SRTMDEM在黃土高原地區(qū)的應用研究

摘要：黃土高原地區(qū)是我國水土流失的重點區(qū)域，快速、精準、便捷地獲取黃土高原地區(qū)的地形信息，可以為區(qū)域水土流失研究提供數(shù)據(jù)支持。為掌握開放的SRTMDEM能否支撐黃土高原地區(qū)水土流失研究工作，以位于黃土丘陵溝壑區(qū)的韭園溝為研究區(qū)，以5m分辨率的1∶10000DEM數(shù)據(jù)作為參考真值，對SRTMDEM進行高程精度和地形、水文因子表達能力分析。結果表明：①高程最大誤差為62m，平均誤差為13.43m，中誤差為14.62m，誤差在合理范圍內，SRTMDEM可以表達高程信息和地形起伏特征；②SRTMDEM在坡度較高地區(qū)的地形細節(jié)表達能力相對較弱，在坡向表達方面表現(xiàn)較好；③SRTMDEM可以很好地刻畫河網(wǎng)及流域溝谷特征。綜合來看，SRTMDEM可為黃土高原地區(qū)大尺度水土流失研究提供數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞：SRTMDEM；高程；地形；水文；水土流失；黃土高原地區(qū)

中圖分類號：P208；S157文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.03.011

引用格式：張慶功，賈智樂，黃偉，等.SRTMDEM在黃土高原地區(qū)的應用研究[J].中國水土保持，2025（3）：38-41.

DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)是水土流失研究中的重要支撐數(shù)據(jù)之一，可用于計算高程、坡度、坡向等信息。然而大范圍、高精度的DEM數(shù)據(jù)獲取難度大、成本高，給區(qū)域尺度水土流失研究信息獲取帶來了一定困難。因此，常態(tài)化、便捷化、低成本獲取區(qū)域尺度高精度DEM數(shù)據(jù)對于水土流失研究具有重要意義。SRTM（ShuttleRadarTopographyMission）DEM是美國航天飛機雷達地形測繪數(shù)據(jù)，可免費下載使用，按照精度可分為SRTM1和SRTM3，對應分辨率分別為30m和90m，這為我國開展區(qū)域尺度水土保持關鍵因子研究提供了新思路。目前，國內外已有針對SRTMDEM數(shù)據(jù)的研究，主要集中在SRTMDEM數(shù)據(jù)處理和空洞填補[1]、數(shù)據(jù)質量和精度分析[2]以及在各行業(yè)的應用[3]等方面。DEM數(shù)據(jù)質量和精度是數(shù)字地形研究分析及應用的前提和根本保證[4]，但針對SRTMDEM在黃土高原這一典型區(qū)域的適用性研究較少。為了進一步掌握開放的SRTMDEM能否支撐黃土高原地區(qū)水土流失研究工作，對30m分辨率的SRTMDEM數(shù)據(jù)開展研究，以5m分辨率的1∶10000DEM數(shù)據(jù)作為參考真值，選取位于黃土丘陵溝壑區(qū)的韭園溝為研究區(qū)，對該區(qū)域SRTMDEM的高程精度和地形、水文因子表達能力進行了論證分析，探討SRTMDEM在黃土高原地區(qū)水土流失研究工作中的應用價值。

1研究區(qū)概況

韭園溝位于陜西省北部的榆林市綏德縣，位于黃土丘陵溝壑區(qū)，總面積約75km2，屬溫帶大陸性半干旱季風氣候區(qū)，年均降水量468mm，主要集中在7—9月。屬于黃河流域，地形梁峁起伏，溝壑縱橫，海拔820～1180m，地表植被稀少，主要是灌木、野草和野花，水土流失較為嚴重。土層較厚，黃土塬、梁、峁以及溝壑、黃土喀斯特等地貌發(fā)育十分典型[5]，基本涵蓋了黃土高原大部分的地貌組合及景觀形態(tài)。

2研究方法

本研究利用ArcGIS軟件開展空間分析計算與精度評估，以5m分辨率的1∶10000DEM數(shù)據(jù)作為參考真值，利用DefineProjection坐標轉換工具，將下載得到的30m分辨率SRTMDEM轉換成與5m分辨率DEM相一致的坐標系統(tǒng)，對比SRTMDEM和參考真值DEM的高程誤差，采用等高線套合差來判斷數(shù)據(jù)精度，并通過坡度、坡向、水文因子等對比分析，探討SRTMDEM表達地表形態(tài)的能力及適用范圍與條件，技術路線見圖1。

1）將SRTMDEM數(shù)據(jù)進行投影轉化與配準，使其與1∶10000DEM數(shù)據(jù)的坐標系一致，并進行數(shù)據(jù)配準，配準總誤差為1.36個像元，符合后期試驗要求。

2）等高線套合積差是指由DEM再生的等高線與原始等高線多邊形復合后，由兩條等高線相交產(chǎn)生的沿原始等高線兩側分布的細碎多邊形面積總和與相鄰兩條半距等高線面積之比[6]。等高線套合積差的計算公式為

式中：Pi為某一條等高線的套合積差；Si為某一條等高線和原始等高線套合后細碎多邊形面積總和；M為相鄰兩條半距等高線面積；PA為整個研究區(qū)的等高線套合積差；m為等高線的條數(shù)。

3結果與分析

3.1SRTMDEM高程精度分析

由于數(shù)據(jù)量較大，因此隨機抽樣選取10000個點位進行誤差驗證。提取SRTMDEM上相應點的高程值，以此為基礎與5m分辨率DEM數(shù)據(jù)進行高程最大誤差、平均誤差、中誤差計算，計算得到最大誤差為62m，平均誤差為13.43m，中誤差為14.62m。高程值的誤差與黃土丘陵溝壑區(qū)地形起伏和切割深度大有關，并非實際差值。SRTMDEM的分辨率為30m，與5m分辨率的DEM相比只能粗略表達地形，但高程誤差值在合理范圍內。

通過以5m分辨率DEM提取的等高線作為基準等高線，以SRTMDEM提取的等高線為測試等高線，分析SRTMDEM和5m分辨率DEM的套合差。套合后的局部細碎多邊形示意見圖2。由圖2可以看出，基于SRTMDEM提取的等高線與基準等高線整體走向接近，可以真實反映溝壑信息。但是由于SRTMDEM的分辨率較參考真值低，SRTMDEM無法反映精細的地形細節(jié)，因此出現(xiàn)了套合積差，經(jīng)計算得到PA值為0.22。湯國安等[6]通過試驗指出，在數(shù)據(jù)源空間分辨率不同時，PA值在0.05以內表示套合結果令人滿意，PA值大于0.30時表示套合結果較差。本研究表明，受到SRTMDEM自身分辨率的限制，部分地形細節(jié)無法精細表達，與基準等高線存在偏差，但PA值小于0.30，提取的等高線與基準等高線整體走向一致，表明SRTMDEM可以實現(xiàn)對地形信息的基本表達。

3.2SRTMDEM的地形因子表達能力

3.2.1坡度

在實際運用中坡度一般指平均坡度。雖然平均坡度在一定程度上可以表達地面傾斜度和起伏狀態(tài)，但是與實際情況存在較大差異[7]。坡譜是在一定區(qū)域內以坡度為自變量，其對應面積為因變量組成的各級別坡度統(tǒng)計模型，對于特定區(qū)域，坡譜顯然可以更好地反映地面變化特征[8]。由于坡譜是微觀地形因子在一定分級規(guī)則下的頻譜圖[9]，因此坡譜的分級設置十分重要。為直觀反映數(shù)據(jù)特征，顯示數(shù)據(jù)差異，本研究以3°為一個坡度等級，將基于SRTMDEM和5m分辨率DEM提取的坡度信息繪制成坡譜圖，見圖3?？梢钥闯觯琒RTMDEM和5m分辨率DEM提取的坡譜信息變化趨勢相同，但是在坡度較高的區(qū)域，SRTMDEM提取出的數(shù)量較少，地形細節(jié)表達欠佳。

3.2.2坡向

在實際研究中，經(jīng)常依照特定的標準將坡向進行歸類，如將坡向劃分為陽坡、陰坡、半陽坡、半陰坡等，使坡向具有一定的地理意義。本研究將坡向歸類為水平、北向、東北向、東向、東南向、南向、西南向、西向、西北向，繪制基于SRTMDEM和5m分辨率DEM的坡向頻譜圖（見圖4，圖中數(shù)字表示各坡向面積占比，單位%）?？梢钥闯觯琒RTMDEM基本可以反映真實的坡向信息。

3.3SRTMDEM的水文因子表達能力

3.3.1河網(wǎng)

通過DEM數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)位置和長度，是DEM數(shù)據(jù)表達地形的能力之一。匯流的累積閾值大小會直接影響提取的河網(wǎng)密度及河流級別，閾值越小，提取的河網(wǎng)密度越大，河流級別越多；閾值越大，提取的河網(wǎng)越稀疏，河流級別越少。若設置的閾值不合適，則會產(chǎn)生大量偽水道。經(jīng)過多次試驗，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)河網(wǎng)的累積閾值設定為100左右時，提取出的河網(wǎng)信息與真實情況最為接近。將累積閾值設定為100，基于SRTMDEM和5m分辨率DEM提取河網(wǎng)并進行對比分析（局部示意見圖5），計算二者的套合差（局部示意見圖6）。結果表明，基于SRTMDEM和5m分辨率DEM提取的河網(wǎng)在位置和長度上基本一致，僅存在少部分不吻合的區(qū)域，PA值為0.03，套合效果較好?？梢哉f基于SRTMDEM提取的河網(wǎng)數(shù)據(jù)比較準確，即SRTMDEM可以較好地反映和表達流域溝谷特征。

3.3.2流域

流域是覆蓋于整個河網(wǎng)的地表區(qū)域。支流的集水區(qū)域被稱為子流域或小流域，相互連接的子流域構成流域。在水土流失治理中，常以小流域為單元開展，因此基于DEM數(shù)據(jù)科學準確地劃分小流域對水土流失研究十分重要。基于SRTMDEM和5m分辨率DEM分別提取水系中線，并與研究區(qū)小流域邊界線進行疊加分析，局部示意見圖7。可以看出，二者整體比較相近，但在局部區(qū)域存在差異。對基于SRTMDEM和5m分辨率DEM提取的小流域進行周長差和面積差計算，得到周長差比率約為0.021，面積差比率約為0.015。結果表明，當無法獲取更高精度的DEM數(shù)據(jù)時，SRTMDEM可以用于研究區(qū)小流域的劃分。

4結論

本研究以5m分辨率DEM作為參考真值，以位于黃土丘陵溝壑區(qū)的韭園溝為研究區(qū)，從高程精度和地形、水文因子表達能力方面對SRTMDEM進行評價分析。受分辨率限制，SRTMDEM的高程信息與參考真值存在一定誤差，但高程誤差在合理范圍內，在溝壑縱橫的黃土高原地區(qū)SRTMDEM具有較好的表達高程信息和地形起伏的能力；SRTMDEM在坡度較高的地區(qū)地形細節(jié)特性的表達能力相對較弱，在坡向表達方面表現(xiàn)較好；SRTMDEM可以很好地表達河網(wǎng)及流域溝谷特征，其效果接近于5m分辨率DEM。綜合來看，SRTMDEM可用于黃土高原地區(qū)大尺度水土流失研究，可為坡度、坡長因子計算提供較好的數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻：

[1]黃帥元，董有福，李海鵬.黃土高原區(qū)SRTM1DEM高程誤差校正模型構建及對比分析[J].地球信息科學學報，2023，25（3）：669-681.

[2]高志遠，謝元禮，劉狀，等.陜北黃土區(qū)SRTMDEM精度對不同地形因子的響應[J].水土保持研究，2019，26（3）：174-178.

[3]張朝忙，劉慶生，劉高煥，等.SRTM3與ASTERGDEM數(shù)據(jù)處理及應用進展[J].地理與地理信息科學，2012，28（5）：29-34.

[4]郭笑怡，張洪巖，張正祥，等.ASTER-GDEM與SRTM3數(shù)據(jù)質量精度對比分析[J].遙感技術與應用，2011，26（3）：334-339.

[5]于海洋，羅玲，馬慧慧，等.SRTM（1″）DEM在流域水文分析中的適用性研究[J].國土資源遙感，2017，29（2）：138-143.

[6]湯國安，陶旸，王春.等高線套合差及在DEM質量評價中的應用研究[J].測繪通報，2007（7）：65-67.

[7]南希，李愛農，邊金虎，等.典型山區(qū)SRTM3與ASTERGDEM數(shù)據(jù)精度對比分析：以青藏高原東麓深切河谷區(qū)為例[J].地球信息科學學報，2015，17（1）：91-98.

[8]張興福，劉成.綜合EGM2008模型和SRTM/DTM2006.0剩余地形模型的GPS高程轉換方法[J].測繪學報，2012，41（1）：25-32.

[9]張偉，李愛農.基于SRTMDEM數(shù)據(jù)的全國地表面積計算研究[J].地理與地理信息科學，2014，30（3）：51-55.

（責任編輯李佳星）

收稿日期：2024-07-01

基金項目：河南省2022年度水利科技攻關項目（GG202215）；河南省2021年度水利科技攻關項目（GG202150）；2023年度河南測繪職業(yè)學院青年科研基金項目（2023CHQN08）；2024年度河南省科技攻關項目（242102320248）

第一作者：張慶功（1984—），男，河南魯山人，高級工程師，學士，主要從事GIS、工程測量等方面工作。

通信作者：賈智樂（1989—），男，河南孟津人，工程師，碩士，主要從事攝影測量與遙感、信息化等方面工作。

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