常用免費DEM數(shù)據(jù)質量分析

1、常用免費 DEM 數(shù)據(jù)質量分析摘要：以常用 HydroSHEDS voidfilled DEM、SRTM、ASTERGDEM等五種DEM數(shù)據(jù)為研究對象，針對不同流域下墊面地 貌形態(tài)，采用不同的地貌特征分析方法以及將流域真實水系 和模擬河網(wǎng)對比分析等方法，研究了多源 DEM 數(shù)據(jù)的質量 問題。研究發(fā)現(xiàn) ASTER GDEM數(shù)據(jù)主要問題是噪聲大， HydroSHEDS voidfilled DEM和SRTM數(shù)據(jù)的主要問題是存在 模糊，噪聲、模糊均會降低數(shù)據(jù)的精度和提取的模擬河網(wǎng)的 精度，但從整體上來看，三種 DEM 數(shù)據(jù)提取的模擬河網(wǎng)的 質量相當。關鍵詞：多源DEM；模擬河網(wǎng)；水平分辨率；地貌分類

2、； 噪聲；模糊中圖分類號： P231 文獻標志碼： A 文章編號： 16721683 （2016）02007507Abstract ：This paper selected five different sources of DEM data ： HydroSHEDS voidfilled DEM， SRTM and ASTER GDEM and so on to analyze the quality of different DEM data under different geomorphologic shapes by choosing different geomorphologic

3、al characteristics analysis methods and comparing the simulated drainage networks with the real drainage networks.The results showed that the main problems of ASTER GDEM DEM data was data noise and of the other two DEM data both had some fuzzy data.These data quality issues would all affect the accu

4、racy of the data and the river network extracted from them.In general ， the accuracy of these digital drainage networks extracted from the three DEM data all had high precision.Key words： different sources of DEM data ； simulated drainage network ； horizontal resolution ； geomorphological classifica

5、tion ； noise； fuzzyDEM 數(shù)據(jù)是進行流域地貌分析時的數(shù)據(jù)源， 可由此推求 出流域坡度、坡向、流域分水嶺等地形特征值，是流域坡面 水文過程分析研究的基礎。一個高質量的 DEM 產(chǎn)品必須具 備準確性和完整性，準確性就是指 DEM 數(shù)據(jù)的精度要高， 完整性是指 DEM 數(shù)據(jù)覆蓋的面要廣。 DEM 數(shù)據(jù)的精度會直 接影響到對流域地形的描述和流域地形特征值的定量計算。 正方形網(wǎng)格形式的 DEM 是最常用的數(shù)據(jù)形式，其精度包括 空間分辨率和網(wǎng)格點高程精度，空間分辨率即為網(wǎng)格的大小。 DEM 數(shù)據(jù)高程精度直接影響到平原河網(wǎng)模擬河網(wǎng)的生成， 水 平分辨率不僅影響數(shù)字河網(wǎng)水系提取的結果，而且

6、直接關系 到水文模型計算單元的空間尺度 1 。國內很多水文學者從水文的角度對 DEM 數(shù)據(jù)源的精度問題進行了研究 25 。不同的 DEM 數(shù)據(jù)，其提取的模擬河網(wǎng)與真實水系的匹配程度不同， 這不僅與數(shù)據(jù)本身的分辨率和精度有關，還與 DEM 數(shù)據(jù)的 分析方法有關；對于同一 DEM 數(shù)據(jù)源，不同地貌形態(tài)條件 下，基于 DEM 數(shù)據(jù)提取的流域特征值的精度也不同。本文 在 GIS 平臺上，從流域坡面水文過程分析的角度，在具有不 同地貌形態(tài)的研究區(qū)，對比分析不同DEM 數(shù)據(jù)源原始數(shù)據(jù)的精度和及其生成的流域流水網(wǎng)的精度。1 數(shù)據(jù)源與研究區(qū)域目前可免費獲取的 DEM 數(shù)據(jù)有 GTOPO30、SRTM3、AST

7、ERGDEM、HYDROID HydroSHED（表 1）。HYDRO1K是在 USGS 最近發(fā)布的GTOPO3 0的數(shù)據(jù)上再處理得到的產(chǎn)品，HydroSHEDS數(shù)據(jù)是在3弧秒精度的SRTM高程數(shù)據(jù)基礎上， 采用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)改進方法和新研究的改進算法得到的產(chǎn)品， 這些數(shù)據(jù)均為網(wǎng)格形數(shù)據(jù)。由于GTOPO3和HYDRO1K數(shù)據(jù)空間分辨率低，相對來說 推求的流域流水網(wǎng)和模擬河網(wǎng)比較“粗糙” ，推求出的流域 分水嶺和河網(wǎng)等常常出現(xiàn)較大的誤差，難于滿足流域水文模 型的要求。因此，本文主要以 SRTM、HydroSHEDS和ASTER GDEM 三種 DEM 數(shù)據(jù)為分析研究對象。就上述三種DEM 數(shù)據(jù)而言，

8、從數(shù)據(jù)的完整性上來看，ASTER GDEM勺完整性最好，覆蓋 99%以上的陸地表面。 從水平分辨率上來考慮， ASTERGDEM數(shù)據(jù)的水平分辨率最高，但是SRTM HydroSHEDS數(shù)據(jù)的垂直精度比 ASTER GDEM數(shù)據(jù)的精度高（見表1），而且 劉學軍等研究發(fā)現(xiàn)，高水平分辨率的 DEM 并不一定產(chǎn)生高 質量的坡度、坡向結果，只有在 DEM 數(shù)據(jù)比較準確（垂直 精度比較高）時才可以 6。因此，不能機械地從水平分辨率 和垂向高程精度上判別 DEM 數(shù)據(jù)的質量，還需仔細分析研 究由它們推求出的流域地形特征值。本文選取了各種具有代 表性的研究區(qū)，從 DEM 數(shù)據(jù)本身和由其推求出的流域地形 特征值

9、，來對比分析上述三種 DEM 數(shù)據(jù)的質量。根據(jù)中國1 : 1000000地貌圖制圖規(guī)范7，我國地 貌基本形態(tài)類型分為平原、臺地、丘陵和山地；山地按海拔 和起伏度進一步劃分為小起伏山地、中起伏山地、大起伏山 地和極大起伏山地。在 1 : 400萬全國地貌數(shù)據(jù)庫8的基礎 上，按中國1 : 1000000地貌圖制圖規(guī)范的要求進行新 的地貌基本分類制圖，可獲得地形分布圖。根據(jù)地貌圖本文 選取平原、臺地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地、大起伏 山地和極大起伏山地研究區(qū)各 2 個研究區(qū)，共 14 個研究區(qū)。 平原研究區(qū) 1 位于淮河流域，平原研究區(qū)域 2 位于海河南系 流域；臺地研究區(qū) 1 位于嫩江流域，臺

10、地研究區(qū) 2 位于涇河 流域；丘陵研究區(qū)域 1 位于嘉陵江與涪江交界處，丘陵研究 區(qū)域 2 位于黃河流域河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間；小起伏研究區(qū) 1 位 于嘉陵江流域，小起伏研究區(qū) 2 位于嫩江流域；中起伏研究區(qū) 1 位于黑龍江干流，中起伏研究區(qū)域2 位于長江流域；大起伏研究區(qū) 1 位于嘉陵江流域，大起伏研究區(qū) 2 位于大渡河 流域；極大起伏研究區(qū) 1 位于藏南諸河流域和雅魯藏布江流 域交界處，極大起伏研究區(qū) 2 位于雅魯藏布江流域。選擇的 標準為研究區(qū)域內地貌類型單一且研究區(qū)域足夠大。研究區(qū) 域主要分布在濕潤與半濕潤地區(qū)。 2DEM 原始數(shù)據(jù)精 度分析將 DEM 格點的高程賦予不同的顏色，可以得到具有

11、立 體感的分色圖 （圖 1）。圖中顏色較深的網(wǎng)格點表示高程較低 的溝壑和河道網(wǎng)格，顏色較淺的為高程較高的山坡網(wǎng)格。分 色圖越清晰，說明數(shù)據(jù)精度越高。本文采用數(shù)據(jù)的模糊和噪 聲作為直接評判數(shù)據(jù)質量的一個依據(jù)。所謂數(shù)據(jù)模糊是分色 圖所反映出來的一種視覺上的表象，就像在原始數(shù)據(jù)上蒙上 一層霧，使得影像圖模糊不清（圖4）。所謂噪聲的直觀表現(xiàn)就是在原本顏色過度應該比較平滑的分色圖上出現(xiàn)明顯異 于周圍影像顏色的噪點，在 DEM 柵格圖上的表現(xiàn)就是隨機 分布的白色的柵格點（圖 7）。本文首先對上述三種 DEM 的原始數(shù)據(jù)質量進行對比分 析。在所有研究區(qū)內：極大起伏研究區(qū)1的SRTM數(shù)據(jù)和HydroSHEDS

12、 voidfilled DEM以及極大起伏研究區(qū) 2的 HydroSHEDS voidfilled DEM均存在數(shù)據(jù)模糊，極大起伏研究 區(qū) 1 和 2、臺地研究區(qū) 1 以及平原研究區(qū) 2 的 ASTER GDEM 數(shù)據(jù)均存在噪聲，這些原始數(shù)據(jù)的質量問題是隨機分布的， 不僅僅只出現(xiàn)在 12 個研究區(qū)內，在其它非研究區(qū)內也存在 這些質量問題，這與測量儀器誤差、信息提取誤差等等誤差 的隨機性均有關。由于極大起伏研究區(qū) 1 的 DEM 數(shù)據(jù)既存 在數(shù)據(jù)噪聲又存在數(shù)據(jù)模糊，現(xiàn)以其為典型的研究區(qū)對噪聲 和模糊的質量問題進行詳細說明。極大起伏山地研究區(qū) 1 位于藏南諸河流域和雅魯藏布江 流域交界處，起伏高度

13、在 2 500 m以上。HydroSHEDS voidfilled DEM和SRTM數(shù)據(jù)均有一部分區(qū)域呈現(xiàn)模糊狀態(tài)（見圖2）,HydroSHEDS voidfilled DEM數(shù)據(jù)的模糊程度比原始 SRTM數(shù) 據(jù)大，這是因為 HydroSHEDS voidfilled DEM是在SRTM數(shù)據(jù) 的基礎上，采用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)改進方法和新研究的改進算法得 到的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)在進行再處理時會產(chǎn)生新的誤差。現(xiàn)在數(shù)據(jù) 模糊處選擇一個斷面（見圖1 斷面 1）進一步分析數(shù)據(jù)模糊的影響，與該斷面處不存數(shù)據(jù)模糊質量問題的 ASTER GDEM 數(shù)據(jù)相比，HydroSHEDS voidfilled DEM和SRTM所反映的

14、地形 過于平滑 （見圖 2）。提取數(shù)據(jù)模糊處坡度數(shù)據(jù)并進行分級統(tǒng) 計得到圖分析圖 3 可以發(fā)現(xiàn)：存在數(shù)據(jù)模糊質量問題的 HydroSHEDS voidfilled DEM和SRTM數(shù)據(jù)提取得到的坡度值 主要分布在035，而不存在模糊質量問題的ASTERGDEM數(shù)據(jù)提取得到的坡度值主要分布在080,數(shù)據(jù)模糊會使得通過該數(shù)據(jù)提取的坡度值小于流域真實的坡度，如果采用存在模糊質量問題的數(shù)據(jù)提取的特征值進行水文 模型建模，會得到錯誤的模擬結果。利用三種 DEM 數(shù)據(jù)提 取研究區(qū)模擬河網(wǎng)，對比分析發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)模糊范圍內， HydroSHEDS voidfilled DEM 和 SRTM 數(shù)據(jù)得到的模擬河網(wǎng)明

15、 顯和真實水系不吻合，嚴重偏離真實水系，這說明數(shù)據(jù)模糊 質量問題會嚴重影響數(shù)據(jù)提取的真實水系的精度。極大起伏山地研究區(qū) 1的ASTER GDEM數(shù)據(jù)出現(xiàn)尖銳性 噪聲，在噪聲聚集處選擇一個斷面（圖 1 斷面 2）進行進一 步分析。在斷面處生成高程剖面圖（見圖5）可以發(fā)現(xiàn)噪聲集中處高程值突變非常大，甚至超過整個研究區(qū)的起伏度。 提取噪聲聚集處坡度數(shù)據(jù)并進行分級統(tǒng)計得到圖6，分析圖6可以發(fā)現(xiàn)：ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取的大坡度（大于 60 ） 的坡度值占比 HydroSHEDS voidfilled DEM和SRTM數(shù)據(jù)提取 得到的坡度值占比大，這說明噪聲使得該地區(qū)大坡度坡面面 積增加，提的坡度值

16、會大于流域真實坡度。 利用三種 DEM 數(shù) 據(jù)提取研究區(qū)模擬河網(wǎng) （見圖 7），對比分析發(fā)現(xiàn)在噪聲聚集 處，ASTER GDEM據(jù)生成的模擬水系與真實水系比較吻合， 只有在噪聲正好位于真實河道處時，模擬水系偏離真實水系， 這說明數(shù)據(jù)噪聲對基于其生成的模擬河網(wǎng)的影響與其密度 和所處的位置有關，這是因為模擬水系在生成的過程中對 DEM 進行了填洼， 填洼會移除數(shù)據(jù)中的小缺陷， 只要噪點不 位于真實河道上，對模擬水系的影響就比較小。在所有研究的 14 個研究區(qū)中， 四分之一研究區(qū)的 ASTERGDEM數(shù)據(jù)均存在明顯噪聲，其中平原研究區(qū)2和臺地研究區(qū) 1 整個研究范圍內全部覆蓋噪聲，這是因為ASTER

17、 GDEM使用的是熱輻射/反射測 量方式，會受云層和植被影響，數(shù)據(jù)誤差會比較大，而 HydroSHEDS數(shù)據(jù)雖然水平分辨率低，但其采用的是合成孔徑 雷達測量，相對誤差較小，數(shù)據(jù)質量比ASTER GDEM高，然而相比于原始SRTM數(shù)據(jù)，其由于采用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)改進方法 和新研究的改進算法進行處理，在局部地方產(chǎn)生新的誤差， 需要人工修正。數(shù)據(jù)噪聲對生成的模擬河網(wǎng)的精度有一定的 影響，影響大小與噪點的密集程度以及噪點值的大小有關； 數(shù)據(jù)模糊對生成的模擬河網(wǎng)的精度影響比較大，水系會發(fā)生 嚴重偏移。3 模擬河網(wǎng)精度對比分析根據(jù) DEM 高程模型各網(wǎng)格的高程將指向 8 個相鄰網(wǎng)格 中最低的網(wǎng)格的方向定義成該網(wǎng)

18、格的方向，將研究區(qū)所有網(wǎng) 格按網(wǎng)格方向相連即為流域流水網(wǎng)（ D8 模型）。根據(jù)網(wǎng)格方 向，可推求出每個網(wǎng)格的匯水面積。對整個流水網(wǎng)確定一個 涵養(yǎng)面積閾值，則匯水面積大于該閾值的網(wǎng)格即為河道網(wǎng)格， 將河道網(wǎng)格相連，即為基于 DEM 的模擬河網(wǎng)。流域涵養(yǎng)面 積閾值是河道開始發(fā)育的面積閾值，目前比較常用的確定方 法有河源密度 -集水面積曲線法 9 、河網(wǎng)密度集水面積曲線法9、河網(wǎng)平均坡降 -集水面積曲線法 10、流域寬度分布法 11 、 分形維數(shù)法 1213 、適度指數(shù)法 14 、改進的適度指數(shù)法 14 等。流域涵養(yǎng)面積閾值受流域地形、下墊面產(chǎn)流機制以及流 域所處區(qū)域氣候條件等因素的綜合影響。本文利

19、用三種 DEM 數(shù)據(jù)分別推求了流域模擬河網(wǎng)，研 究了不同數(shù)據(jù)源 DEM 數(shù)據(jù)生成的模擬水系的精度。現(xiàn)采用 人工試錯法選擇合適的流域閾值，由于三種DEM 數(shù)據(jù)水平分辨率不同，本文在閾值的確定時考慮到了網(wǎng)格數(shù)、 JP+1 網(wǎng)格面積與閾值之間的換算使得每個研究區(qū)內河道涵養(yǎng)面 積一樣。由于受限于 DEM 空間分辨率，且流域流水網(wǎng)推求 存在一定的誤差，故模擬河網(wǎng)的難于與真實水系完全吻合。 本文在 GIS 平臺上，采用了緩沖區(qū)分析法的方法來判別模擬 河網(wǎng)與真實水系的擬合程度。緩沖區(qū)分析法基本原理是在真 實水系附近生成 10 m、30 m 等不同大小的緩沖區(qū)，統(tǒng)計落 在緩沖區(qū)內的模擬河網(wǎng)的總長與真實水系總長

20、的比值（WL）作為模擬精度指標。理論上， WL 應小于比值越接近于則模 擬河網(wǎng)與真實水系的吻合度越高，即精度越高。這種方法評價擬合度時，還涉及到模擬河流的級別問題。 緩沖區(qū)分析法只能反映模擬河網(wǎng)與相應的真實水系擬合精 度，而模擬河網(wǎng)的長度是否與真實水系的長度相吻合與涵養(yǎng) 面積閾值緊密相關。如果閾值選擇過大，支流過多，有可能 將各模擬支流上游的若干與真實水系不對應的網(wǎng)格統(tǒng)計入WL 中，甚至有可能使得大于 1；如果閾值選擇過小， 模擬河 網(wǎng)長度遠小于真實水系， 即模擬河網(wǎng)與真實水系 “不對應”， 有可能造成 WL 遠小于 1。閾值的偏大和偏小都會造成 WL 指標判斷功能的失效。本研究采用閾值換算使

21、得每個研究區(qū) 內不同 DEM 生成模擬河網(wǎng)時的閾值一致，但是由于閾值受 到流域下墊面條件的影響，因而不同研究區(qū)之間的閾值是不 一樣的，不能保證每個研究區(qū)的閾值都是最優(yōu)（不偏大也不 偏小）的，因而該精度指數(shù)只能衡量一個研究區(qū)內不同模擬 河網(wǎng)的精度。因為平原地區(qū)地形起伏小，而 DEM 數(shù)據(jù)的垂直精度最 小也在 16 m 左右，且存在一些數(shù)據(jù)質量問題，因而無法描 述真實的地形，其次平原水系人工河道比較多，屬網(wǎng)狀河網(wǎng) 結構，其形成和發(fā)展主要不受地形高低起伏的控制，因而平 原區(qū)數(shù)字高程模型提取的模擬河網(wǎng)精度比較差。臺地研究區(qū) 1 位于嫩江流域，由于該研究區(qū)真實水系數(shù)據(jù)不完善，無法 與真實水系進行對比分析

22、，現(xiàn)統(tǒng)計除平原區(qū)、臺地研究區(qū) 1 之外的其它研究區(qū)域精度指標，見表 2。分析表 2 可知，三種 DEM 數(shù)據(jù)生成的模擬河網(wǎng)的精度 均不穩(wěn)定， 比如對于丘陵研究區(qū)域， 兩個研究區(qū)域三種 DEM 數(shù)據(jù)均不存在明顯噪聲和數(shù)據(jù)模糊， 但是丘陵研究區(qū) 1 SRTM DEM 數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)水系的精度最高，而丘陵研究區(qū) 2 ASTER GDEM DEM數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)水系精度最高。僅從模擬 河網(wǎng)精度方面來討論，目前無法明確評判三者的精度高低， 模擬河網(wǎng)的精度不僅與 DEM 數(shù)據(jù)的精度有關，還與研究區(qū) 域的下墊面條件有關，不易進行對比分析。分析表 2 可以發(fā)現(xiàn)在少數(shù)研究區(qū)（如臺地2 研究區(qū)）三種 DEM 數(shù)據(jù)生

23、成的模擬河網(wǎng)的精度一樣，現(xiàn)統(tǒng)計三種 DEM 數(shù)據(jù) WL 值的方差以分析其離散程度，見表3。分析表 3 可以發(fā)現(xiàn)三種DEM數(shù)據(jù)生成的模擬河網(wǎng)的 WL值的方差均比較 小，方差越小說明三種數(shù)據(jù)生成的模擬河網(wǎng)的精度越接近。 綜合表 2、表 3 可以發(fā)現(xiàn)， 雖然不能明確判斷三種 DEM 數(shù)據(jù) 哪種生成的模擬河網(wǎng)的精度最高，但是三種 DEM 數(shù)據(jù)生成 的模擬河網(wǎng)的精度均比較接近，且在中起伏研究區(qū)、大起伏 研究區(qū)、臺地研究區(qū)等研究區(qū)內， 70%以上的模擬河網(wǎng)落在 了 150m 的緩沖區(qū)內， 這說明這三種 DEM 數(shù)據(jù)作為提取模擬 河網(wǎng)的基礎數(shù)據(jù)時，質量均比較高。4 結論HydroSHEDS SRTM 以及

24、ASTER GDEM這三種 DEM 數(shù)據(jù) 質量均存在一些問題，ASTER GDEM數(shù)據(jù)的主要問題是數(shù)據(jù)噪聲大，HydroSHEDS voidfilled DEM數(shù)據(jù)的主要問題是數(shù)據(jù) 存在局部模糊的情況。噪聲和數(shù)據(jù)模糊均會影響原始數(shù)據(jù)的 精度，從而會影響基于 DEM 數(shù)據(jù)提取的地形特征值的準確 度。其次噪聲和數(shù)據(jù)模糊也會影響基于 DEM 數(shù)據(jù)提取的模 擬河網(wǎng)的精度，噪聲對模擬河網(wǎng)的影響與其噪密度以及位置有關；數(shù)據(jù)模糊會使得模擬河網(wǎng)嚴重偏離真實水系三種 DEM 數(shù)據(jù)生成的模擬河網(wǎng)的精度并不穩(wěn)定，目前 無法得出哪種 DEM 數(shù)據(jù)生成的模擬河網(wǎng)最精確的結論，從 而無法得到在提取模擬河網(wǎng)時哪種 DEM

25、數(shù)據(jù)質量最高的結 論，但三種 DEM 數(shù)據(jù)生成的模擬河網(wǎng)的精度均比較接近， 質量均比較好。參考文獻( References)：1 劉金濤，陸春雷 .DEM 分辨率對數(shù)字河網(wǎng)水系提取的 影響趨勢分析J.中國農(nóng)村水利水電，2009(3):79.( LIU Jintao, LU Chunlei.Trend Analysis of digital drainage network extraction affected by DEM resolutionJ.China Rural Water and Hydropower ， 2009( 3): 79.( in Chinese)2 劉遠，周買春， 陳芷

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