张　弛，葛　莹，王　冲，肖胜昌，李云婷，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)



资源三号测绘卫星DSM与ASTER GDEM精度对比分析
——以高海拔山区为例

张弛1，葛莹1，王冲2，肖胜昌2，李云婷1，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)

为了评价国产资源三号测绘卫星DSM数据质量，选取地貌类型丰富的云南省高海拔山区为试验样区，以1∶10 000实测地形图DEM为假定真值，以30 m分辨率ASTER GDEM为评价参照，从高程精度和地形描述精度两方面着手，对国产资源三号测绘卫星DSM数据精确性进行分析。结果表明：国产资源三号测绘卫星DSM数据精度整体高于ASTER GDEM。

资源三号测绘卫星(ZY-3)；ASTER GDEM；高程精度；地形描述精度

2012-01-09，我国在太原卫星发射中心采用长征四号乙运载火箭，将资源三号测绘卫星(ZY-3 Surveying and Mapping Satellite)成功地送入太空，自此开启国产民用测绘卫星应用的新篇章[1]。作为我国第一颗高分辨率民用立体测绘卫星，资源三号测绘卫星肩负着1∶50 000立体测图及更大比例尺基础地理信息产品的生产和更新任务[2]，它的成功发射意味着可以利用三线阵立体成图功能生成立体测绘产品，可为国土资源监管、城市规划建设和交通等领域提供测绘地理信息服务，其重要意义在于更好地开展国土资源调查与监测工作[3-5]。

数字地表模型(Digital Surface Model，DSM)是指涵盖地表建筑物、植被等信息的地貌高程模型[6-7]，它是资源三号测绘卫星向用户提供的测绘数字产品之一，在三维空间数据处理与地形分析等方面有着极其重要的应用。由于ZY-3 DSM投入使用不久，目前针对它的精度分析和评价并不多。国内外这方面研究主要集中在ASTER GDEM和SRTM DEM数据质量的探讨方面[8-16]。从以上的文献综述来看，大部分是从高程精度或地形描述精度入手对SRTM DEM和ASTER GDEM的数据精确性进行分析。

为深入了解资源三号测绘卫星 DSM产品的精度，本研究以典型高海拔山区为例，并以1∶10 000实测地形图DEM为假定真值，30 m分辨率ASTER GDEM为评价参照，从高程精度和地形描述精度两方面着手，多视角地对我国资源三号测绘卫星DSM数据质量进行精度评价，以期为ZY-3 DSM的实际应用提供参考依据，更好地为我国基础地理信息产品生产和应用提供服务。

1　数据来源与处理

图1　研究区位置概况

本文的试验样区位于云南省境内，试验区面积约11 000 km2，属于典型的高原盆地地貌类型区，地理坐标介于101～102°E，25～26°N之间，高程在909～3 102 m之间，其中约99.7%高程大于1 000 m，如图1所示。根据李炳元地貌分类标准[17]，以海拔和起伏度为分类指标，对该试验区的地貌划分为：1)平原，起伏度小于20 m，约占试验区面积7.5%；2)台地，起伏度在20～30 m之间，约占试验区面积6.5%；3)低丘陵，起伏度在30～100 m内，约占试验区面积0.3%；4)高丘陵，起伏度在100～200 m间，约占试验区面积85.6%；5)小起伏中山，起伏度在200～500 m内，海拔在1 000～3 500 m间，约占试验区面积0.1%。

资源三号测绘卫星搭载前后下视3台全色相机以及一台多光谱相机用于获取三视立体影像和立体像对。将立体像对平差后，根据密集点匹配技术获得同名点，再基于有理函数模型(Rational Function Model，RFW)的空间前方交会得到地面点坐标，通过地面点内插即可获得DSM[18]。

ASTER GDEM(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model)是搭载在TERRA卫星上的高分辨率多光谱传感器，主要用于获取地球高程数据、辐射和表面温度。由于ASTER数据包括底视图像和后视图像两类，且数据间存在着55″时间差，由此产生的立体像对可用于提取ASTER GDEM[19]。该数据由美国太空总署(NASA)和日本国际经贸商业部(METI)在2009年6月联合推出，其全球范围内的垂直精度达±20 m、平面精度30 m，覆盖范围为北纬83°～南纬83°间所有陆地区域，地表覆盖率达99%[20]。

2　研究结果比较

2.1高程精度评价

为了评价DEM高程数据质量，将实测地形图DEM分别与ZY-3 DSM和ASTER GDEM进行逐栅格减法运算，得到反映高程误差的数据量，如表1所示。从计算结果来看，ZY-3 DSM高程误差平均值和中误差约为ASTER GDEM的1/3，最大值为ASTER GDEM的4/5，最小值为ASTER GDEM的1/2。因此，与ASTER GDEM相比，ZY-3 DSM高程误差分布更为集中，具有更高的高程精度。

表1　2种数据源高程误差的统计量　m

由ZY-3 DSM与ASTER GDEM高程误差分布图直方图可知(见图2和图3)，2种数据源的高程误差均呈现以0为中心的正态分布，但高程误差分布区间存在较大差异。其中，ZY-3 DSM高程误差主要集中在-18～12 m，约占全部96.74%，而ASTER GDEM则主要集中在-52～28 m，约占全部95.91%。具体地说，在[-10，10]高程误差区间内，ZY-3 DSM是83.91%；ASTER GDEM是36.85%，后者仅为前者的2/5。此外，ZY-3 DSM高程误差值域为[-77，94]；ASTER GDEM高程误差值域为[-139，120]，前者明显比后者更小。由此可见，ZY-3 DSM的高程精度明显高于ASTER GDEM。

图2　ZY-3 DSM高程误差分布

图3　ASTER GDEM高程误差分布

2.2地形描述精度评价

DEM是地表形态的数字表示，仅对高程精度进行评价远远不够，还需从地形描述精度方面来评价DEM数据质量。本文借助汤国安提出的地形描述精度[15]和坡度计算模型[16]，深入分析ZY-3 DSM和ASTER GDEM对真实地表描述的准确程度。

坡度是描述地形曲面形态和结构的基本参数之一，在测绘领域内一般是在DEM上通过坡度模型计算得到[16]。本文利用GIS软件计算得到3种DEM数据源的坡度信息(见表2)。由表2可知，坡度最小值均为0，即研究区内存在无地形起伏区域。与ZY-3 DSM所得坡度统计量相比，ASTER GDEM计算结果更偏离实测地形图DEM所得坡度统计量，其中坡度平均值偏离最大，高出实测地形图DEM坡度平均值约2.5倍。

表2　3种DEM数据坡度统计量

进一步分析3种DEM坡度计算结果(见图4和图5)。从图4可以看出：1)在[0，12]区间内，随着x坐标的增大，3种DEM坡度分布曲线均呈现缓慢增长，此时3条曲线保持较好的吻合度；2)当坡度值在[12，24]区间内，3条曲线呈现明显正增长，且三者之间的差异随着坡度值的增大而逐渐增大并在x为24附近达到峰值，其中实测地形图DEM增幅最大，ZY-3 DSM次之，而ASTER GDEM最小；3)当坡度值在[24，48]区间内，3条曲线y坐标随着x值的增大而减小，且3条曲线间的差异逐渐减小；4)当x大于48后，3条曲线的y坐标仍在减小，但幅度较小，此时3条曲线趋于重合。

图4　3种DEM坡度分布图

图5　ZY-3 DSM与ASTER GDEM坡度误差分布

总的来说，当x坐标接近0时，实测地形图DEM坡度分布曲线存在峰值，而另外2种DEM坡度分布曲线y坐标均较小，认为是实测数据采集过程中，在坡度值较小区域高程信息采集时，采集数据量大，因此实测地形图DEM在坡度值为0附近存在峰值；当坡度较小时，3种DEM坡度分布曲线相差较大且当坡度达到24°时，ZY-3 DSM和ASTER GDEM与实测地形图DEM的坡度误差表现最为明显；当坡度较大时3种DEM坡度分布曲线趋于重合，认为在这种情况下坡度误差最小。

利用ArcGIS进行逐栅格减法运算并对计算结果分区段统计(见图5)，定量比较ZY-3 DSM和ASTER GDEM与实测地形图DEM坡度分布之间的差异。由图5可知，ZY-3 DSM坡度误差值域为[-66,60]，ASTER GDEM为[-42，58]。虽然ZY-3 DSM坡度误差值域大于ASTER GDEM，但是在坡度误差分布方面，ZY-3 DSM的坡度误差分布更集中。具体地说，基于ZY-3 DSM所得的坡度误差主要分布在[-10，10]之间，约占全部84.20%，而ASTER GDEM仅占66.69%。综上可知，就坡度误差而言，ZY-3 DSM对坡度的描述精度优于ASTER GDEM。

为了多角度地评价DEM地形描述精度，本文还采用汤国安等提出的地形描述误差(Et)和其均方根误差(RMSEt)作为地形描述精度评价指标。在假定DEM高程采样误差不存在的情况下，地形描述误差Et表示模拟地面与真实地面间的差异。Et计算方法是某栅格点高程值与相邻四角点栅格高程平均值之差，即栅格单元坐标为(i，j)的Et值，可由式(1)计算得出。

(1)

式中：Et(i，j)为中心栅格Et值;H(i，j)为中心栅格高程值，其余为相邻四角点栅格高程值。

本文在ZY-3 DSM和ASTER GDEM上随机各选取60个中心栅格及相邻四角点栅格计算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ASTER GDEM。虽然ZY-3 DSMEt平均值为ASTER GDEM的2.5倍，但ZY-3 DSM的Et最大值仅为ASTER GDEM的1/6，最小值仅为ASTER GDEM的1/4。

表3　2种数据源Et值统计描述　m

图6　2种DEM的Et分布直方图

为深入分析地形描述误差(Et)的具体分布情况，分区间比较2种DEM数据源Et分布(见图6)。ZY-3 DSM的Et值约93.33%处于[-2，2]区间，而ASTER GDEM仅有33.67%落入该区间，前者约为后者的3倍。可以说，ZY-3 DSM模拟地表更接近真实地表，两者间的差距更小。

再根据DEM空间分辨率、平均剖面曲率与Et均方根误差(RMSEt)关系式对地形描述误差进行定量评价。

RMSEt=(0.0063V+0.006 6)R-

0.022V+0.241 5.

(2)

式中:V为研究区平均剖面曲率，其可利用ArcGIS对DEM进行坡度的二次计算获得[21]，R为DEM空间分辨率。结合本文ZY-3 DSM空间分辨率为15 m，ASTER GDEM为30 m，计算得到2种DEM的RMSEt实际值和理论值见表4。

表4　2种DEM数据RMS Et比较

由表4可知，ZY-3 DSM的RMSEt实际值与理论值十分接近，为理论值0.98倍。相较而言，ASTER GDEM的RMSEt实际值与理论值存在较大差异，高出理论值约2.78倍。由此推断，ZY-3 DSM对地形的描述精度远比ASTER GDEM高，与真实地形更接近。

3　结　论

通过对复杂地形下ZY-3 DSM的高程精度和地形描述精度分析，可得到以下结论：从高程精度来看，ZY-3 DSM的高程精度远高于ASTER GDEM，前者的高程中误差仅为后者的1/3。就地形描述精度而言，ZY-3 DSM的坡度误差分布与ASTER GDEM相比更为集中，ZY-3 DSM约84.2%位于[-10，10]区间内，而ASTER GDEM仅有66.69%，是ZY-3 DSM的2/3。此外，基于ZY-3 DSM计算得到的RMSEt实际值更接近理论值。因此，本文认为无论从高程精度还是地形描述精度而言，ZY-3 DSM数据质量都要高于ASTER GDEM。

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[责任编辑：张德福]

Accuracy comparison between ZY-3 surveying and mapping satellite DSM and ASTER GDEM—a case of high altitude mountain areas

ZHANG Chi1，GE Ying1，WANG Chong2，XIAO Shengcang2，LI Yunting1，ZHAGN Junyuan1

(1.School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Kunming Engineering Corporation Ltd.，Power Construction Corporation Ltd. of China，Kunming 650051，China)

In order to evaluate the accuracy of DSM data of ZY-3 surveying and mapping satellite，this paper selects the ZY-3 DSM data in the high altitude mountain areas as typical areas with 1∶10 000 DEM as contrastive reference data，analyzes the ZY-3 DSM data with ASTER GDEM as reference，and compares their accuracy in terms of elevation accuracy and accuracy of terrain representation.The results show that on the whole the data quality of ZY-3 DSM is better than ASTER GDEM.

ZY-3 surveying and mapping satellite (ZY-3)；ASTER GDEM；elevation accuracy；accuracy of terrain representation

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.08.007

2015-05-11；

2015-09-20

云南省重大科技专项(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)

张弛(1995-)，男，本科生.

葛莹(1963-)，女，教授.

P237

A

1006-7949(2016)08-0029-04