摘要:开放访问的全球数字高程模型(DEM)数据集高程精度一直是科研和应用领域的重要议题。本文在详细介绍了AW3D30DEM、SRTMDEM、ASTERGDEM和TanDEM－XDEM基本参数的基础上，对比分析了AW3D30DEM、SRTM1DEM和ASTERGDEM3种数据集的高程精度。实验表明，AW3D30DEM高程精度最高，其次是SRTM1DEM。ASTERGDEM高程上存在整体偏差。SRTM1DEM在地形起伏较大的地区，误差较大。
关键词:开放全球DEM数据集;高程精度;对比分析
0引言
数字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)通常以规则格网的形式数字化呈现地球表面三维形态，在水文、气象、地质灾害和资源普查等方面起到重要作用［1］。近年来，免费向公众开放的全球或近全球DEM种类繁多，常用高程数据有SRTM(ShuttleRadarTopographyMission)DEM、AW3D30(ALOSWorld3D－30m)DEM、ATSTER(AdvancedSpaceborneThermalEmissionandReflectionRa-diometerGlobal)GDEM和TanDEM－X(TerraSAR－Xadd－onforDigitalElevationMeasurements)DEM［2－4］。目前仅TanDEM－XDEM是分辨率为90m的全球数据，其他3种均是30m数据。DEM数据高程精度主要通过绝对精度和相对精度来衡量［5］。绝对精度是与高精度控制点对比评价，如GPS控制点，激光雷达测高数据等。相对精度是与高精度DEM对比评价，如大比例尺地形图生成的DEM，新型高分辨率DEM等。SRTMDEM和ASTERGDEM由于公布时间早，已经在实际生产和科学研究中得到了广泛应用，关于这两种DEM数据的精度分析已经有大量研究工作。而AW3D30DEM和TerraSAR－XDEM分别于2016年和2018年向公众开放［6－7］，国内目前对这两种高程数据的精度分析报道并不是很多，特别是关于AW3D30DEM、SRTM1DEM和ASTERGDEM3种数据的对比分析有待进一步研究。本文在详细介绍上述4种DEM数据基本参数的基础上，以TanDEM－X12mDEM为参考数据，从高程互差的统计指标和误差空间分布图两个方面对比分析AW3D30DEM、SRTM1DEM和ASTERGDEM的数据高程精度。
1实验区与实验数据
本文选择美国密歇根州附近地区作为实验区(如图1所示)，地理位置在43．24°N—43．47°N，102．36°S—102．58°S之间。该区域沟壑纵横，地形起伏明显，呈现为西北低，东南高，以少量植被覆盖的低山脉和丘陵为主，海拔分布在818—1049m之间。表1详细列出实验中涉及的全球开放DEM数据集的详细参数(如图2所示)。①实验选择AW3D30DEMV2．2为实验数据，该数据由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)收集2006—2011年期间PRISM相机的全色立体像对生成，并于2016年向公众开放全球数据集，数据覆盖60°N—60°S和少量超过60°N的地区［8］。AW3D30DEM采用的参考椭球为WGS84椭球，高程基准是基于EGM96高程基准。数据下载地址:https://www．eorc．jaxa．jp/ALOS/en/aw3d30/。②SRTM1DEM即SRTMDEM分辨率为1s的格网高程数据。该数据由美国奋进号航天飞机于2000年左右收集的雷达干涉影像生成，覆盖60°N—56°S地区。SRTM1DEM采用的参考椭球为WGS84椭球，高程基准是基于EGM96高程基准。SRTMDEM先后发行过4个版本数据集，本文使用的1arc－second数据由美国地质调查局(https://earthexplorer．usgs．gov)提供。③ASTERGDEM是由美国国家航空航天局(NASA)和日本经济产业省(METI)联合完成，通过搭载在Terra卫星上的光学相机收集立体像对生成［9］。ASTERGDEM采用的参考椭球为WGS84椭球，高程基准是基于EGM96高程基准，目前覆盖了83°N—83°S地区。2009年第一版数据向公众开放获取，本实验采用ASTERGDEMV2，可通过ht-tps://search．earthdata．nasa．gov/免费获取。d)2018年10月德国航空航天中心(theGermanAerospaceCenter，DLR)公开全球90mTanDEM－XDEM全球数据集。由于TanDEM－X达到了NGA(NationalGeospatial－IntelligenceAgency)规定HRTE－3(HighResolutionTerrainElevation，Level－3)规范标准，具有很高的高程精度［10］。其中90m分辨率数据获取地址:https://geoservice．dlr．de/web/dat-aguide/tdm90/。本次使用DLR提供的部分12mTanDEM－XDEM样例数据作为参考数据。
2研究方法与结果分析
DEM反映的高程信息是其重要应用，因此，对DEM的质量分析主要关注其高程精度。本文以高精度12mTanDEM－XDEM为参考数据，通过基于统计分析和DEM误差空间分布图两个方面来分析目前3种开放全球DEM精度。基于统计分析，主要通过高程互差的均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和更具鲁棒性的指标归一化中值绝对偏差(NMAD)等统计指标来定量评价实验结果［11］，通过DEM差值图更能反映误差的空间分布特征。表2展示了AW3D30DEM、SRTM1DEM和ASTERGDEM的统计值结果。从表中可以看出，AW3D30DEM的RMSE值最小，精度最高，其次是SRTM1DEM，而ASTERGDEM精度最低。NMAD可以一定程度上反映误差的稳定性，ASTERGDEM的NMAD值最大，说明该数据质量不稳定，噪声严重，而AW3D30DEM和SRTM1DEM误差稳定性相近。结合误差频率分布直方图(如图2所示)来看，3种数据的误差整体呈现正态分布。其中ASTERGDEM与参考数据之间存在一个明显的整体偏差，AW3D30DEM相比较于SRTM1DEM直方图更聚拢，峰值更高，说明AW3D30DEM质量更好。图3为上述3种DEM差值图，即DEM减去参考数据，其展示了DEM误差的空间分布。结合图1(b)可以看出，DEM的误差与地形变化存在一定的关系，在地形起伏较大的地区，地形噪声严重。在平坦地区，AW3D30DEM和SRTM1DEM误差分布大致相同;在地势较高的区域，SRTM1DEM地形噪声相对较大。ASTERGDEM相对参考数据存在明显偏差，整体高程低于参考数据。
3结束语
本文详细介绍了AW3D30DEM、SRTM1DEM、ASTERGDEM和TanDEM－XDEM数据情况。以高精度TanDEM－X12mDEM作为参考数据，从基于统计分析和误差空间分布两个方面有效地对比分析了AW3D30DEM、SRTM1DEM和ASTERGDEM3种开放全球的高程精度。实验表明，AW3D30DEM整体精度最高，其次是SRTM1DEM;SRTM1DEM在地形变化明显的地区，地形噪声严重。ASTERGDEM与参考数据之间存在整体偏差，且数据噪声严重。因此，推荐AW3D30DEM为实际生产和三维可视化提供准确高程信息。
作者:管李义 陈斯飏 邹思远 吴文清 单位:中南大学地球科学与信息物理学院
