SRTM与ASTER GDEM数据比较——以淮河上游地区为例

□王 欢 潘卫东 李贺丽

（1河南省驻马店水文水资源勘测局；2河南省信阳水文水资源勘测局）

SRTM与ASTER GDEM数据比较
——以淮河上游地区为例

□王 欢1潘卫东2李贺丽1

（1河南省驻马店水文水资源勘测局；2河南省信阳水文水资源勘测局）

SRTM3和ASTER GDEM是目前为止应用最为普遍的数字高程模型，由于其成像方式和自身分辨率的不同，会使这两种数据产生一定差异。在淮河上游地区展开实验，把基于1∶50000万比例尺的两个DEM数据相比较，分别比较这两种数据在水平位置偏移、高程、坡度、坡向上的差异。结果表明：等高线与河谷都有着明显的偏移； SRTM3与ASTER GDEM数据之间的高程差距在平原地区并不大，而在山区，两者高程差距非常大；SRTM3的坡度相对较为平缓，坡度的大小相对较为集中；ASTER GDEM的坡度相对比较陡峭，坡度大小分布较为分散，SRTM3的坡向分布较为分散，ASTER GDEM的坡向相对而言比较集中。关键词：SRTM；ASTER GDEM；数字高程模型

1 引言

1.1 研究背景及意义

SRTM是由美国太空总署（NASA）、美国国防部国家测绘局（NIMA）、德国与意大利航天机构共同协作所共同完成联合测量，由美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载SRTM系统完成。SRTM对北纬60°～南纬56°之间的陆地进行了测量，这次的任务测量了地球80%的陆地。其按分辨率可分为SRTM1（约30m）和SRTM3（约90m）两种，其中SRTM1数据只能在美国本土获取，而SRTM3数据全球可免费获取。于2009由美国NASA发布的ASTER GDEM数据，其全球分辨率为30 m。ASTER GDEM数据覆盖了地球北纬83°～南纬83°之间的所有陆地区域，这个范围基本覆盖了地球陆地表面的99%。对比可以看出，ASTER GDEM数据的空间分辨率有了非常大的提高，并且其地面覆盖范围也得到了很大的扩展。

1.2 研究现状

ASTER GDEM发布后，一些前辈对ASTER GDEM数据与SRTM3数据在各个方面分别进行了比较分析，南希、李爱农等通过实验研究得到了SRTM3因为受到分辨率的限制，其山谷线形态丢失了细节信息而走向平直，因而没有ASTER GDEM数据所表现出的山谷形态准确丰富的结论。吴建强等在玲珑山及其周边地区建立了研究区域，研究分析得出结论：DEM空间分辨率越大，该数据所能表现出的地貌细节越丰富，所以在其实验区中，SRTM3数据的高程精度并没有ASTER GDEM数据的高程精度表现效果好。

作为可以免费获取的高分辨率DEM，ASTER GDEM与SRTM这两种数据在地学研究中具有重要的意义。但是，由于其成像方式与自身分辨率的不同，会使这两种DEM数据的高程值产生一定的差异。随着科学技术的发展以及人们生活、生产、研究中对DEM数据要求的不断提高，如何选择适合自身研究的DEM数据成为研究的首要问题，本文以淮河上游地区为例将SRTM数据与ASTER GDEM数据在水平方向、竖直方向、坡度、坡向等方面进行比较，进一步促进两种DEM数据在地学分析中的应用，也加深大家对两种数据的了解，从而在数据选择中，做出更好的判断。

2 研究区域与数据

2.1 研究区域概况

淮河历史悠久，是我国的七大古河流之一，坐落于中国东部。淮河的发源地在河南省南阳市，其干流经过河南、安徽、江苏3个省。淮河全长为10 000 km总落差达到了200 m，通常被分为上游、中游、下游3个部分。

文章采用淮河上游（淮河发源地到王家坝一段）为研究区域（图1），介于30°N～35°N，112°E～117°E之间。处于中国东部的中国七大古河流之一的淮河，其上游长度为360 km，是全长的3.60%，而其地面落差却达到了178 m，相比较而言，淮河上游为淮河三个部分中落差最大的一部分，淮河流域的面积为3.06万km2。淮河上游的水系发达，支流很多，而其两岸的山丘绵延。在其流域中，大别山的白马尖海拔1 774 m和天堂寨海拔1 729 m最高，而大别山以东地区的地势明显降低，岗丘连绵。

图1 淮河上游边界图

2.2 数据对比分析与数据来源

实验采用SRTM3数据与ASTER GDEM数据以及淮河上游的矢量图。SRTM数据生成的基本原理是：合成孔径雷达卫星对同一地区进行两次合成孔径雷达成像，对两幅图像中的相位进行干涉处理，得到它们的干涉图像，再从干涉图像中的相位信息获取地形高程数据，由于同时采集数据的两个天线安装在航天飞机上，图像配准和基线精度大幅度提高。它的数据高程基准是EGM96，平面基准是WGS84。本文选用版本为2的SRTM3数据，该数据从空间地理数据云（http：//www.gscloud.cn/）获取。此版本数据包含有的数据空洞。本次研究采用2个文件。

ASTER GDEM是使用全自动化的方法对150万景的ASTER存档数据进行处理生成的，其中包括通过立体相关生成的1264118个基于独立场景的ASTERDEM数据，再通过去云处理，消去多余的异常值，取平均值，并将其作为ASTER GDEM对应区域的像素值，改正剩下的异常数据，再按1°×1°分片，生成全球ASTER GDEM数据。目前ASTER GDEM数据的版本为第1版本（ASTER GDEM V1），分辨率约为30 m。与SRTM数据一样，ASTER GDEM的高程基准是EGM96，平面基准是WGS84。据ASTER GDEM发布方称，95%置信度下ASTER GDEM垂直精度为20 m，水平精度为30 m。此次研究共采用了8个ASTER GDEM文件。该数据从空间地理数据云（http：//www.gscloud.cn/）获取。

Landsat8卫星于2013年2月11日被美国太空总署（NASA）成功发射上天。该卫星上携带两个主要载荷：OLI（陆地影像仪）和IRS（热红外传感器）。OLI独立成像仪包含9个波段，可以组成更多的RGB方案，空间分辨率为30 m，其中包括一个15 m的全色波段，成像宽幅为185 km×185 km。本次实验运用了四幅Landsat8卫星影像数据。本次实验所使用的ASTER GDEM数据、SRTM3数据和Landsat8数据都来自于地理空间数据云。

矢量数据是在直角坐标系中，用X、Y坐标表示地图图形或地理实体的位置数据。矢量数据通常用记录坐标的方法来尽可能将某个物体的空间位置表现的毫无偏差。本次实验所采用的矢量图是淮河上游面状矢量图。该矢量图由指导老师提供。

2.3 研究方法

基于ArcGIS平台，先对ASTER GDEM数据和SRTM3数据分别进行镶嵌处理。接着，用淮河上游矢量图分别对两个DEM数据进行裁剪。裁剪后的ASTER GDEM数据分辨率仍为30 m，而SRTM3数据的分辨率为90 m，为了方便对其比较，将裁剪后的ASTER GDEM通过求取相邻9个栅格单元的高程值的平均值进行重采样，把它的分辨率转变为90 m，与SRTM3数据的分辨率保持一致。

基于ENVI平台，分别将landsat8四幅图像的2～8波段进行融合，并将融合后的四幅图像进行合并。用淮河上游面状矢量图对合并后的TM影像进行裁剪，就可以获得我们所需要的淮河上游的TM影像。用ENVI中的波段计算器进行运算：

（1）式中，b2表示第4波段，及红光波段，b4代表第7波段，及短红外波段。得到河流的栅格图。在ArcGIS中打开该图，进行矢量化。得到河流矢量图。

在ArcGIS中对SRTM3和ASTER GDEM求取等高线、坡度、坡向等地形因子。实验中采用了正、反地形坡向变率算法，对ASTER GDEM和SRTM数据进行了山谷信息的提取，为避免信息的冗余也为了便于观察，对提取信息进行了适当的调整与清理，并通过ArcScan将其转换为山谷线要素。

3 研究结果分析

3.1 平面差异

将实验得到的河流线和从两个DEM中提取出来的河谷线叠加在同一图层上，从图上可以看来，从SRTM3数据提取出来的河谷信息与从ASTER GDEM数据提取出来的河谷信息有着明显的偏移。若将从landsat8中所提取出的河流当作参照河流的话，ASTER GDEM的河谷线偏移量要稍小于SRTM3河谷线偏移量。

图2ASTER GDEM与SRTM3等高线水平比较图

在试验中，基于ArcGIS，用两个DEM数据分别生成了两组等高线，两组等高线的等高距都是50m。通过图2可以看出这两组等高线有着明显的偏移，ASTER GDEM生成的等高线总是向着SRTM3生成的等高线的西南方向偏移。而就SRTM3来说，ASTER GDEM的等高线更加的零散、细碎，相比较而言，SRTM3的等高线就比较连贯，没有太多细碎的地方。从整体上看来，在样本区西面以及南面的山区一代，等高线之间的偏移量并不大，等高线数量也没有太大变化。而在东边的平原丘陵地带，由SRTM3所生成的等高线数量大大少于由ASTER GDEM所生成的等高线数量。

3.2 竖直差异

对于平面精度一致的DEM，可以单个像元逐一进行比较。比较发现，不同地形数据高程误差在空间分布并不均匀，差异情况在它们2类被测数据的高程互差上有所体现（图3）。即便SRTM与ASTER GDEM之间所使用的坐标系相同，但它们自身的配准精度有差异。我们用ASTER GDEM每个像元的高程值减去对应的SRTM3的高程值，可得到图3。

结合其遥感图像可以知道，在平原地区，高差大部分处于-15～12m之间，高差并不大，而在山地地区，高差最高达到120m，落差非常大。两类地形数据的高差以0为中心呈现正态分布，其高差范围为［-111，120］。

图3ASTER GDEM与SRTM3高差分布图

3.3 坡度

对坡度进行重分类，分为：0～3°、3°～5°、5°～15°、15°～25°和＞25°共五大类。

4 结论

文章从水平方向、竖直方向、坡度、坡向方面对SRTM3数据与ASTER GDEM数据进行了比较，结果表明：①SRTM3山体线条相对粗糙，细节信息没有ASTER GDEM详细。从SRTM3数据提取出来的河谷信息与从ASTER GDEM数据提取出来的河谷信息有着明显的偏移。若将从landsat8中所提取出的河流当作参照河流的话，ASTER GDEM的河谷线偏移量要稍小于SRTM3河谷线偏移量。SRTM3生成的等高线相对于ASTER GDEM生成的等高线向着东北方向偏移，SRTM3的等高线相对完整；在山区一带，等高线差距并不大，但是在平原地区，ASTER GDEM的等高线所覆盖范围明显大于SRTM3的等高线覆盖范围。从水平方向上考虑，ASTER GDEM数据所携带的信息更加能满足人们的需求；②在平原地区，SRTM3与ASTER GDEM数据之间的高程相差并不大，而在山区，两者高程差距非常大。如果研究问题时所需要的数据为平原，精度要求不高时，选择SRTM3或ASTER GDEM数据并没有太大的差距；如果研究区域为山区，如何选择DEM数据，需要通过进一步的精度评价再做决定；③SRTM3的坡度相对较为平缓，坡度的大小相对较为集中。ASTER GDEM的坡度相对比较陡峭，坡度大小分布较为分散。与实际情况结合来看，做坡度研究时，ASTER GDEM数据更加符合人们的需求；④SRTM3的坡向分布较为分散，其坡向分布在正北、东北、正东、东南、正南、西南、正西、西北这八个方向上的数量较多。ASTER GDEM的坡向相对而言比较集中。在数据选择时，需要结合具体情况做进一步分析，才能得到更加符合需求的数据。综上所述，ASTER GDEM数据更加能满足于一般的实验需求。

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1673-8853（2017）10-0088-04

2017-9-18

编辑：刘长垠 韦诗佳