美國從20世紀70年代就開始試圖構建全球數字地形格網高程模型 (Digital Terrain Elevation Data, DTED) , 為了滿足各方面的需要, 2000年初美國空間信息情報局 (National Geospatial-Intelligence Agency, NGA) 和航空航天署 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 以及德國和意大利的相關部門合作實施了一項名為“航天飛機雷達地形測量” (Shuttle Radar Topography Mission, SRTM) 的計劃。該計劃于2000年2月11日在肯尼迪航天中心發射了奮進號航天飛機, 通過機載影像雷達的C波段和X波段獲取地形信息。于2003年1月發射的ICESat (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite) 衛星是NASA對地觀測系統的一部分, ICESat衛星上的地學激光測高系統 (GLAS) 將用來測量冰蓋的高以及高度隨時間的變化, 云層和氣溶膠的外形, 陸地高和植被的厚度, 以及海冰的厚度。由于地學激光測高系統可獲取覆蓋全球的數據集, 其觀測水平精度可以達到2.4±7.3m, 垂直精度可以達到0.04±0.13 m, 比SRTM測繪的DEM (±16m) 精度高, 所以可以用ICESat數據來評估計SRTM數字高程模型及其它技術建立的全球DEM。
1 SRTM數字高程模型的建立
SRTM數據以洲為單位進行處理, 經編輯、粗差剔除、確定水面高程與定義海岸線幾種預處理步驟后, 再依地理坐標進行切割, 將結果裁切成15000個圖幅文件進行存放, 每一圖幅覆蓋范圍1°×1°, 由圖幅西南角的經緯度對圖幅進行命名, S R T M數據的取樣間距為1″×1″或3″×3″, 視S RTM-1或S R T M-3數據庫而不同。N G A對公開的數據進行粗視化處理后, 生成了3″ (赤道上大約90m) 的DTED-1 (因為當前的提供的數據尚未經過最終檢驗和數據格式標準化, 通常稱為SRTM-3) , SRTM資料以HGT, 16bit的binary格式進行儲存, 編碼順序為Motorola big-endian, 沒有頭文件, 以行為順序進行排列, 資料空缺點的值被標示為-32768。一個HGT文件覆蓋一塊1″×1″區域。它的西南角可由文件名推得。文件的大小取決于分辨率的大小。如果是3秒的分辨率, 則有1201×1201個單元。這些存儲單元的排列就像文字書寫一樣, 從最北的一行開始, 每一行都是從西向東讀。每個存儲單元占兩個字節, 其高程等于256×第一個字節+第二個字節。一個3秒的HGT文件的長度是2×1201×1201。SRTM-3的單元可以通過對一個一秒單元格及其周圍八個單元格的平均值進行計算而得, 表1。
2 利用ICESat分析SRTM數字高程模型精度
本文選擇SRTM數字高程模型的區域是美國西北部高原地區 (經度246°～248°, 緯度38°～49°) 。SRTM數據提供的是格網高程, 它采用的坐標系統是WGS 84, 使用的地球重力場模型是EGM 96。ICESat測量的高程是相對于TOPEX橢球的橢球高, 為了與SRTM比較, 首先要進行基準統一, 要將橢球高轉換到相同的橢球上面, 本文是將ICESat數據轉換到WGS 84橢球上面, 獲得了相對于WGS 84橢球的橢球高, 然后采用EGM96大地水準面模型, 將橢球高轉換為以EGM 96地球重力場模型為參照的正高, 然后對SRTM數據采用雙線性內插內插出激光腳點位置處的高程進行比較, 同時還給出了SRTM粗糙度, 這種估計可以看出地形對精度的影響。我們去掉了兩者相差超過100m的數據, 這可能是由于激光受到了濃云的阻擋。
為了估計植被覆蓋對估計的影響, 我們計算了植被覆蓋率與ICESat與SRTM高程差值之間的關系, 我們使用了VCF產品提供的植被覆蓋率, V C F是利用M O D I S獲得的, 它提供了500m分辨率的植被覆蓋率, 可以通過計算就可獲得相應激光腳點位置處的植被覆蓋率。
本文利用美國國家雪冰數據中心 (NSIDC) 提供的GLA06計算了全球1°×1°的格網陸地地形模型, 見圖1。
利用ICESat、EGM96模型以及SRTM數據計算的美國西北部地區的高程如圖2、圖3、圖4所示。
3 數值分析
圖5給出了ICESat與SRTM高程差值, 圖形沿軌的跳躍是由于ICESat受到了濃云的阻擋, 或者是由于SRTM利用InSAR獲取的信息在地形起伏較大的地區不容易產生干涉而造成的數據缺失。ICESat波形范圍與SRTM粗糙度呈線性相關, 但是存在較大的分散性。較大的高程差異有正有負, 并且與地形的粗糙度有一定的關系。高度差異根據植被的覆蓋率以及地形粗糙度來進行統計, 統計結果見表2。
4 結語
本文主要比較了ICESat與SRTM獲得的地形數據, 并根據地形起伏以及植被覆蓋情況給出了統計結果, ICESat中心高度減去SRTM高度的差值, 不論其粗糙度以及植被覆蓋率如何都顯示為負值。最小的差值是在地形比較平坦的地方, 例如SRTM獲得的粗糙度小于5m以及植被覆蓋率在0～20%之間的區域, 兩者的差值最小。隨著植被覆蓋率的增加, 差值的平均值變得越來越大。差值的標準偏差在植被覆蓋率低且地形比較平坦的位置也是最小的。隨著地形的起伏的增加且植被覆蓋率的增加, 兩者之間的差值的標準偏差也隨之增加。
摘要：本文利用星載激光測高數據分析并評估了SRTM的精度。以美國北部SRTM數據為例, 詳細地分析了不同植被覆蓋率、不同地形起伏下兩者之間的差異, 并給出了差異的統計結果。同時揭示了植被覆蓋、地形起伏對SRTM獲取地形數據的影響。
關鍵詞：ICESAT,SRTM,數字高程模型