二级产品数据，GLA14数据主要是针对陆地表面的测高数据集，是由ICESat/GLAS数据集中的GLA05和GLA06一级产品合成，其数据主要形式是传感器发射的脉冲亮斑对应的地面的数据点，星下点的光斑半径为70 m，相邻的地面点距离约为170 m,其测高的高程精度达到了cm级，ICESat/GLAS数据预处理方法见文献[15-16]，ICESat/GLAS数据下载自美国国家冰雪中心(http:∥nsidc.org/)。

研究中应用欧空局发布的土地覆盖数据集GlobCover v2.2作为地表覆盖分类的参考数据，数据下载自欧洲空间局(http:∥due.esrin.esa.int/page_globcover.php)。

1.3 研究方法

研究中精度指标主要利用高程误差d,平均误差Mean、标准偏差SD和中误差RSM，高程误差代表了每一个控制点的高程值与DEM的栅格高程值之差(HDEM-HGLA4)，平均误差是数据集中高程误差的平均值，代表了一个数据集的整体精度。标准差代表了高程误差间的离散程度。中误差代表了测量值与真值的偏离程度，是评价数据精度的最直接标准。其公式见(1)—(4)。本文利用以下精度指标，结合地形因子、土地覆盖以及地貌因素综合对两种SRTM进行精度比对和分析。

d=HSRTM-HGLA14

(1)

(2)

(3)

(4)

2 结果与分析

2.1 DEM整体精度

对3类试验样区的两种DEM进行精度计算后结果见表1，可以看出两种DEM的精度在华北平原地带大体相当，两种DEM的标准偏差和中误差基本相同，而在山地起伏最大的贵州高原研究区，两种DEM的精度偏差较大，其中标准差有0.43 m的偏差，中误差有2.42 m的偏差。总体上SRTMGL1平均误差为2.35 m，系统误差为(2.35±5.25) m，数据精度为5.75 m；SRTM V4平均误差为2.38 m，系统误差为(2.38±6.24) m，数据精度为6.68 m。SRTMGL1数据精度优于SRTM V4数据，离散程度也较SRTM V4偏小，两种DEM的数据精度和地形都有着密切的关系。

表1 SRTMGL1和SRTM V4精度指标 m

2.2 基于地形因子的影响研究

2.2.1 基于坡度因子 将研究区域坡度进行分级，由于所选取的3类研究区地形起伏不同，因此选取的坡度分级有所差异，华北平原研究区划分为0°～1°，1°～2°，2°～3°，3°～4°，4°～5°，>5°；云贵高原研究区划分为0°～1°，1°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～20°，20°～25°，25°～30°，30°～35°，35°～40°，>40°；青藏高原研究区则划分为0°～1°，1°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～20°，20°～25°，25°～30°，>30°，分别计算各个坡度级不同研究区两种DEM的中误差，结果如图1所示。

两种DEM中误差随坡度分布的变化特征在3类研究区内相似，在所有的坡度分级区间内，SRTMGL1的数据精度要优于SRTM V4。在地势较为平坦的地区(坡度<1°)，两种DEM的中误差较为接近，其中华北平原研究区两种DEM中误差之差为0.16 m，云贵高原研究区为0.07 m，青藏高原研究区仅为0.03 m，精度差异不明显。当研究区内坡度增大时，不同研究区内两种DEM中误差的变化规律有所不同，在华北平原研究区和青藏高原研究区内，随着坡度的增大，SRTMGL1 DEM和SRTM V4 DEM的精度分异程度增大，其中在华北平原研究区，当坡度大于5°时，SRTMGL1和SRTM V4的中误差之差达到0.49 m；在青藏高原研究区，当坡度大于30°时，SRTMGL1和SRTM V4的中误差之差达到4.91 m，是坡度小于1°时的163倍，可见坡度对于SRTM V4数据精度的影响程度大于SRTMGL1数据。研究中也发现，在云贵高原研究区，DEM精度随坡度的变化特征有所不同，两种DEM的中误差差值最大值出现在30°～35°的坡度区间内，为3.74 m，而当坡度大于35°时，两种DEM数据中误差差值减小，在大于40°的坡度区间内，两种数据的中误差差值为1.35。当坡度大于35°时，SRTMGL1的数据精度迅速变差，其误差与同坡度级的SRTM V4接近，这可能与云贵高原的高密度的地表森林覆盖有关，使得较大坡度的森林覆盖区域SRTM数据精度变差。

图1 3类研究区中两种DEM中误差随坡度变化

2.2.2 基于地貌因素 为了揭示地貌与两种DEM的误差分布关系，首先必须要消除树木植被对结果的影响，如Zhang等[17]通过设置PTC指数(represent percent tree cover)来剔除植被区，而在本研究中则根据土地覆盖数据集GlobCover v2.2的属性信息剔除掉几种高植被和密植被的数据点(剔除掉阔叶林、针叶林、高层灌木等植被区域)，进而在华北平原研究区和青藏高原研究区选取4种地貌，进行精度分析，依次为平原地区(华北平原)、丘陵地区(华北平原)、高原平原区(青藏高原)和高原高山区(青藏高原)，利用ICESat/GLAS高程控制点，对4种不同地貌区域的两种DEM进行高程剖面线提取，进行比对，剖面结果如图2所示。

研究表明，对于4种地貌区域的相对精度，两种DEM的测量值具有不同的分异特点。总体上，随着地貌类型的复杂和地表粗糙度的增加，两种DEM的高程差值范围增大，即高原高山区>丘陵区>高原平原区>平原区，高程差值与研究样区所在地的高程相关性不大。在平原区域和高原平原区，SRTMGL1和SRTM V4数据测量值接近，其中平原区高程差值范围为-2～2 m，高原平原区高程差值范围为-4～4 m，差值随地形没有明显的分布规律。在丘陵区和高原高山区，两种DEM差值变化幅度较为动荡，尤其在山脊点或山谷点等地形变化率较大的区域，两种DEM的差值出现两极化的分布，SRTMGL1和SRTM V4数据的高程测量值相差较大，一般情况下，在山脊处时SRTMGL1数据测量值偏大，在山谷处SRTM V4数据测量值偏大。

基于ICESat/GLAS控制点的4种地貌区DEM绝对精度剖面图如图3所示。总体来讲，控制点与两种DEM高程差在丘陵区和高原高山区表现较其他地貌区振幅动荡幅度偏大，其中在高原高山区，高程差值最大值达到了将近25 m，而在平原区及高原平原区动荡幅度较小，在高原平原区，其高程差值最大值不超过7 m。SRTMGL1数据与控制点差值在平原区和高原平原区较SRTM V4数据差值较小且剖面线浮动小，更为稳定。

从表2的各地貌区的两种DEM的平均误差和中误差结果可以看出，地貌类型为平原区时，SRTMGL1和SRTM V4的中误差最小，其中SRTMGL1数据的中误差只有1.54 m，而在高原高山区，两种DEM的中误差最大，SRTM V4的中误差达到了8.73 m。SRTMGL1和SRTM V4的中误差在平原区相当接近，其差值只有0.21 m，而在丘陵区和高原高山区，两种DEM的中误差差值最大，其中丘陵区为3 m，而在高原高山区达到了3.07 m。

2.3 基于土地覆盖的精度研究

对土地覆盖数据集进行筛选和分类后，其地物类型可分为以下几类：耕地、低植被(高度小于5 m)、高植被(高度大于5 m)、裸地、人造表面、水体和冰川，计算每种地物类型范围内的ICESat/GLAS控制点的中误差，进行统计，结果如图4所示。

由两类DEM的中误差与地表覆盖的关系可以看出，在华北平原研究区和云贵高原研究区中，人造表面和裸地的中误差最小，其中在华北平原研究区，裸地覆盖区的SRTM V4中误差仅为1.58 m，在云贵高原研究区，人造地面覆盖区(城市农村用地、部分工业用地及交通用地等)的SRTM GL1中误差为9.84 m。而植被覆盖区的中误差值较其他覆盖区偏大，Shortridge等[3]指出，SRTM数据在植被覆盖区中误差比全研究区中误差大60%，可见，在植被覆盖区内，DEM的高程测量值偏移量最大，尤其在高植被区域，华北平原的高植被区SRTM V4的中误差比整个华北平原地区的SRTM V4中误差高110%，云贵高原地区的高植被区域SRTMGL1中误差比全研究区高13.46%，且在高植被区两种DEM的精度相差最大，华北平原研究区两者中误差之差为1.85 m，云贵高原研究区中误差之差为3.56 m。在青藏高原研究区，冰川覆盖区的精度最低，SRTM V4的中误差为8.36 m，SRTMGL1的中误差为6.05 m，相差2.31 m，而在水体覆盖区，两种DEM的精度皆较高，SRTM V4中误差为3.56 m，SRTMGL1为3.57 m，两者仅差0.01 m。

图2 4种地貌区中两种DEM相对误差剖面线

图3 6种地貌区中两种DEM绝对误差剖面线

表2 两种DEM在各地貌区精度 m

图4 3种研究区不同土地覆盖中误差分布

3 结 论

(1) 整体上，针对不同研究区，两种DEM在华北平原精度最高，其中SRTM V4精度为2.47 m，系统误差为(1.21±2.52) m；SRTMGL1精度为2.99 m，系统误差为(1.21±2.52) m。云贵高原精度最低，其中SRTM V4精度为12.92 m，系统误差为(2.31±12.72) m；SRTMGL1精度为10.47 m，系统误差为(1.88±10.30) m。且在3个研究区中，SRTMGL1的精度要优于SRTM V4的精度，由于两者数据传感器波段均为C波段，因此精度差异主要是由于SRTMGL1的空间分辨率决定的，较为精细的空间尺度可以提供更好的地形细节表达和更优良的高程精度。

(2) 坡度对于两种DEM精度皆具有较大影响，在不同的坡度分级内，SRTMGL1的数据精度皆高于SRTM V4数据。在坡度较小的区间内，SRTMGL1和SRTM V4精度相差不大，在华北平原和青藏高原地区，随着坡度的增大，两者中误差之差增大，而在云贵高原研究区，随着坡度的增大，两者中误差之差先增大后减小，这可能是由于高坡度、高密度的森林覆盖造成SRTMGL1数据精度急剧衰减所致。

(3) 对于4种不同的地貌分区，两类DEM的相对精度和绝对精度随地形的变化有不同的分异规律。对于相对精度，在山脊点处，SRTMGL1数据测量较SRTM V4数据偏大，在山谷点处，SRTM V4数据测量值较SRTMG1数据偏大；对于绝对精度，ICESat/GLAS控制点与两者DEM差值在高起伏区(丘陵区和高原高山区)变化幅度大，SRTMGL1与SRTM V4数据差值剖面先分异性明显；在低起伏区(平原区和高原平原区)，差值变化幅度小，两类DEM差值剖面线分异性不明显。

(4) 在华北平原试验区和云贵高原试验区中，两种DEM在裸地和人造表面覆盖区的精度最高，在高植被区域(>5 m)的精度最差。在青藏高原研究区，两种DEM在水体覆盖区的精度最高，而在冰川处的精度最差。