2. 武汉大学地球空间环境与大地测量教育 部重点实验室, 湖北 武汉 430079 ;
3. 英国纽卡斯尔大学土木工程与地球科学学院, 英国 纽卡斯尔
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许多地球表面的地球物理过程受到地形的控制或强烈影响，大尺度自然灾害与环境变化相关的研究(如滑坡、地面沉降、地震与火山形变、洪水等)均需要区域或全球尺度的精密地形信息。高质量、高分辨率地形数据对全球综合对地观测系统(GEOSS)所认定的9大社会受益领域(农业、生物多样性、气候、生态系统、能源、健康、水资源和天气)具有极其重要的价值。
2000年2月，美国航天飞机雷达测图任务(shuttle radar topography mission，SRTM)利用C波段InSAR方法11天时间收集了全球80%陆地地形信息，在美国本土分辨率为1″(30 m)，在全球其他地区则为3″(90 m)[1]。SRTM DEM是过去15年应用最广泛的全球数字高程模型(global digital elevation model，GDEM)，以大地测量学为例，该数据是InSAR形变监测、重力场建模等研究的关键数据源之一[2-5]。2014年9月，美国国家地理空间情报局(NGA)宣布1″分辨率的SRTM(SRTMGL1)DEM数据逐步向全球用户免费开放。2015年7月，中国大陆地区用户已经可以免费下载。
由于GDEM数据质量在区域尺度上存在空间变化，因此需要对其定量评估并谨慎使用。已有许多学者利用测高数据和参考DEM对SRTM DEM进行了质量评估[6-17]。Gorokhovich和Voustianiouk[11]利用美国和泰国两个地区的差分GPS数据验证了CGIAR-CSI SRTM (v4.1)数据的高程精度，比SRTM DEM声称精度[10]高2~4倍。Hirt等[16]认为在植被较少地区SRTM v4.1的中误差最小(6 m)。Mouratidis等[17]验证了希腊北部地区的4个版本的SRTM 3″ DEM质量，其中SRTM v4的中误差为6.4 m，与欧亚地区SRTM官方声称精度[10]相当。但是，已有的研究很少针对中国地区[18-20]，特别是最新发布的30 m分辨率SRTM DEM数据在中国地区仍然缺少详细的精度评定研究。
因此，在中国范围内SRTMGL1数据发布之后，笔者在已有研究的基础上立即开展了相关的评估与验证工作，利用高精度GPS观测与高分辨率全球数字高程模型(SRTMX DEM、ASTER GDEM v2、SRTM v4.1、SRTM v3)得到其绝对与相对高程精度，分析不同数据源和不同分辨率的GDEM与坡度的空间相关性，最后讨论影响GDEM质量的关键因素。
一、 研究方法与数据集 1. 研究区域本文选取了中国境内3个空间独立的典型地区(三峡地区、华北平原地区、云贵高原地区)作为研究区域，如图 1所示。一方面，广泛的人类活动(如采矿、地下水抽取、水电站开发等)容易引发地面沉降与滑坡等地质灾害；另一方面，活动断裂带附近分布有人口密集的大城市，容易受到地震灾害的威胁。上述地区是当前国内的重点监测区域，已布设了密集的大地测量、地震等观测仪器。
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| 图 1 研究区域GPS分布与地表覆盖情况 注：第1列代表研究区域GPS分布情况，第2列代表土地覆盖情况(数据来源：欧空局GlobCover v2.2)。 |
考虑到数据生产过程中引入的随机误差与系统误差，中误差(RMS)是目前衡量测图精度的标准，并广泛应用于估值与真值一致性的测量[21]。由于GPS数据的坐标精度优于厘米级，因此可以忽略其不确定性而视为真值。标准差(standard deviation)是反映一组数据离散程度最常用的一种量化形式。本研究分别采用中误差与标准差来描述DEM误差
(1) 式中，Δi=HDEMi-HGPSi(i=1, 2, …, N)。
3. 数据集GPS数据分别来自中国大陆地壳环境观测网络(华北平原与云贵高原地区)和滑坡形变GPS静态观测(三峡地区)，其三维坐标优于厘米级。参考GDEM数据包括ASTER GDEM v2、SRTMX DEM、SRTM v3和SRTM v4.1，其中前两种分辨率为1″，后两种分辨率为3″，表 1给出了GDEM数据的分辨率、高程基准、存储格式等特征。上述数据的坐标系统均统一至WGS-84参考椭球系统。
| 名称 | 分辨率 | 基本单元 | 水平基准 | 垂直基准 | 空值 | 存储格式 |
| SRTMGL1 | 1″×1″ | 1°×1° | WGS-84 | EGM96 | -32 768 | HGT |
| GDEM2 | 1″×1″ | 1°×1° | WGS-84 | EGM96 | -9 999 | GeoTIFF |
| SRTMX | 1″×1″ | 15′×15′ | WGS-84 | WGS84 | -32 767 | DTED-2 |
| SRTM3 | 3″×3″ | 1°×1° | WGS-84 | EGM96 | 无空值 | HGT |
| SRTM4 | 3″×3″ | 5°×5° | WGS-84 | EGM96 | -32 768 | GeoTIFF |
SRTMX DEM在2010年12月发布，是2000年航天飞机雷达地形测图任务(SRTM)期间由X波段SAR系统获取的1″分辨率GDEM，由于采用高分窄幅模式观测，该数据在影像条带间存在空隙。
ASTER GDEM v2在2011年10月17日发布，新版本采用了高级算法改进其分辨率和高程精度，重新处理了2000—2010年约150万景ASTER影像(含2008年9月以后的26万景新影像)。该数据是目前唯一覆盖全球所有陆地的1″分辨率GDEM，但是在受持续云覆盖的区域需要采用其他DEM(如SRTM DEM)替代缺失数据。
SRTM v3(SRTM Plus)在2013年11月发布，该版本使用ASTER GDEM v2、USGS GMTED2010或USGS NED高程数据集来填补数据空洞。
SRTM v4.1是2008年9月发布的全球无缝高程数据集，由于雷达影像在地形起伏剧烈的山区受到阴影、顶底倒置等影响，该数据采用高级插值与补洞方法，质量与之前的版本相比有显著改进。
二、 研究结果与讨论 1. 绝对精度基于高精度的GPS观测数据验证结果表明(如表 2和图 1所示)，SRTMGL1 DEM的绝对高程精度为10.3 m，与SRTMX DEM(9.7 m)精度相当[18]，并优于其余3种GDEM(ASTER GDEM v2、SRTM v4.1、SRTM v3)的高程精度(12.1、14.8与16.6 m)，上述GDEM均存在负的系统性偏差(3～7 m)。
| m | |||||||
| area | GPS | cor | min | max | mean | std | RMS |
| 三峡 | 124 | 0.99 | -33.53 | 9.48 | -4.17 | 8.33 | 7.23 |
| 华北 | 48 | 0.99 | -56.04 | 5.03 | -3.70 | 10.12 | 9.52 |
| 云贵 | 34 | 0.99 | -43.80 | 1.18 | -12.46 | 15.72 | 9.74 |
| 全部 | 206 | 0.99 | -56.04 | 9.48 | -5.43 | 8.79 | 10.31 |
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| 图 2 SRTMGL1高差直方图 |
采用与SRTMGL1空间分辨率相一致的ASTER GDEM v2评估其相对误差(如图 3所示)。研究结果表明，在3个研究区域其相对误差均优于SRTM v3和SRTM v4.1[18]。在地形复杂的三峡和云贵高原地区，ASTER GDEM v2比SRTMGL1高2～3 m，但在华北平原地区比SRTMGL1低2 m左右。值得注意的是，ASTER GDEM v2发布时已经官方改正了-5 m的系统偏差。
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| 图 3 SRTMGL1与ASTER GDEM v2高差相关性 |
除了与精确配准相关外，基于栅格的GDEM验证结果在很大程度上与研究区域的植被类型、密度和结构存在相关性。ASTER高程值来自植被顶层高度的直接反射，而雷达回波信号则反映了植被树冠内部的高程，波长越长，穿透性越强。值得注意的是，与前期研究相一致[18]，本研究也发现在云贵高原地区ASTER GDEM受云的影响显著(如图 3(c)所示)。
4. 坡度与传感器波长的关系前期研究表明，由3大类GDEM(X波段SRTM DEM、ASTER GDEM v2与C波段SRTM DEM)得到的坡度数据之间依次存在约2°的坡度差[18]。
5. 高程质量与地表植被覆盖的关系将GDEM高程误差分别按土地覆盖产品进行分类，可以更好地解释地表物理特征对高程质量的影响机制。前期研究表明，在自然与半自然陆地植被地区，各类GDEM的相对误差较大[18]。
C波段SRTM高程值普遍低于X波段SRTM与ASTER GDEM v2的高程，反映了有植被地区高程质量与传感器波长散射特征的相关性(λC>λX>λ光学)。
6. 高程质量与影像数量的关系通过分析GDEM的质量文件(Stacking NUM)可以发现高程质量与影像数量的关系[18]。ASTER GDEM v2在云贵高原地区受到季风云的长期影响，导致可用的ASTER影像数量偏少( < 10)，直接导致了其高程质量偏低(高程值来自云顶反射)，因此将进一步影响采用ASTER GDEM v2作为替补数据源的其他GDEM的高程质量(如SRTM v3)。
三、 结束语高分辨率、高质量地形数据有利于地震、火山和滑坡地质灾害等环境变化相关的研究。本文对中国境内最新发布的SRTMGL1 DEM开展了质量评估与验证，研究表明该数据的高程精度(10 m)优于3″SRTM DEM。通过分析不同数据源和不同分辨率的GDEM，讨论了影响GDEM质量的关键因素。
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