第35卷第1期2021年1月
北京测绘
Beijing Surveying and Mapping
Vol.35No.1
January2021
引文格式：苏晓茹，唐伟，戴华阳，等•露天矿区多源数字高程模型数据对比分析［J］.北京测绘，2021,35(1)1115. DOI：10.19580/jki.1007-3000.2021.01.003 露天矿区多源数字高程模型数据对比分析
苏晓茹唐伟戴华阳阎跃观
(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083)
［摘要］针对数字高程模型数据源不同会带来一定的不确定性和差异性的问题，选取德国某露夭矿为实验区，以高精度DEM数据TanDEM-X为参照，对比了SRTM、AW3D30、ASTER GDEM与TanDEM-X 数
据的高程精度，分析了DEM数据的差异。结果表明：(1)露夭矿区的开采和复垦活动明显地体现在了不同时期获取的DEM高程变化中；(2)在非采矿区，不同DEM数据之间具有较好的一致性,TanDEM-X数据与其他数据的高差均方根误差分别为2.64m、5.88m、2.99m；(3)DEM空间分辨率越高提取得到坡度最值越大，地形描述准确性越高。研究结果为露夭矿区DEM应用提供参考。 ［关键词］数字高程模型(DEM)；高程差异；坡度差异；地形表达差异；露夭矿区
［中图分类号］P237；P208［文献标识码］A［文章编号］1007-3000(2021)01-0011-05
0引言
数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是区域表面高程的数字化表达，信息丰富，应用广泛「T。随着遥感技术的发展，可通过机载或星载传感器获取高程数据，得到全球范围内的高精度DEM产品，如TanDEM-X(TanDEM-X Digital Elevation Model)、SRTM(Shuttle Radar Tbpography Mission),ASTER GDEM(ASTER Global Digital Elevation Model)、AW3D30(Alos Word3D-30)等典型产品。其中TanDEM-X,SRTM是基于合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)生产，精度易受雷达后向散射影响,ASTER GDEM、AW3D30基于光学立体观测技术生产，精度易受云层影响。此外地形起伏、地貌类型等因素也会给DEM产品带来一定的不确定性。因此，在应用DEM数据前开展精度评价工作至关重要，目前相关研究可分为以下几类［49］：(1)以实测数据作为对照样本，从地形区域、地貌环境等 角度分析评价；(2)从水文分析等应用角度评价DEM适用性；(3)从坡度、地形剖面线等可视化角度采用视觉效果对比。分析发现：实测数据虽然精度高，但空间分辨率低，无法实现大区域精度分析，利用高精度高分辨率DEM数据作为基准数据的研究比较少。此外，露天矿区具有地形变化显著、边坡不稳定等特点，对DEM数据精度要求和时效性要求较高，针对露天矿区域的不同时期的DEM产品进行比较可以用来研究采矿和复垦活动引起的高程变化规律，但相关研究较少。因此，本文以德国某露天矿为研究区，以TanDEM-X数据作为基准，将SRTM、AW3D30、ASTER GDEM 数据与TanDEM-X进行比较，分析了不同DEM 产品之间的质量差异，研究了不同DEM产品对不同土地覆盖区域(水体、植被)的地形表达准确性。
1研究区和数据
1.1研究区概况
研究区位于德国北莱茵-维斯特法伦州西部(50°32‘〜51°07'N,6°14'〜6°51'E)，研究区北部
及西南部地势起伏大，地形变化明显，中部地势平坦，西部及南部森林植被丰富。根据地貌类型
［收稿日期］2020-05-27
［基金项目］国家自然科学基金(51574242)
［作者简介］苏晓茹(1996—)，女，河南安阳人，硕士在读，研究方向为InSAR数据处理与应用。E-mail：1357478187@qq
［通讯作者］唐伟，E-mail：weitang@cumtb.edu
12北京测绘第35卷第1期
进一步将研究区划分为子区域1和子区域2，其中子区域1包含Garzweiler、Hambach、Inden三个露天矿，露天矿开采活动导致该区域地形变化显著，子区域2为非采矿区，高程变化较小，区域内存在水体及少数森林植被。
1.2数据概况
本文使用4种不同DEM数据。TanDEM-X 是德国航天航空中心对地雷达观测项目获取的高精度全球DEM，覆盖全球陆地区域［10］。SRTM是美国宇航局、美国地理空间情报局、美国国防部以及意大利航天局合作，采用InSAR技术对60°N〜60°S区域的雷达影像生成的
DEM［11］。ASTER是美国航天局与日本经济产业省合作发射的高分辨率影像传感器，使用近红外相机获得同步光学立体像对,001年起该立体像对被用于制作全球数字高程模型(ASTER GDEM)［12］。AW3D是日本宇宙航空研究机构开展的全球陆地区域精确数字三维地图项目，使用搭载在AL
OS卫星上的全遥感仪器获得影像数据并生成的数字地图，AW3D30由5m分辨率DEM数据重采样而来［13］。使用DEM数据基本参数如表1所示。
2研究方法
2.1高程对比
TanDEM-X高程是基于WGS84椭球的大地高，而SRTM、ASTER GDEM、AW3D30高程是基于EGM96大地水准面的正高，利用式(1)将SRTM、ASTER GDEM、AW3D30正高转换为大地咼。
H=h+N(1)式中H为大地高h为正高；N为大地水准面差距。
统一高程系统后，选用最邻近法对Tan-DEM-X12m数据进行重采样至30m，以Tan-DEM-X30m数据作为参考值，逐像元分别计算TanDEM-X30m与SRTM30m、ASTER GDEM、AW3D30的高差，统计高差最值、高差平均值、高差标准差及高差均方根误差等参数。高差平均值、高差标准差及高差均方根误差的计算公式分别见式(2)、(3)、(4)。
ME=狀(Z re F-犣DEM)(2) SD«士工:［(犣ref-Z dem)-ME］2⑶RMSE#1艺：［(Z ref-Z dem)2］⑷
式中，"为像元个数，Z ref为TanDEM-X30m高程;Z DEM为SRTM或ASTER GDEM或AW3D30数据高程。
2.2坡度对比
坡度是用来描述倾斜程度的地形因子，在水文分析等方面有重要作用，dem作为地形的数字化表达，为坡度研究提供了良好的数据源。但是，由于数据的不确定性会导致在相同的区域内坡度产生差异。因此，参考国际地理联合会地貌调查与地貌制图委员会关于地貌详图应用的坡度分类划分标准，将坡度划分为0。〜5°、5°〜15°、
15°〜35°、35°〜55°、55°〜90°五个等级，统计坡度最值以及各等级占比。
2.3地形剖面对比
通过提取地形剖面，分析DEM对不同土地覆盖类型区域的地形描述差异，根据研究区域所包含的地貌类型，分别在水体和森林植被区域提取4种数据的地形剖面线。
3结果分析
3.1高程对比分析
以TanDEM-X30m数据作为参考DEM，减去SRTM30m,ASTER GDEM、AW3D30得到相应的高差分布图分别如图1(a)、(b)、(c)所示，其中正值代表高程变大，负值代表高程变小。
表1DEM数据基本参数
DEM数据获取年份空间分辨率/m垂直误差/m覆盖范围TanDEM-X2010—201512/90V10(LE90)全球陆地区域SRTM200030/90V16CLE90)60°N〜60S ASTER GDEM1999—20083017(LE95)83°N〜83S AW3D302006—2011305(RMSE)全球陆地区域
第35 卷 第1 期苏晓茹，唐伟，戴华阳，等.露天矿区多源数字高程模型数据对比分析13
(a) TanDEM-X-SRTM N A
■八
020 km国务院关于基础教育改革与发展的决定
(b) TanDEM-X- ASTER GDEM N
A
--
0 20 km
(c) TanDEM-X-AW3D30
N
人- *亠
20 km
— — 「 — 」
高差An
■-380
—3000-300—200
0-200—100O-100—500-50-000-50050-1000100-200 ■200〜300
图1
3种DEM 与TanDEM-X DEM 高差分布图
从图1中可以看出，地表高程变化较大的区
域分布在北部露天矿区，其余区域则高程变化较 小，DEM 数据获取间隔内露天矿人为开采活动
导致的高程变化明显地体现在高差分布图中。 图1(a )中97. 7%区域高差值在士 50 m 范围内， 图1(b)中98. 2%区域高差值在士 50 m 范围内， 图1(c)中98 6%区域高差值在士50 m 范围内。 可见与TanDEM-X 数据获取时间间隔越短，所
获的地形越相似，计算的高程差也比较小，选择 DEM 数据时应根据地形变化考虑数据的时 效性。
为进一步分析不同DEM 的质量，统计各
DEM 数据在非采矿区的高差参数如表2。从表2 可看出:SRTM 与TanDEM-X 高差平均值最小，
ASTER GDEM 与TanDEM-X 高差平均值最大； TanDEM-X 与SRTM 数据的高差均方根误差最 小，其次是 AW3D30，再次是 ASTER GDEM 。
这表明在非采矿区内，数据获取方式会影响 DEM 差异，SRTM 与 TanDEM-X 均采用 InSAR
技术获取数据，数据差异较小，而aster
GDEM.AW3D30采用光学方式，与TanDEM-X 数据差异较大。
3.2坡度对比分析
由DEM 提取得到的坡度参数如表3所示。
从表中可以看出，TanDEM-X , SRTM 、AW3D30 坡度均较多分布在0°
〜5°而ASTER GDEM 较
多分布在5°
〜15°。整体上，SRTM 、AW3D30与
TanDEM-X 坡度分布相似，ASTER GDEM 与 TanDEM-X 坡度分布相差最大。TanDEM-X 12 m/
90 m 坡度最小值分别为0. 000 0°、0. 005°而其余
DEM 坡度最小值均为0°, TanDEM-X 数据计算
坡度得更为精确。比较TanDEM-X 12 m/90 m 、
SRTM 30 m/90 m 数据所生成的坡度可知:DEM
空间分辨率越高，坡度最值越大，对地形描述越 精确，因此在坡度研究时应该尽量选择高空间分 辨率数据。
3.3地形剖面对比分析
沿东西方向做水体区域地形剖面如图2(a )
表2 3种DEM 与TanDEM-X DEM 高差参数
单位：m
DEM 差分△Z
min
△Z
max
ME SD RMSE
SRTM
-55. 5554. 88 1. 29 2. 64 2. 64ASTER GDEM -104.44
79. 31 4. 82
5. 88 5. 88AW3D30
-66. 0750. 94
-1 30
2. 99
2. 99
表3 DEM 坡度参数
最小值/(°) 最大值/(°)
坡度分类及占比/%
0°
〜5°
吴栓牢$5°
〜15°
$15°
斯皮尔伯格
〜35°
$35°
〜55° $55° 〜90°
DEM
TanDEM-X 12 m 0. 000 186. 5357. 4026. 6012. 73 2. 900. 37TanDEM-X 90 m 0. 005
55 31反垃圾邮件系统
77. 5412. 66
4 90
4. 680. 22SRTM 30 m 062. 7173. 5021 155 96
0. 370. 98
SRTM 90 m
048. 6379. 9616. 20
3. 020. 820ASTER GDEM 067 95
木器时代37. 68
51 749 85
0. 700 03AW3D300
73. 3262. 9527. 56
8. 68
0. 78
0 03
14北京测绘第35卷第1期
所示。由地形剖面可见，ASTER GDEM表现出很大的异常波动，研究使用的ASTER GDEM第二版相对于第一版数据虽然改善了水体掩膜，但仍然存在内陆湖泊高程异常现象。TanDEM-X 也表现出较小的异常波动，因为TanDEM-X数据在沙漠、水体等光滑区域容易引起数据异常。SRTM与AW3D30对水体地形表达相似，并无异常出现，在水体区域SRTM与AW3D30数据质量比较好。
10001500
距离/m
150020002500
距离/m
(b)森林植被区域地形剖面
图2水体及森林植被区域地形剖面
沿南北方向做森林植被区域地形剖面如图2(b)所示，从图可知，4种数据地形剖面曲线相似，在森林植被区域地形描述能力相似。分别对比TanDEM-X.SRTM与其他两种数据，发现TanDEM-X,SRTM地形剖面均略低于AW3D30地形剖面，但差异并不明显。TanDEM-X. SRTM所采用的X、C波段雷达信号在稀疏森林区域虽然具有一定的穿透能力，但雷达信号受植被高度、结构和密度的影响，随着森林密度增强穿透深度减小最终未达到地面。
4结束语
本文以高精度TanDEM-X数据为基准，对比分析了露天矿区多源DEM产品的质量，为DEM数据的应用提供参考。研究表明：
(1)人为采矿活动带来的地形变化是引起DEM产品差异的主要原因，开采和复垦活动明显地体现在了不同时期获取的DEM高程变化中。
(2)通过计算非采矿区DEM数据之间高差均方根误差，发现不同DEM数据具有较好的一致性,TanDEM-X数据与其他数据的高差均方根误差分别为2.64m、5.88m、2.99m。
(3)地貌类型和空间分辨率影响DEM数据表达，空间分辨率越高，地形描述越准确。在森林植被区域4种数据地形表达相似，但在水体区域SRTM与AW3D30对地形表达较好。
研究了针对露天矿区域的多源DEM差异，在后续的研究中将结合多种地貌区域全面衡量全球DEM数据质量。
参考文献
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Comparative Analysis of Multi-source Digital Elevation
Model in Open-pit Mining Region
SU Xiaoru,TANG Wei,DAI Huayang,YAN Yueguan
(College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of
Mining and Technology(Beijing),Beijing100083,China)
Abstract:Aiming at the problem that Digital Elevation Model has uncertainties and differences due to different data sources,this paper taked an open-pit mine in Germany as an experimental area and the high-precision DEM data TanDEM-X as a reference.The elevation accuracy of SRTM,AW3D30,ASTER GDEM was compared with TanDEM-X,and the difference of DEM data was analyzed.The results shown that：(1)The mining and reclamation activities in the open-pit mining area could be obviously reflected in the changes in the DEM elevation obtained in different periods.(2)In non-mining areas,there was good consistency between different DEM data,and the RMSE ofheghtdfferencebetweenTanDEM-Xdataandotherdata s2.64m，5.88mand2.99m，respectvely.(3)Asthe
spatial resolution of DEM increases,the extracted slope maximum value and the accuracy of terrain description both increase.The results verified DEM application in open-pit mining area.
Keywords:Digital Elevation Model(DEM)；elevation difference；slope difference；terrain expression difference；
open-pitminingregion
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