三种外部DEM对初级DSM数据的影响分析与评价

黄 波，张向阳，郭 莉，成晓英

（1.自然资源部第一地理信息制图院，陕西 西安 710054；2.自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京 100048）

初级DSM数据作为底图数据，其质量的可靠性直接影响人机交互工作量的大小，而初级DSM数据又是参考外部DEM经过软件干涉处理得到，外部DEM数据的不同，可能会影响初级DSM数据的质量。本文选取了3种外部DEM分别进行干涉处理，得到3个初级DSM数据，收集380个控制点对其分别进行精度检验，统计并分析高程中误差结果，评价3种外部DEM对初级DSM数据的影响[1-3]。

1 影响分析方法

InSAR技术生成DEM的流程步骤主要为：主图像/辅图像→影像配准→影像预滤波→干涉图生成→基线估计→去平地效应→干涉图滤波→相位解缠→相位到高程转化→地理解码→解码。分析外部DEM在干涉处理过程中的作用，主要是对干涉相位图中的地形相位信息进行解缠处理，得到地形相位的真实值。为了确保其他步骤的一致性，本文使用武汉大学自主研发的InSAR DSM软件进行干涉处理，运算方法唯一，参数设置不变，只是更换外部DEM数据，并且生成初级DSM产品格网间距均为10 m、高程系统均为大地高。

由于数据资料的有限性，本文暂未考虑外部DEM数据与SAR数据之间的时间差，3种参考DEM的时效性、格网间距大小，以及高程转换参数等带来的误差。

2 数据源准备

1）实验区概况。实验区位于西安市及周边地区，面积约为0.8万km2，测验区内平地、丘陵、山地、高山地地貌特征明显，地物要素丰富，涉及城市人工建筑物密集、自然植被多样、水域丰富、交通复杂，城市与农村并存。

2）原始SAR数据。采用德国TANDEM-X卫星获取的原始SAR数据。

3）外部DEM数据。SRTM数据由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）等机构联合测量，数据覆盖60°N～56°S之间，占全球陆地表面的80%以上。空间分辨率为1″（30 m），WGS-84坐标系，单位为0，高程系统为大地高，本文使用时将其重采样为10 m格网间距。

AW3D数据：AW3D数据由日本METI和美国NASA联合研制并免费面向公众分发，其数据覆盖范围为83°N～83°S之间的所有陆地区域，达到了地球陆地表面的99%。空间分辨率为1″（30 m），WGS-84坐标系单位为0，高程系统为EGM96水准高，本文使用时将其重采样为10 m格网间距，并将其改正为大地高。

10 000DEM成果数据：使用10 000DLG数据的等高线，进行内插反生得到，格网间距为5 m，坐标系统转换为WGS-84坐标系，单位为/（°），高程系统改正为大地高。

4）控制点数据。收集到该区域共380个等级控制点，具体分布如图1所示。

图1 控制点分布示意图

3 评价分析结果

分别使用SRTM、AW3D、10 000DEM数据，经过武汉大学自主研发的InSAR DSM软件进行运算得到3个初级DSM数据，利用收集的380个控制点分别进行中误差计算，具体结果见表1。

表1 初级DSM数据高程中误差统计表/m

从表中可以看到，外部DEM数据选取SRTM和AW3D时，利用控制点进行进度检测，其高程中误差比较接近，但是使用高精度的10 000DEM数据作为外部DEM时，其进度反而要差一些。分析3种外部DEM数据以及SAR数据特性，本文初步认为干涉处理后形成的初级DSM数据并非真实数据，因为房屋、植被等非地面物体的高度并未做降高处理。由于初级DSM数据精度受多种因素综合影响，包括海拔、坡度、地形起伏度、土地利用类型、植被密度等[4]，从单点误差统计分析，外部DEM为AW3D的初级DSM单点高程误差存在较大粗差值-53.800 m，经核实后，该点为145号控制点落入南部高山地区深沟内，将其剔除，重新计算了高程中误差，具体结果见表2。

表2 初级DSM数据高程中误差统计表/m

分析表2结果，当145号点剔除后，外部DEM数据为AW3D的初级DSM高程中误差从±5.315 m提升到±4.950 m，变化较大，另外2个初级DSM数据只是发生了略微变化。虽然145号点在外部DEM的初级数据高程中误差达到了-53.800 m，但是其精度还是略高于外部DEM为SRTM的初级DSM数据。

4 结论

通过本文的测试与分析，进一步肯定了SAR数据在数字高程模型生产中应用，更好地发挥了SAR数据主动性、穿透性、全天候等特性，有效避免了光学卫星影像受天气限制，需要人工消除或减轻云及云影、沙漠、冰雪、森林、阴影等影像弱纹理区域对地表高程的影响[5-6]。2种数据源各自发挥自身优势，相互补充，不仅保证了数字高程模型的全部数值的有效性，真实反映了实际地形地貌特征，而且实现了对大区域乃至境外地区数字高程模型的获取。

本文选取了地形较为丰富的区域，也能够客观、真实地反映3种外部DEM数据对初级DSM数据的影响，并使用了控制点对其进行了精度比较与分析，也得到了一些经验，但是鉴于SAR数据和控制点个数有限，以后仍需通过对不同地形实验区和大量控制点进行实验[7]，为开展大规模SAR数据利用InSAR技术制作DEM数据，做好理论支撑和精度验证。