中国大陆地区TanDEM-X 90 m DEM误差空间分布特征

TanDEM-X 90 m 数字高程模型（DEM）在其原始雷达影像的采集与DEM产品生产过程中,坡度、坡向和地表覆盖物等 因素都会对误差产生一定的影响。为了便于该数据更好地为各领域的研究提供服务,本文以整个中国大陆为研究区域,运用ICESat/GLA14数据对该区域的TanDEM-X 90 m DEM对应位置的高程数据进行提取统计,对比分析了我国陆地区域 TanDEM-X DEM数据与GLA14高程点数据的整体误差精度,并提取坡度、坡向地形因子,研究TanDEM-X 90 m DEM误差在不同坡度、不同坡向以及不同地表覆盖物影响下的分布规律。结果表明：① TanDEM-X 90 m DEM在中国区域整体的绝对误差均值为3.89 m,中误差为9.03 m,标准差为8.85 m; ② 受地形因子的影响,在坡度<3°时,绝对误差均值仅为1.29 m,标准差为2.84 m; 在坡度>25°时,绝对误差均值20 m以上,标准差也达到30 m左右,即误差随着坡度的上升逐渐增大;③ 坡向对误差也有一定影响,在南北方向的绝对误差均值明显比东西方向小;④ 受地表覆盖物影响较大,在荒地误差最小,绝对误差均值仅为 1.85 m,但在冰川积雪区绝对误差均值达到12.68 m。通过与无人机获取的等高线及剖面图对比分析发现,TanDEM-X 90 m DEM能较好地反映真实地形情况。最后,根据不同影响因素的权值,绘制全国范围的TanDEM-X 90 m DEM误差绝对值分布图,且验证了可靠性。     

GRACE估计南极冰川质量变化的泄露影响及其改正

利用2003-01～2013-12期间GRACE数据反演得到地球表面质量变化,使用全球正向建模恢复法改正泄露影响,获得南极冰盖质量变化。比较GRACE直接估计和泄露影响改正后的结果发现,南极冰盖在2003～2013年质量变化信号衰减20.3%,西南极有26.4%的质量消融信号泄露到了周边,东南极的泄露影响更高达70%。改正后的结果表明,南极冰盖绝大部分质量消融发生在西南极和南极半岛,质量积累发生在东南极的Ronne冰架和Amery冰架;西南极冰盖质量变化速度达到-152.47±2.00 Gt/a,基本上等同于南极全岛的质量消融速度,而南极半岛的冰盖融化速度为-27.44±0.75 Gt/a,基本与东南极的冰盖质量积累速度27.27±5.12Gt/a抵消;南极全岛冰川整体质量以-152.64±7.00 Gt/a速度消失,并以-18.85±4.87 Gt/a2的加速度加速融化,导致海平面以0.41 mm/a的速度上升。     

基于星载激光测高估计南极冰盖高程变化

利用NSIDC公布的ICESat运行期间的19个任务期的观测数据, 采用重复轨迹分析方法估计近年来南极冰盖高程的时空变化。结果表明,南极大陆冰盖整体上呈现消融趋势,基于不同的GIA模型和ICESat激光测高数据的南极大陆冰盖高程变化的趋势约为 -1.17~-1 cm/a。     

DEM分辨率与平均坡度的关系分析

由DEM提取坡度时,DEM分辨率的变化会造成局部栅格提取的坡度数值的变化,其变化规律对于深刻理解平均坡度,随DEM分辨率的变化而变化的规律具有现实意义。在黄土高原的研究中,选择了8个典型地貌类型的样区,获得了以1:10 000比例尺地形图为数据源的DEM(分辨率为5 m)。从DEM分辨率对栅格坡度影响规律的分析中,得到如下结论:(1)随着DEM分辨率粗略化,所提取的坡度平均值有可能升高;(2)在所有样区,随DEM分辨率粗略化,负误差的栅格均是正误差的栅格数量的1.13倍以上,保持负误差的栅格是保持正误差的栅格数量的1.81-4.04倍,同时坡度的负误差均值是正误差均值变化幅度的3.1倍以上;(3)结合结论(2)和本文提出的指标,可准确地解释8个样区中坡度平均值随DEM分辨率变化而变化的规律;(4)DEM的分辨率对正负误差的栅格数量没有明显影响,正误差(或负误差)栅格均集中于个别坡度的分级区间,而DEM分辨率对此集中的区间没有明显影响;(5)坡度总体误差可根据本研究所提出的经验公式由DEM分辨率和分辨率为5 m的DEM所提取坡度的平均值计算出来。     

中国区域TanDEM-X 90 m DEM高程精度评价及其适用性分析

数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）是地球表层系统科学相关研究的基础数据,DEM数据精度的定量评价对科学选择DEM数据源、量化数据误差的影响等具有重要意义。在目前全球尺度可免费获取的DEM数据中,2018年发布的TanDEM-X 90 m DEM（TanDEM-X 90）数据凭借其较好的现势性得到了广泛关注。然而,目前大区域尺度上开展的针对TanDEM-X 90数据精度的评价工作较为有限,缺乏对其整体精度及误差空间分布特征的系统认知。本文以ICESat/GLAS卫星测高数据为评价数据,并选择SRTM-3 DEM和AW3D30 DEM作为对比数据,以平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）、偏度和峰度等为统计指标,重点研究了TanDEM-X 90在中国主要陆地区域的误差统计特征和空间分布规律,探讨了高程、坡度、地貌类型、土地覆盖等对DEM精度的影响,并进行了适用性分析。结果表明：① 在中国区域,TanDEM-X 90数据的平均绝对误差和均方根误差分别为4.31 m和7.87 m,其高程精度与SRTM-3相近,但明显低于AW3D30;② 当坡度低于4°时,TanDEM-X 90的整体精度为3种数据中最高的;③ 对于平原、丘陵、台地这3类地貌类型,TanDEM-X 90相较SRTM-3而言具有一定精度优势;④ 本研究还以流域为单元绘制了全国尺度的TanDEM-X 90误差空间分布图,为该数据在全国尺度或典型区域的应用提供重要参考。研究也表明TanDEM-X 90在反映地表高程信息方面具有更好的时效性,能更好地反映中国区域近年来受人类活动影响的地表高程变化。     

ICESat卫星数据垂直精度分析

以山西省吕梁市水峪贯地区为研究区域,基于大比例尺地形图对ICESat/GLA14数据的垂直精度进行了分析。首先,对ICESat/GLA14数据下载和处理,以1:5万地形图为基础数据,生成DEM,提取地形因子;然后,提取ICESat/GLA14数据对应的高程值、坡度、坡向、起伏度等信息;最后,对ICESat/GLA14数据与地形图数据的高程差以及高程差随这些分类后的影响因子的变化规律进行了统计分析、研究结果表明:ICESat/GLA14数据在水峪贯地区平均误差为-5.66m,绝对误差均值为21.92m,标准偏差为27.40m,均方根误差为27.98m;ICESat/GLA14数据的垂直精度随坡度和地形起伏度的增加而降低,受坡向因子影响不大,平均误差在NS轴左边为负值,NS轴右边为正值。     

SRTM1 DEM与ASTER GDEM V2数据的对比分析

本文以山西省为实验区,基于ICESat/GLA14测高数据对SRTM1 DEM和ASTER GDEM V2数据的垂直精度进行了对比,分析了其在坡度、土地利用类型和地貌类型中的误差分布情况,并基于地形剖面方法分析了2种DEM数据在地形表达上的差异。研究结果表明：① 在垂直精度上,SRTM1 DEM数据要明显高于ASTER GDEM V2数据,其绝对误差均值分别为4.0 m和7.8 m,标准偏差分别为6.0 m和10.7 m,均方根误差分别为6.1 m和10.7 m。② 这2种DEM数据的精度受坡度影响严重,随坡度值的升高误差增大;SRTM1 DEM的绝对误差均值、标准偏差和均方根误差在水田最小,在林地最大,而ASTER GDEM V2的这3种误差在居民用地最小,在林地最大;SRTM1 DEM 和ASTER GDEM V2的绝对误差均值、标准偏差和均方根误差在平原地区最小,在大起伏山地最大。③ 在平原和台地地区,ASTER GDEM V2数据高程值有异常波动,SRTM1 DEM在起伏山地存在对山谷过高估计。总体上,SRTM1 DEM比ASTER GDEM V2对地形的表达准确,与ICESat/GLA14对地形的描述基本相一致。     

顾及数据配准的江西省SRTM DEM精度评价和修正

目前,ICESat/GLAS是大尺度SRTM DEM精度评价的主要数据源。然而,现有的精度评价方法均忽略了2组数据的有效配准。为此,本文分析了数据配准前、后SRTM DEM整体精度差异,以及不同地形因子和土地利用类型对SRTM DEM影响程度。在此基础上,充分考虑SRTM DEM精度影响因素,分别借助多元线性回归（MLR）、后向传播神经网络（BPNN）、广义回归神经网络（GRNN）以及随机森林（RF）对SRTM DEM修正。结果分析表明：配准前,ICESat/GLAS与SRTM DEM沿x、y方向的平均水平位移分别为-17.588 m、-29.343 m,高程方向系统偏差为-2.107 m;配准后,SRTM DEM的系统误差基本消除,而且中误差降低了14.4%。配准前,坡向与SRTM DEM误差呈正弦函数关系,配准后这种关系基本消失。SRTM DEM误差均随地形起伏度、坡度、高程的增加呈增大趋势; 6种土地利用类型中,SRTM DEM在林地误差最大,未利用土地误差最小。对配准后SRTM DEM修正表明,RF效果最优,其中误差分别比MLR、BPNN、GRNN降低了3.1%、2.7%、11.3%。     

典型山区SRTM3与ASTER GDEM数据精度对比分析——以青藏高原东麓深切河谷区为例

目前广泛应用的数字高程模型(DEM)包括SRTM和ASTER GDEM,但在地形影响下,两类数据的误差分布并不均匀。本文选用1:5万地形图DEM及河流要素作为参照,在青藏高原东麓山区开展实验,分别采用"河流-河谷"位置偏移量与高程中误差来评价两类数据的平面精度与垂直精度,结果表明:(1)实验区内SRTM3存在向西南方向的水平位置偏移,平均偏移量为127.8 m,ASTER GDEM则以正西方向偏移为主,平均偏移量为104.1 m,该区域ASTER GDEM的总体平面精度较好;(2)SRTM3数据样本的绝对误差分布相对集中,高程中误差为35.3 m,小于ASTER GDEM样本的高程中误差50.2 m,总体垂直精度优于ASTER GDEM;(3)在平均高程大于4500 m的高海拔区域,两类数据的中误差与高程值正相关,SRTM3中误差随高程增速较慢,垂直精度较ASTER GDEM高;(4)两组数据垂直精度对坡度有较大依赖性,中误差随坡度近似指数曲线增长,在平缓区域SRTM3中误差小于ASTER GDEM。本研究为该类数据在山区的选用及误差修正提供依据。     

DEM提取坡度信息的不确定性分析

以陕西省671幅1∶50000比例尺,25m分辨率的DEM数据为信息源,分析DEM分辨率对提取坡度信息的不确定性影响。研究表明:平均坡度随DEM分辨率的减小呈显著递减型二次曲线变化,但当DEM分辨率减小到一定程度时,平均坡度将趋于稳定;并且,随DEM分辨率变化,坡度的不确定性呈现明显的空间结构性分布,DEM栅格单元内部地形的复杂性和变异性越大,坡度提取不确定性越大,如沟坡地坡度提取误差明显大于沟间地。因此,实际应用中要充分考虑研究区域DEM地形描述的尺度效应和不确定性问题,选择合适尺度的DEM提取坡度信息,保证提取结果的科学有效。     

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Development and Applications of Dome A-DEM in Antarctic Ice Sheet

Dome A, the highest dome of East Antarctic Ice Sheet, is being an area focused by international Antarctic community after Chinese Antarctic Expedition finally reached there in 2005, and with the ongoing International Polar Year (IPY) during August 2007. In this paper two data processing methods are used together to generate two 100-m cell size digital elevation models (DEMs) of the Dome A region (Dome A-DEM) by using Cokriging method to interpolate the ICESat GLAS data, with Ihde-DEM as a constraint. It provides fundamental data to glaciological and geophysical investigation in this area. The Dome A-DEM was applied to determining the ice-sheet surface elevations and coordinates of the south and north summits, defining boundaries of basins and ice flowlines, deducing subglacial topography, and mapping surface slope and aspect in Dome A region. The DEM shows there are two (north and south) summits in Dome A region. The coordinate and the surface elevation of the highest point (the north summit) are 80°21′29.86″S, 77°21′50.29″E and 4092.71±1.43m, respectively. The ice thickness and sub-ice bedrock elevation at north summit are 2420m and 1672m, respectively. Dome A region contains four drainage basins that meet together near the south summit. Ice flowlines, slope and aspect in detail are also derived using the DEM.     

基于Bedmap2与冰雷达数据的南极局部冰盖三维建模

利用Bedmap2数据与中国第29次南极科学考察期间获取的冰雷达数据,在中山站至Dome A断面的Gamburtsev山脉地区首次构建11.3 km×11.5 km南极局部冰盖三维模型。着重介绍三维模型建立过程中的数据处理,其中冰雷达数据采集首次采用中国自主研发的冰雷达系统。详细阐述了冰雷达数据的处理流程,包括数据预处理、常规图像修正技术以及冰下地形获取,得到冰下基岩埋深和冰盖内部等时层埋深,插值得到100 m分辨率的冰下基岩DEM（海拔1 729 m~2 718 m）和等时层DEM（海拔2 601 m~2 950 m）,利用南极Bedmap2冰表面栅格影像得到100 m分辨率的冰盖表面DEM（海拔3 679 m~3 745 m）。结合冰盖内外部数据处理结果,构建包含冰盖表面、冰盖内部等时层和冰下基岩地形特征的三维模型,并对模型进行检验,对冰盖内外部地形特征进行初步分析。     

Amery ice shelf DEM and its marine ice distribution

1 Introduction The Amery Ice Shelf, the largest ice shelf in East Antarctica, has a total surface area of about6.1×104km2. The ice shelf drains the grounded ice fromthe interior of the Lam- bert Glacier drainage basin thatcovers an area of larger than1.3…     

An Improved Method for Modeling Spatial Distribution of δD in Surface Snow over Antarctic Ice Sheet

Using the recent compilation of the isotopic composition data of surface snow of Antarctic ice sheet, we proposed an improved interpolation method of δD, which utilizes geographical factors (i.e., latitude and altitude) as the primary predictors and incorporates inverse distance weighting (IDW) technique. The method was applied to a high-resolution digital elevation model (DEM) to produce a grid map of multi-year mean δD values with 1km spatial resolution for Antarctic& The mean absolute deviation between observed and estimated data in the map is about 5.4‰, and the standard deviation is 9‰. The resulting δD pattern resembles well known characteristics such as the depletion of the heavy isotopes with increasing latitude and distance from coast line, but also reveals the complex topographic effects.     

基于地貌特征的数字高程模型融合方法

数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）是一种至关重要的空间信息,广泛应用于各行各业。其中,ASTER GDEM与SRTM几乎覆盖了全球陆域,为地学研究提供了非常实用的高程数据支撑,但是由于二者传感器采集数据原理的不同,使得高程数据在不同地貌条件下的高程精度亦存在程度不一的误差。本文提出了一种新型的基于地貌特征的DEM融合方法,使得融合GDEM与SRTM后的DEM数据,消除了地貌特征的影响、显著地提高了DEM质量。该方法主要分为地理配准和高程融合2个步骤：①基于河流线对等线性地貌特征的位置数据,构建了GDEM与SRTM的水平偏移相关的误差评价函数,采用多级网格搜索法求得DEM间的水平偏移距离,实现对DEM的配准;②按照DEM高程值在不同地貌单元及边界线附近的高程变化特征,建立地貌分区的高程融合模型来融合两种地理配准后的DEM高程,尤其是实现了地貌单元边界线附近的高程平滑过渡。本文以怀柔北部地区为实验区,以1:5万地形图为参考,对2种DEM数据进行融合,统计结果表明：① 融合DEM在各地貌单元的误差均显著下降,地形表达较之融合前更加精确;② 高程差呈现正态分布,明显区别于融合前DEM不对称的多峰分布形态,说明地貌影响被有效地剔除;③ GDEM和SRTM数据的精度对坡度有较大依赖性,融合后DEM的精度在不同坡度范围下均优于GDEM和SRTM,显著降低了融合前DEM对坡度的依赖程度;④ 在不同坡向下,GDEM和SRTM的RMSE取值波动较大,融合DEM的RMSE取值在各方向表现稳定,高程精度较GDEM和SRTM有显著提高。     

A DEM fusion method for ascending and descending orbit StereoSAR DEMs in complicated mountain areas considering SAR echo intensity

To extract the high-quality DEM in complicated mountain areas,a DEM fusion method for ascending and descending orbit StereoSAR DEMs considering Synthetic Aperture Radar(SAR)echo intensity is proposed.After the analysis for the influence of terrain features and SAR side-looking imaging characteristics on radar echo intensity and DEM accuracy,four Terras AR-X images with the stripmap mode and the 3 m spatial resolution covering a certain area of Maoxian County,Sichuan Province,China,was selected as the experimental area.StereoSAR technology was used to extract the ascending orbit StereoSAR DEM and the descending orbit StereoSAR DEM,respectively,and the corresponding radar echo intensity map was calculated.Then,while comparing the radar echo intensity corresponding to the same point position,DEM fusion was carried out,and the accuracy of DEM before and after the fusion was analyzed with the ground points measured by GNSS-RTK as reference data.Finally,a high-quality DEM with a 3 m spatial resolution in the experimental area was obtained.The DEM accuracy was improved on all slopes,and the mean absolute deviation(MAD)improved to 4.798 m,the standard deviation(SD)improved to 6.087 m and the LE90 improved to 40.48 m.The experimental results indicate that the fusion method of highresolution ascending and descending orbit StereoSAR DEMs considering SAR echo intensity can effectively extract DEM with high accuracy and reliability,which can provide technical support for obtaining highquality terrain information in similar areas.