随着我国经济的高速增长，能源供应紧张的矛盾越来越突出，风力发电对于调节国内能源结构、促进能源可持续发展具有重要意义。地形是影响风能分布的主要因素，也是风电场项目可行性的衡量指标^[1-3]。在风电场宏观选址中，传统的山体特征线的获取是通过外业测绘采集控制点高程信息，再提取山体特征线。虽然这种山体特征线具有精度高等特点，但是它耗时耗力，且采集工作量大，有时甚至在地势险恶地区根本无法获取。近年来，国内学者尝试通过数字高程模型利用软件自动提取山体特征线，并进行精度评估^[4-10]。例如，杨族桥等利用多尺度DEM提取特征点，连线后与DEM套合目视分析精度^[11]；陈永良等通过方向剖面法筛选DEM山脊 (谷) 点提取山体特征线，并与DEM进行目视比较^[12]；刘泽慧等利用DEM改善地形流水模拟来提取山体特征线，再将DEM特征点连线进行形态比较^[13]。

可以看出，通过DEM自动提取山体特征线工作量小，但大多数仅从提取的特征线几何形态方面进行比较，未考虑更精确的点位精度分析方式。本文采用ArcGIS软件自动提取DEM山体特征线，从几何形态和点位精度来评价提取的山体特征线精度，以期对风电场风机布置提供更快捷的地形数据。

1 数据来源与处理

本文试验区位于云南省姚安县保顶山片区，它地处东经101°~102°、北纬25°~26°，面积约105×105 km²(见图 1)。区域内坐落着一条长约5.5 km、高程在909~3 102 m之间南北走向的连续山脊，约99.7%的高程在1 000~3 102 m之间，0.3%的高程在909~1 000 m之间。

根据李炳元的地形地貌分类标准^[14]，该区域地形包括5类：①平原，起伏度在20 m以内，约占7.5%；②台地，起伏度介于20~30 m之间，约占6.5%；③低丘陵，起伏度在100 m内，约占0.3%；④高丘陵，起伏度处于100~200 m之间，约占85.6%；⑤小起伏中山，起伏度在200~500 m之间，且海拔在1 000~3 500 m内，约占0.1%。

研究区DSM数据来源于资源三号卫星 (ZY-3)。资源三号卫星是我国第一个民用高分辨率立体测绘卫星，它兼具国土1:2.5万及更大比例尺地图的修测和更新，国家测绘地理信息局、国土资源部、水利部、农业部等将充分利用资源三号卫星数据服务国民经济建设^{[15, 16]}。SRTM DEM数据来源于美国太空总署网站。2000年2月，美国奋进号航天飞机雷达获取了地球表面60°N~56°S地形测绘数据，陆地表面覆盖率高达80%，其中分辨率为90 m SRTM数据已经向全球免费公布^[17]。

本文采用汤国安等基于正反地形自动提取山脊线和山谷线的方法^[18]。在提取过程中，需要设置两个阈值：分析窗口和坡向变率。其中，分析窗口是关键^[19]，它直接决定了提取的特征线的完整性和连续性。考虑到本文的数据源和研究区特点，为了获得最优分析窗口，基于n×n(n=4, 5, …, 50) 大小分别提取山体特征线，再将提取的栅格单元数与分析窗口大小进行拟合，以此确定最优分析窗口 (见图 2)。

由图 2可以看出，该曲线显著存在峰值，其横坐标对应的是最优分析窗口。本文以最大高差法确定拐点^[20]，可知峰值处n≈9，因此最优分析窗口大小应为9×9。

2 研究结果比较 2.1 吻合度分析

比较ZY-3 DSM与SRTM DEM提取的山体特征线，直观上，两者所提取的数据具有较高的吻合度。根据刘勇等吻合度比率计算方法^[21]，使用栅格分析工具分别计算两者的吻合度比率，计算结果如表 1所示。

由表 1可知，ZY-3 DSM提取的山体特征线比SRTM DEM栅格数量更多，空间匹配度更高，但两者提取的吻合度并不太高，主要是因为该方法提取的数据含有冗余的山脊线和山谷线^[7]。具体地说，①本文使用的ZY-3 DSM分辨率为15 m×15 m，SRTM DEM分辨率为90 m×90 m，两者分辨率比值是1/36。除去分辨率因素外，就山脊线而言，ZY-3 DSM与SRTM DEM提取的栅格数大致相同，而吻合的栅格数前者却比后者高出1.3倍；②对于山谷线，ZY-3 DSM提取的栅格数比SRTM DEM减少约7%，相反，吻合的栅格数前者却比后者增加约22%；③在吻合度比率方面，无论是山脊线还是山谷线，基于ZY-3 DSM提取的均高于SRTM DEM，达到9%。

2.2 点位精度分析

风电场选址一般选用1:10 000地形图^[22], 根据《1:5 000、1:10 000地形图航空摄影测量内业规范》^[23]，结合研究区地貌种类，故取3倍中误差即2.25 mm为限差。本文从ZY-3 DSM和SRTM DEM上提取的山体特征线各随机选择100个点，再与1:10 000实测地形图的同名点分别进行点位精度比较，采用绝对误差、点位中误差和均方根误差作为精度评价指标进行精度评价，计算结果如表 2所示。

总之，从ZY-3 DSM提取的山体特征线x坐标精度高于y坐标；但SRTM DEM的y坐标精度高于x坐标。SRTM DEM绝对误差平均值高出ZY-3 DSM的4倍，其中x坐标绝对误差最大值为ZY-3 DSM的4.4倍，y坐标高出2.3倍。利用ZY-3 DSM提取的山体特征线更接近实测数据，比SRTM DEM提取的山体特征线的点位精度更高。

更进一步，将绝对误差分区段比较 (图 3(a)和3(b))。在0~10 m内，基于ZY-3 DSM的山体特征线x坐标和y坐标的绝对误差占全部51%，与之相比，SRTM DEM仅占全部4%和17%。也就是说，由ZY-3 DSM产生的绝对误差主要集中在0~10 m区段内。基于ZY-3 DSM提取山体特征线上同名点x坐标绝对误差值域为[0, 27]，y坐标为[0, 69]。然而，SRTM DEM提取特征线同名点x坐标绝对误差值域为[0, 207]，y坐标值域为[0, 157]。可以说，基于ZY-3 DSM提取山体特征线比SRTM DEM有更高的点位精度。

继续分析点位中误差和均方根误差。由图 4(a)和4(b)可知，ZY-3 DSM所提取的山体特征线较SRTM DEM所提取的山体特征线具有更高的点位精度。就点位中误差而言，ZY-3 DSM值域为[1.414 2，50.606 3]，而SRTM DEM值域为[7.778 1，148.691 0]。并且，ZY-3 DSM的点位中误差主要集中在0~10 m内，占全部42%。相反，SRTM DEM点位中误差仅占1%。至于均方根误差，ZY-3 DSM的x坐标均方根误差仅为SRTM DEM的1/4，y坐标为SRTM DEM的1/3；而山谷线x坐标的均方根误差仅为SRTM DEM的1/7，y坐标为SRTM DEM的1/3。

3 结束语

本文采用基于正反地形自动提取山体特征线，并从特征线的吻合度、同名点的点位中误差和均方根误差3个方面对提取的山体特征线进行精度比较分析。所得的结论如下：①由分析窗口大小和提取的栅格单元数拟合曲线来选取分析窗口阈值，最优分析窗口为9×9；②无论是特征线吻合度，还是同名点位精度，基于ZY-3 DSM提取的山体特征线均比SRTM DEM具有更高的精度。

总体来说，使用资源三号卫星数字表面模型所提取的山体特征线基本符合测绘1:10 000地形制图标准，可用于风电场选址与设计。而且提取错误主要是由数字高程模型的分辨率以及断线缺失导致的。栅格分辨率越高，提取的山体特征线精度越高。断线缺失是因为真实地形中山脊 (谷) 存在部分地势较为平缓区域，以至于分析窗口无法检测到高程差，导致断线的出现。在今后的研究中，对提取方法进行优化，对地形描述精度进行评价，以期得到更广泛的应用。

致谢: 本文数据由国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心提供，在此表示感谢。