多源DEM數(shù)據(jù)地形因子表達(dá)準(zhǔn)確性分析

王 寧，劉萬青，姚志宏，劉春春

(1. 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127； 2. 華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450046)

數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)是利用有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形曲面的數(shù)字化模擬，即通過數(shù)字化的形式來表達(dá)區(qū)域海拔高程[1]。隨著新的空間測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，DEM的生產(chǎn)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，為數(shù)字地形分析提供了充足的數(shù)據(jù)保障。地形因子作為各類土壤侵蝕評(píng)估模型的重要變量，其提取的精度受DEM數(shù)據(jù)源的直接影響，在很大程度上也反映出DEM的數(shù)據(jù)質(zhì)量。目前，對(duì)不同數(shù)據(jù)源DEM的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要集中在SRTM(shuttle radar topography mission)和ASTER GDEM(advance space borne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model)兩方面[2-4],選取樣本點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的高精度高程值進(jìn)行相關(guān)性分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算[5]。Avtar等[6]將TanDEM-X DEM和其他不同數(shù)據(jù)源的DEM進(jìn)行相關(guān)性分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出TanDEM-X DEM具有更高的精度。Manas等[7]通過計(jì)算SRTM高程與對(duì)應(yīng)點(diǎn)的GPS實(shí)測(cè)高程的均方根誤差(RMSE)并進(jìn)行線性回歸分析，得出SRTM X波段的高程數(shù)據(jù)具有更高的精度。而對(duì)地形因子的研究也僅局限在同一DEM數(shù)據(jù)源，利用較高分辨率的DEM進(jìn)行重采樣，生成一系列低分辨率的DEM進(jìn)行對(duì)比分析[8-9]。本文利用由資源三號(hào)立體像對(duì)構(gòu)建的DEM、30 m和90 m分辨率的SRTM及兩個(gè)版本30 m分辨率的ASTER GDEM 5種不同數(shù)據(jù)源的DEM，分別提取馬家溝流域的坡度和坡長因子，將結(jié)果分別與由1∶10 000數(shù)字地形圖生成的5 m分辨率的DEM進(jìn)行對(duì)比分析，探討不同數(shù)據(jù)源的DEM數(shù)據(jù)與實(shí)地地形因子間的關(guān)系，以及不同數(shù)據(jù)源間DEM的質(zhì)量。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市安塞縣馬家溝流域，如圖1所示。該流域地處黃土丘陵溝壑區(qū)的第二副區(qū)、半干旱森林草原地區(qū)，海拔1 048.74～1 495.91 m，地面相對(duì)起伏440多米，地面坡度差異55°。該流域溝壑縱橫，地表破碎復(fù)雜，水土流失明顯，選取該區(qū)域?qū)Φ匦我蜃舆M(jìn)行分析更能凸顯本文研究的目的。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)位置

本文選取了5種不同數(shù)據(jù)源生成的DEM：資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)生成的DEM，30 m SRTM DEMX30、90 m SRTM DEMC90、30 m ASTER GDEMv1和30 m ASTER GDEMv2。另外利用1∶10 000數(shù)字地形圖生成的5 m分辨率的DEM作為參考DEM。

2 研究方法

2.1 ZY-3 DEM生產(chǎn)

利用ENVI 5.3軟件的DEM Extraction模塊處理資源三號(hào)數(shù)據(jù)生成DEM,左右影像分別選擇正視和后視影像，地形細(xì)部等級(jí)為6，地形地貌級(jí)別為高，其他具體生成參數(shù)見表1。

表1 ZY3-DEM生產(chǎn)參數(shù)

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

定義如圖1所示的選點(diǎn)方式作為采樣點(diǎn)進(jìn)行DEM精度評(píng)定和地形因子提取對(duì)比分析。評(píng)價(jià)方法選用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)和相似性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(SI)，獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)僅反映了兩組數(shù)據(jù)的均值與其所代表的總體差異顯著程度，并沒有將數(shù)據(jù)的離散程度考慮在內(nèi)，而SI指數(shù)綜合樣本數(shù)據(jù)組的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，有效解決了對(duì)樣本數(shù)據(jù)組進(jìn)行相似性評(píng)價(jià)的問題。

(1) 獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)：檢驗(yàn)兩個(gè)樣本平均數(shù)與其所代表的總體差異是否顯著。

(2) 相似性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo):反映兩個(gè)樣本數(shù)據(jù)的相似性。

式中，MEi和MEr，SDi和SDr分別為第i組及參考數(shù)據(jù)組的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；n為組數(shù)。SI值越小，表示樣本數(shù)據(jù)的相似性越高。

3 結(jié)果與分析

3.1 ZY3-DEM生產(chǎn)結(jié)果

圖2所示為由資源三號(hào)衛(wèi)星立體像對(duì)提取的ZY3-DEM1、ZY3-DEM2、ZY3-DEM3和ZY3-DEM4。

在圖1的樣點(diǎn)選取方式下，評(píng)價(jià)資源三號(hào)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM質(zhì)量，結(jié)果見表2。

結(jié)果表明，ZY3-DEM1均值1 250.79 m，p-value<0.01，與參考DEM有極顯著的差異；ZY3-DEM3均值為1 205.05 m，p-value=0.48(>0.05),與參考DEM相似性最高，ZY3-DEM4次之。從SI值的計(jì)算結(jié)果也能直接體現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)的相似性程度，計(jì)算結(jié)果真實(shí)具有說服性。

圖2 由資源三號(hào)數(shù)據(jù)生成的DEM

參數(shù)參考DEMZY3-DEM1ZY3-DEM2ZY3-DEM3ZY3-DEM4ME/m1210.221250.791202.251205.051203.06SD/m78.8778.3078.1478.0476.44SI00.790.290.270.65T-test(p-value)—<0.010.270.480.32

為進(jìn)一步驗(yàn)證資源三號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)果的質(zhì)量及SI指數(shù)的可靠性，利用高分二號(hào)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)樣區(qū)進(jìn)行土地利用分類，對(duì)分類后樣點(diǎn)計(jì)算SI指數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果表明：有控條件下DEM質(zhì)量比無控條件下DEM質(zhì)量好；ZY3-DEM1、ZY3-DEM2和ZY3-DEM4在不同土地利用類型中SI指數(shù)差別不明顯，但ZY3-DEM1數(shù)據(jù)質(zhì)量最差，結(jié)果符合實(shí)際情況，與馬保東等[10]學(xué)者研究結(jié)果相同；ZY3-DEM3的SI指數(shù)在不同土地利用類型中差別明顯，反映出對(duì)裸地具有較高質(zhì)量的描述。試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)符合實(shí)際，再次證明了以SI指數(shù)評(píng)價(jià)樣本數(shù)據(jù)組相似性是可靠的。

圖3 不同土地利用類型下資源三號(hào)DEM相對(duì)于參考DEM高程的SI指數(shù)

3.2 不同數(shù)據(jù)源坡度之間的關(guān)系

提取不同數(shù)據(jù)源的坡度，結(jié)果如圖4所示，并對(duì)采樣點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表3)。

圖4 不同數(shù)據(jù)源的坡度

結(jié)果表明，基于不同數(shù)據(jù)源的坡度提取結(jié)果基本格局相似，但基于資源三號(hào)數(shù)據(jù)提取結(jié)果更為細(xì)膩，SRTM DEMC90最為粗糙。從統(tǒng)計(jì)特征上分析，基于資源三號(hào)DEM數(shù)據(jù)提取的坡度結(jié)果SI指數(shù)相差不大，體現(xiàn)出了與參考DEM更高的相似性。其次為SRTM DEMX30，數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于ASTER GDEMv2和SRTM DEMC90，與杜小平等[11-12]學(xué)者研究成果相符，再次驗(yàn)證了SI指數(shù)的可靠性。ASTER GDEMv2較ASTER GDEMv1有更為明顯的相似性，但相對(duì)于參考DEM，坡度均值衰減也達(dá)到了8.64°，將對(duì)地形因子的計(jì)算產(chǎn)生明顯的影響。

表3 DEMs與DEMr的坡度對(duì)比

為了更詳細(xì)地描述各數(shù)據(jù)源坡度結(jié)果之間的差異，進(jìn)一步對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行不同高程分組和不同土地利用類型下的SI指數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。

結(jié)果表明：10 m分辨率的資源三號(hào)數(shù)據(jù)在低于1300 m的海拔高度及在不同的土地利用類型分組條件下對(duì)坡度的描述具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但4 m分辨率的資源三號(hào)數(shù)據(jù)在不同的分組條件下對(duì)坡度的描述差異較大，表明由資源三號(hào)數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM并非分辨率越高數(shù)據(jù)質(zhì)量越好；其次SRTM DEMX30和ASTER GDEMv2數(shù)據(jù)相對(duì)于現(xiàn)有常用DEM而言，具有一定優(yōu)勢(shì)。

3.3 不同數(shù)據(jù)源坡長之間的關(guān)系

本文提取的坡長指的是流域分布式土壤侵蝕學(xué)坡長，利用D8算法(最大坡降算法)[13-15]進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6所示，對(duì)采樣點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到坡長對(duì)比結(jié)果，見表4。

圖5 不同分組條件下各DEM相對(duì)于參考DEM坡度的SI指數(shù)

圖6 不同數(shù)據(jù)源的坡長

DEMMin/mMax/mME/mSD/mSIT-test(p-value)參考DEM5.00218.9939.8938.150—ZY3-DEM15.00249.7134.9939.110.020.17ZY3-DEM25.00238.9941.4844.900.030.68ZY3-DEM35.00270.2143.5547.560.050.36ZY3-DEM42.5993.8416.7115.630.16<0.01ASTER GDEMv115.00670.96119.8290.270.45<0.01ASTER GDEMv215.00789.41123.30112.050.54<0.01SRTM DEMX3015.46416.9963.4458.920.15<0.01SRTM DEMC9045.00606.84142.62114.470.61<0.01

結(jié)果表明：參考DEM和資源三號(hào)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果表面結(jié)構(gòu)最為相似，但參考DEM的結(jié)構(gòu)更為精細(xì)；而基于SRTM和GDEM數(shù)據(jù)的結(jié)果明顯偏大，與參考DEM數(shù)據(jù)結(jié)果差異明顯，坡長表面結(jié)構(gòu)不清晰，對(duì)相關(guān)的土壤流失程度計(jì)算會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步表明10 m分辨率下的資源三號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)果與參考數(shù)據(jù)相似程度最高，增加控制點(diǎn)個(gè)數(shù)并沒有對(duì)坡長的結(jié)果產(chǎn)生較為明顯的影響。而在現(xiàn)有應(yīng)用最廣泛的DEM數(shù)據(jù)中[2]，SRTM DEMX30的坡長結(jié)果與參考DEM的結(jié)果較為接近，且坡長隨著數(shù)據(jù)源分辨率的降低有明顯增大。

為了進(jìn)一步描述各數(shù)據(jù)源坡長結(jié)果之間的差異，對(duì)采樣點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行不同高程分組和不同土地利用類型下的SI指數(shù)的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同分組條件下各DEM相對(duì)于參考DEM坡長的SI指數(shù)

統(tǒng)計(jì)直方圖表明：10 m分辨率的資源三號(hào)數(shù)據(jù)在低于1300 m的海拔高度下及在不同的土地利用類型分組條件下對(duì)坡長描述較好，但ZY3-DEM4在不同的分組條件下對(duì)坡長描述差異大，進(jìn)一步證明由資源三號(hào)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM質(zhì)量并非隨分辨率提高而變優(yōu)；其次，在1000～1100 m的低海拔及土地利用類型為裸地的坡長結(jié)果中具有一定優(yōu)勢(shì)，雖然ASTER GDEMv2坡長整體評(píng)價(jià)結(jié)果與參考DEM相差明顯，但在1000～1100 m的低海拔高程范圍中，依然具有較高的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 結(jié) 論

本文利用研究區(qū)1∶10 000數(shù)字地形圖生成的DEM作為參考數(shù)據(jù)，分析了資源三號(hào)、SRTM和ASTER GDEM數(shù)據(jù)在高程、坡度和坡長等方面的精度差異，并得出以下結(jié)論：

(1) 由資源三號(hào)數(shù)據(jù)在有控制點(diǎn)條件下生產(chǎn)的10 m分辨率的DEM表現(xiàn)出與參考DEM最高的相似性；通過增加控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)并沒有明顯提高DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量；提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)的分辨率非但沒有提高DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量，反使之降低，表明資源三號(hào)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM有最適分辨率范圍，有待深入研究。

(2) 由資源三號(hào)10 m分辨率DEM數(shù)據(jù)提取的坡度和坡長地形因子在海拔1300 m以下和不同的土地利用類型分組中凸顯優(yōu)勢(shì)；SRTM DEMX30結(jié)果次之，尤以1000～1100 m及土地利用類型為植被的區(qū)域內(nèi)質(zhì)量最高；ASTER GDEMv2提取的坡度結(jié)果均值衰減程度較大，達(dá)到8.64°，相比坡度而言，SRTM和ASTER GDEM提取的坡長與參考數(shù)據(jù)差異更明顯，結(jié)果表面結(jié)構(gòu)異常模糊；本文對(duì)其他地形影響因素尤其是坡向因素對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響有待更為深入地分析。

(3) 建立了基于多組數(shù)據(jù)進(jìn)行總體相似性評(píng)價(jià)的指標(biāo)SI指數(shù)，能夠?qū)υ囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行定量化描述，直觀反映數(shù)據(jù)組之間的聯(lián)系，結(jié)果可靠，符合實(shí)際情況。

本文揭示了不同海拔高程下及不同土地利用類型對(duì)不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，可對(duì)進(jìn)行數(shù)字地形分析的數(shù)據(jù)選取及數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估等提供借鑒，對(duì)土壤侵蝕及水土保持研究有重要參考意義。