Reference3D_ASTERDEM精度检测与对比分析

文章编号:1671-2579(2011)01-0009-04
Reference 3D 、ASTER DEM 精度检测与对比分析
张霄,陈楚江,余绍淮
(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北武汉 430056)
摘要:Reference 3D 是法国Spo t 立体卫星影像生成的DEM ,AST ER DEM 是高分辨率卫星成像设备)))AST ER 获取的立体影像生成的DEM ,它们全球覆盖范围广、数据获取快、质量稳定。

针对中国缺乏1B 10000或1B 5000基础地形资料的地区、难以获取资料的海外交通建设地区,采用这两种方法检测其精度,并对比分析其在公路勘察设计中的应用。

工程实践表明:Reference 3D 相比A ST ER DEM 有着更高的精度,质量更加稳定可靠,可以满足公路勘察设计中规划、工可等阶段的需要,从而提高工作效率,缩短外业周期,降低成本。

关键词:Reference 3D;A ST ER DEM ;精度;公路;勘察设计
收稿日期:2010-10-25
随着国家公路的快速发展,公路建设的重点已经逐步向西部复杂地形地区转移。

非洲、东南亚等海外地区的公路建设项目也是中国交通行业未来业务发展的重点区域。

然而,这些地区可用于公路勘察设计的基础地形资料普遍缺乏,部分地区的基础地形资料基本空白,严重制约了公路的勘察设计。

随着遥感、地理信息系统等现代空间信息技术的快速发展,全球范围的高精度DEM 数据为填补这些地区公路勘察设计所需的基础地形资料空白提供了可能。

目前广泛使用的DEM 数据主要包括Reference 3D 和AST ER DEM 等,其覆盖范围广、数据获取快、质量稳定。

Refer ence 3D 、A ST ER DEM 在公路勘察设计中的精度情况还没有得到广泛的验证,笔者将对两种DEM 数据进行高程精度检测,探讨它们在公路勘察设计中规划、工可阶段的应用。

1 Reference 3D 和A ST ER DEM 特点
Refer ence 3D 是SPOT Image 利用Spo t-5卫星具有创新性的影像获取方式,开发出的一种新增值产品模式,它是一个3层数据库。

Reference 3D 按1b @1b 的范围以DIM AP(Dig ital Imag e Map)格式存储。

其DEM 层为DTED 2级产品格式,WGS84坐标系,高程基准为EGM96。

根据Reference 3D 数据库生成的DEM Precision 数据是一个步长为弧度1s(相当于赤道上30m,根据纬度不同东西经度不同)的栅格文
件,可重采样为20m 。

Reference 3D 数据质量稳定、覆盖范围广。

ASTER DEM 是美日联合数据工作组生产的,它由美国航空航天局(NA SA )与日本国际经贸商业部(M ETI)合作发布的高分辨率卫星成像设备)))AS -TER (Advanced Space borne Thermal Em ission and Reflection Radio meter,高级星载热辐射反射辐射计)获取的数据生成。

其中,ASTER DEM 的相对DEM 是参考本景内的最低点,不需要GCP,仅通过卫星星历数据来计算外方位元素,提取的DEM 精度范围为10~30m,ASTER 的科学数据处理中心采用Level 1A 数据每天生成30景DEM 。

绝对DEM 的精度根据GCP 的提供情况而定,精度在7~50m 之间。

AS -TER DEM 生产的自动化程度很高,因而数据获取周期很短、数据范围覆盖广泛、价格低廉。

2 DEM 精度检测方法
DEM 的高程精度检测主要是针对高程内插的误差进行评价。

目前常用的方法主要有检查点法、等高线回放法等。

2.1 检查点法
检查点法是计算检验点数据集的中误差,并将其作为DEM 的中误差,也就是用子样方差来表征母体方差。

这种方法较为简单,被广泛采用。

中国国家测绘局51B 10000和1B 50000数字高
9
第31卷 第1期2011年2月
中 外 公 路
程模型生产技术规定(暂行本)6和51B 10000基础地理信息更新与建库技术设计指南6等规范建议在图幅范围内至少加测28个平高检测点,其中20个为图内控制点,8个为边界点(每边2点,位于内图廓线附近),要求分布合理,特征明显,这些点将用于DEM 精度检查和评定。

在待检测的DEM 中,通过控制点的平面坐标内插出其对应高程值。

对比检测点与真实高程值的差值,并计算其中误差RM SE 。

考虑到误差的系统性,笔者把检查点残差的均值作为系统误差进行了消除。

其计算公式为:
RM SE =
E
n
r =1
(z i - z i )2
/(n -1)
(1)
式中:z i 是内插点的高程差值; z i 是控制点与内插高程的差值平均值;n 为点的个数。

2.2 等高线回放法
等高线回放法是指从DEM 数据内插生成等高线,与/真实0的原始等高线数据进行叠加,从而分析DEM 数据的精度。

等高线回放法量化处理的原理就是分高程层次量化这些等高线平面位置差异。

通过回放等高线检查,可以发现不同数据来源及不同内插方法得到的DEM 成果与原始地形的吻合情况及误差特性。

也可以把等高线与立体模型进行叠加,判断等高线与真实地形是否一致,通过比较立体影像的阴影等纹理特征与DEM 生成的等高线对比,判断两者的差
别,明显的地形突变或者纹理错位则可以反映DEM 的精度问题。

等高线的差异实际上是DEM 误差的综合表现,它能较全面地评价DEM 的精度情况。

检查点法由于简单易行,所以被广泛使用。

但其缺陷是点的数量不同,分布不同,产生的精度也会有所不同。

使用单一的检测点法会掩盖DEM 内插方法的误差。

因此,为了检测DEM 的精度,试验将采用检查点法与等高线回放法相结合的方法。

3 试验结果与分析
3.1 试验数据介绍
试验区选在青海省门源至扁都口公路工程区域内。

该工程位于青海省海北藏族自治州东北部的门源县。

路线北倚祁连山,南临巍峨起伏的达坂山,地形地貌以高山区和盆地为主,海拔在2700~3200m 之间。

地理位置在37.053b N ~37.991b N,100.924b E ~102.691b E 。

数据为Reference 3D 和AST ER DEM 。

精度检测数据有:0.5m 高分辨率的Worldview 立体卫星影像;31个外业控制点等。

3.2 试验区DEM 精度检测结果3.2.1 检测点法的精度检测结果
根据控制点的平面坐标,在Reference 3D 、AS -TER DEM 中分别内插出相应的高程坐标,并与控制点的真实坐标进行对比分析,详细结果如表1所示。

表1 试验区Ref erence 3D 、ASTER DEM 高程检测结果
m
序号控制点高程Refer ence 3D
高程A ST ER DEM
高程Reference 3D 与控制点高程差值
AST ER D EM 与控制点高程差值
12761.9302803.0002801.63441.07039.70422895.4782940.7302931.35445.25235.87632886.1062928.3492921.62342.24335.51742893.4202934.8092925.59941.38932.17952882.5052924.3412912.41741.83629.91262889.1512932.3592920.88843.20831.73772972.3133010.9723003.17138.65930.85882877.1442915.9952905.02538.85127.88192875.5142918.9262907.05643.41231.542102888.8552925.4022926.34636.54737.491112966.9493009.6872990.01442.73823.06512
2977.280
3022.504
3014.922
45.224
37.642
10 中 外 公 路 第31卷
续表1
132815.2012857.9932850.95342.79235.752
142959.1393002.2952985.63843.15626.499
152800.6592842.0002835.10141.34134.442
162825.9892867.2742862.00041.28536.011
172832.0052873.2532866.68641.24834.681
182877.2252920.0822910.33542.85733.110
192879.0812921.8282914.03442.74734.953
202911.4692951.3782941.00039.90929.531
212923.8902967.3492956.55143.45932.661
222948.0832987.8942973.98439.81125.901
233011.3183052.3013044.39540.98333.077
242854.6382899.0002884.88144.36230.243
252889.2842928.1392924.00038.85534.716
262898.4012941.0002934.66842.59936.267
272919.2292962.4952948.96743.26629.738
282950.3822993.0002984.99642.61834.614
293007.3173049.1243039.80141.80732.484
302769.0412812.2592802.7143.21833.669
312769.5292812.2162802.04742.68732.518
从表1可以看出,Refer ence3D和ASTER DEM
的误差具有很强的系统性,且方向都一致。

因而,在考
虑系统误差的情况下,对其残差中误差进行了统计分
析,结果见表2。

表2试验区Ref erence3D、ASTER DEM精度情况m
方法
误差
最大值
误差
最小值
误差
均值
残差
中误差
Reference3D45.25238.85142.071 1.954
A ST ER D EM39.70426.49932.198 3.725
分析发现,Reference3D的系统性误差产生的主要原因是其高程基准为EGM96,而Wor ldview立体卫星影像高程基准为WGS-84,经过基准转换,可以消除系统性误差。

3.2.2等高线回放法的精度检测结果
在ERDAS LPS摄影测量平台中,建立0.5m高分辨率Wo rldv iew立体卫星影像工程,采用高斯平面坐标系,中央经线为102b E,WGS-84高程基准,导入控制点信息,并对其进行加密,恢复立体。

加密后, Wo rldview立体卫星影像模型的高程中误差为0.509 m,达到了作为检测数据的精度要求。

由ASTER DEM、Reference3D内插生成等高线,并导入上面建立的工程中,在LPS中采用形态对比分析的方法,立体观测DEM生成的等高线与高分辨率Worldview立体卫星影像生成的等高线所反映的地形之间的差别。

地形形态对比分析发现,ASTER DEM生成的等高线与Wo rldv iew立体卫星影像生成的三维数字地形图绝大部分区域都符合,但是局部地区仍然有比较大的差异,如图1、2(等高距为10m)
所示。

图1ASTER DEM地形异常区的等高线
Refer ence3D与Worldview立体卫星影像生成的三维数字地形图吻合度很好,如图3、4(等高距为10 m)所示。

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2011年第1期张霄,等:Reference3D、ASTER DEM精度检测与对比分析
图2 真实三维数字地形图
的等高线
图3 Reference 3D
生成的等高线
图4 真实三维数字地形图的等高线
通过检查点法与等高线回放法相结合的方法得出:ASTER DEM 高程精度相对较差,局部地区地形
吻合不是很好,主要是由于其为自动产生的结果,因此,需要大量的人工编辑。

Reference 3D 精度较高,地形吻合情况也较好。

4 结论
利用检查点法和等高线回放法相结合,对青海省等复杂地区公路工程区域的Reference 3D 和A ST ER DEM 等DEM 数据进行了精度检测,总结分析了误差
的分布规律,得出以下结论:
(1)AST ER DEM 存在系统误差,且误差的方向
都一致,只需利用少量控制点来改正这些系统误差,就可以大大提高DEM 的精度。

但AST ER DEM 局部地区地形与真实地形存在较大的差异。

(2)Reference 3D 的高程中误差为1.954m,达到了1B 5000比例尺的地形图高程精度要求,从而可以
满足公路勘察设计规划、工可阶段的要求。

(3)Reference 3D 、A ST ER DEM 数据获取快、覆盖范围广,但Reference 3D 精度更高,且质量更稳定,它可以大大提高公路勘察设计效率,缩短外业周期,降低成本。

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