四种南极数字高程模型的精度比较与分析

南极数字高程模型（DEM）是南极冰盖研究的基础数据,目前国际通用的全南极DEM数据主要有JLB97 DEM、RAMPv2 DEM、ICESat DEM以及Bamber 1km DEM. 利用DEM对DEM验证的方式对四种DEM的精度进行比较分析. 结果表明：Bamber 1km DEM和ICESat DEM之间的高程差异最小,平均高程差小于1.8 m,二者均有较高的可靠性. RAMPv2 DEM与Bamber 1km DEM的高程差大于1.9 m,在81.5° S以南和坡度较大的区域,高程差异更为明显,高程可靠性较低. JLB97 DEM与上述三种DEM的偏差超过10 m,高程可靠性最低.     

基于ICESat数据的南极冰盖DEM插值方法比较及精度分析

南极数字高程模型(DEM)是从事南极地学和环境变化研究的基础. 内插是建立数字高程模型的重要技术点, 插值方法有多种, 根据不同的适用情况, 不同的插值方法各有优劣. 利用克里格、 距离反权、 三角网剖分、 最小曲率以及移动平均5种插值方法分别建立南极冰盖小范围区域的DEM, 通过抽取部分观测数据作为验证值对各插值方法进行了比较. 结果表明: 克里格插值方法的可靠性最好, 稳定性最高. 然后, 利用克里格插值方法, 基于ICESat测高卫星的GLA12数据建立了南极冰盖的DEM. 由于南极大陆实测数据有限, 缺乏对DEM的检核. 为了分析所建DEM的可靠性, 利用中国南极内陆冰盖考察所采集的GPS实测数据, 对所建立的DEM进行了验证分析. 结果显示, DEM在坡度较缓的南极内陆冰盖区域精度较高, 符合度在3 m以内; 距离卫星轨道越近的区域精度越高, 可达到1 m 以内. 在坡度较大, 高程变化较为显著的区域如沿海地区, 精度较低, 差距最大的点超过40 m.     

基于InSAR和ICESat的南极冰盖地区DEM提取和精度分析

结合InSAR和ICESat测高数据,以东南极PANDA断面4个实验区为例,进行DEM生成研究.在干涉相位转换成高程前,引入ICESat测高数据作为控制点优化干涉对基线,消除基线线性误差趋势的影响.利用控制点之外的ICESat测高数据分析4个实验区的DEM精度及其差异,并探讨了引起DEM误差的原因.冰流和地貌特征是影响InSAR生成冰盖DEM精度的重要因素.针对冰流的影响,从理论上进行了分析并结合冰流速数据进行了分析验证.最后利用克里金插值法改正InSAR DEM残余误差,并利用GPS实测控制点对改正效果进行验证.结果表明:对于高纬区流速较小且分布一致的区域,改正效果很好,DEM精度可达3 m;而对于冰流速较大且复杂的地区,需采用多基线等算法进一步消弱冰流引入的误差.     

CryoSat DEM与多种南极DEM的对比分析

南极洲被巨厚冰雪覆盖,地质构造以南极横断山脉为界,总体分为东南极地盾和西南极活动带。数字高程模型(DEM)是研究南极冰盖变化的基础数据之一。通过多期次数字高程模型相比较获得高程的变化信息,是分析南极冰盖厚度变化和物质平衡的重要手段。然而不同类型DEM之间存的平面误差和垂直误差影响分析结果的精度。首先利用配准消除DEM间的水平误差,然后计算并按坡度提取CryoSat DEM与其他DEM的平均高程差和标准差,最后分析高程差的时空变化特征。通过分析发现,DEM之间存在不同的平面误差。其中TanDEM_X DEM与CryoSat DEM的高程平面偏差最小,而ICESat DEM与CryoSat DEM的高程平面偏差最大。在垂直方向上,0°～1°的坡度范围内,CryoSat DEM与TanDEM_X DEM的平均高程差在3.5～5.5 m之间,标准差小于18.0 m; CryoSat DEM和Bamber 1km DEM的平均高程差在-2.5～+1.0 m之间,标准差小于24.2 m; CryoSat DEM与ICESat DEM的平均高程差在-25.0～-1.0 m之间,标准差小于47.2 m; CryoSat DEM与RAMPv2 DEM的平均高程差在1.3～3.2 m之间,标准差小于45.6 m。通过研究发现南极冰盖内部高程增加,但西南极冰盖和东南极冰盖高程均在降低,且西南极降低明显,同时南极边缘地区高程降低明显。本研究为全球变化研究和南极物质平衡研究提供了重要参考。     

基于ICESat/GLAS数据的中国典型区域SRTM与ASTER GDEM高程精度评价

航天飞机雷达地形测绘(shuttle radar topography mission, SRTM)和先进星载热发射和反射辐射成像仪全球数字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model, ASTER GDEM)提供了全球覆盖面积最广的数字高程模型(digital elevation model, DEM)数据, 但其高程精度还未得到充分验证, 传统地面测量方法很难适用于验证大面积范围的DEM精度.以冰、云和陆地高程卫星/地学激光测高系统(ICESat/GLAS)高程数据为参考, 综合利用地理信息系统(geographic information system, GIS)空间分析、三维可视化与统计分析方法, 对中国典型低海拔沿海平原地区和高海拔山地的两种DEM数据高程精度进行了对比分析.结果表明, 高程值小于20m的低海拔地区, SRTM高程精度达到2.39m, ASTER GDEM的精度达到4.83m, 均远远高于这两种数据的标称精度; 而在西南山地, 这两种DEM的精度大约为20m, 与标称精度相当.最后, 建立了ICESat/GLAS与SRTM和ASTER GDEM的一元线性回归模型, 该模型具有较高的拟合度和显著线性关系, 可用于改善这两种DEM的高程精度.      

基于KH-9数据对青藏高原山地冰川DEM提取及精度评价——以普若岗日冰川和雅弄冰川为例

针对青藏高原山地冰川区早期DEM数据缺乏、精度低、覆盖范围小等问题,以普若岗日冰川和雅弄冰川为例,利用解密的早期高分辨率间谍卫星KH-9立体像对,建立了基于KH-9数据的山地冰川DEM提取技术流程,并以ICESat GLAS高程数据为基准对提取的DEM进行了精度评价和精度影响分析。结果表明：无论是在普若岗日冰川区还是雅弄冰川区,所获取的DEM精度均完全满足估算山地冰川长时间尺度物质平衡的精度要求。KH-9数据具有空间分辨率高,地面覆盖范围广,成像时间较早（1971-1980年）等特点,可为山地冰川物质平衡研究提供很好的基础数据源。     

基于CryoSat-2雷达高度计数据的南极内陆冰盖高程变化与物质平衡

南极冰盖对海平面影响巨大,高程变化测量是南极物质平衡监测的重要手段。采用欧空局CryoSat-2雷达高度计数据,通过提取卫星升降轨的地面交叉点,监测了南极内陆冰盖的高程变化（物质平衡）。结果表明,后向散射能量对Ku波段的CryoSat-2雷达高度计的高程数据具有一定的影响,经后向散射能量校正后,时间序列上的高程变化变得平缓,高程变化与已有的降雪数据相比,更加符合实际情况。2010年11月至2017年11月南极内陆冰盖高程变化趋势为（-1.1±0.2）cm·a^-1。西南极的Kamb冰流高程变化率为（38.7±1.1）cm·a^-1,Moeller冰流高程变化率为（-10.3±1.2）cm·a^-1,部分Thwaites冰川区域高程变化率为（-13.4±1.8）cm·a^-1,东南极的Wilkes Land出现高下降区,最高达-20 cm·a^-1。Dronning Maud Land虽然出现变化异常的点,但整体并没有显著的高程变化。南极内陆冰盖质量变化为（-10.6±6.2）Gt·a^-1,整体上南极内陆冰盖质量变化平缓,部分区域变化较大,Kamb冰流达到（17.9±0.5）Gt·a^-1,Moeller冰流达到（-3.4±0.4）Gt·a^-1,部分Thwaites冰川区达到（-3.7±0.5）Gt·a^-1。     

基于CryoSat-2卫星测高数据分析南极海冰厚度的时空变化

利用卫星测高数据能够获取大尺度、长时序的海冰厚度信息。相较于北极,目前南极海冰厚度特别是近期变化信息仍很缺乏。基于2013-2018年的CryoSat-2卫星测高数据,采用最低点高程法和静力平衡方程模型反演了近6年逐月平均海冰厚度并分析其时空变化规律。结果表明：2013-2018年南极海冰厚度整体呈现先上升后下降的趋势,其中,2014-2017年年平均海冰厚度表现为快速变薄。南极较厚的海冰集中在威德尔海西南海域,最大值出现在该海域2014年的7月（6.27 m）。年平均海冰厚度在2017年达到最低值。南极海冰厚度的时空变化研究可为深入研究海冰变化与全球变化的关系提供参考。     

基于合成孔径雷达技术及DEM的公格尔山冰川动力特征分析

冰川流速是冰川动力状况的重要标志,利用合成孔径雷达技术能快速获得大范围冰川的表面流速.利用日本高级陆地观测卫星(ALOS)相控阵型合成孔径雷达L波段(PALSAR)及欧洲太空局的ENVISAT/ASAR数据的特征匹配方法获得帕米尔高原公格尔山区冰川表面流速,并结合合成孔径雷达干涉相干与不同时期数字高程模型对公格尔山区典型冰川动力进行分析,获得研究区不同时间基线冰川表面相干性、表面流速以及基于不同时相DEM的典型冰川表面高程变化信息.结果表明:30 a来克拉牙依拉克冰川表面高程下降了(15±12.1)m,表碛区域近期运动速度变化不大;其木干冰川平均表面高程几乎无变化,但2007-2011年夏季表面流速明显减缓,靠近末端附近部分区域可能已经演化为非活动区;姜满加尔冰川位于西风带的迎风坡,积累区面积大,冰川流速较快,无表碛覆盖,但表面高程仍下降了(8.8±12.7)m.编号为5Y663D0009的冰川冰舌表碛覆盖区可能已经演化为非活动区,30 a来表面高程下降(8.6±12.0)m.综合分析表明,冰川规模特别是积累区面积的大小及所处位置、地形对冰川演化具有重要影响.     

利用卫星资料反演区域冰川冰量变化的尝试——以祁连山为例

物质平衡是衡量冰川“健康”状况的最好方式,由于野外工作开展难度大,物质平衡观测仅局限于少数几条冰川上,限制了区域冰川物质平衡和冰量变化的评估.通过卫星高程数据可以监测区域冰川高程变化,进而可估算其冰量变化.利用SRTM和ICESat激光测高数据反演了祁连山冰川冰量变化,结果表明:21世纪初祁连山冰川处于物质亏损状态,年平均高程减薄(0.345士0.258)m,相当于(0.293土0.219)m w.e.,估算祁连山冰川年均冰量损失为(534.2±399.5)×106 m3 W.e..由于祁连山各冰川区相对独立,相隔较远,冰川规模普遍不大,且ICESat地面轨迹在中低纬度分布稀疏,使得结果的不确定性还很大.     

基于遥感专题解译的白洋淀湿地底部DEM构建

基于多时相Landsat遥感影像,利用适合白洋淀湿地信息提取的综合提取方法提取湿地范围。将湿地范围视为水体淹没区,淹没区的边界线视为对应地表水位高程的等高线,并根据遥感影像、高程控制点等对淀区内受人为影响的局部区域进行校正,插值生成白洋淀湿地底部的数字高程模型(DEM)。选用遥感影像和地面高程控制点对构建的数字高程模型进行验证,遥感影像验证精度在80%以上,地面控制点验证误差在±0.5 m以内的点达到80%。这种由一系列遥感影像提取等高线生成数字高程模型的方法可以弥补白洋淀湿地内数字高程信息不足的缺陷,对于提高白洋淀湿地的水均衡计算和构建湖泊与地下水耦合模型的精度有着重要意义。     

How Different Analysis and Interpolation Methods Affect the Accuracy of Ice Surface Elevation Changes Inferred from Satellite Altimetry

Satellite altimetry has been widely used to determine surface elevation changes in polar ice sheets. The original height measurements are irregularly distributed in space and time. Gridded surface elevation changes are commonly derived by repeat altimetry analysis (RAA) and subsequent spatial interpolation of height change estimates. This article assesses how methodological choices related to those two steps affect the accuracy of surface elevation changes, and how well this accuracy is represented by formal uncertainties. In a simulation environment resembling CryoSat-2 measurements acquired over a region in northeast Greenland between December 2010 and January 2014, different local topography modeling approaches and different cell sizes for RAA, and four interpolation approaches are tested. Among the simulated cases, the choice of either favorable or unfavorable RAA affects the accuracy of results by about a factor of 6, and the different accuracy levels are propagated into the results of interpolation. For RAA, correcting local topography by an external digital elevation model (DEM) is best, if a very precise DEM is available, which is not always the case. Yet the best DEM-independent local topography correction (nine-parameter model within a 3,000 m diameter cell) is comparable to the use of a perfect DEM, which exactly represents the ice sheet topography, on the same cell size. Interpolation by heterogeneous measurement-error-filtered kriging is significantly more accurate (on the order of 50% error reduction) than interpolation methods, which do not account for heterogeneous errors.

     

Post‐Palaeozoic uplift history of southeastern Australia revisited: Results from a process‐based model of landscape evolution

Digital elevation models (DEMs) are widely relied upon as representations of the Earth's topographic morphology. The most widely used global DEMs available are ETOPO5, TerrainBase and JGP95E at a 5‐arc‐minute spatial resolution, and the GTOPO30 and GLOBE (version 1) global DEMs at a 30‐arc‐second spatial resolution. This paper presents the results of intercomparisons of these global DEMs over Australia, and with the GEODATA 9‐arc‐second DEM (version 1) of Australia. These DEMs were also compared to an independently produced, altimeter‐derived orthometric height database. This allows not only a totally independent assessment of the quality of these different DEMs over Australia, but also an insight into the ERS‐1 radar altimeter's ability to measure orthometric heights on land. The results of all these comparisons reveal large differences among the DEMs, with the greatest difference between JGP95E and ETOPO5 (mean 49 m, standard deviation ±274 m). The comparison with the altimeter‐derived database shows good agreement with the version 1 GEODATA DEM (mean 2 m, standard deviation ±27 m), thus demonstrating that the altimeter is a viable method for quality assessment of DEMs in lowland regions. A further conclusion is that the representation of the Australian land surface in both the JGP95E and TerrainBase global DEMs is more accurate than the higher resolution GLOBE (version 1) global DEM, even though JGP95E displays a disparity along the 140°E meridian because of the different data sources used in its construction.     

Assessment of C-band SRTM DEM in a dense equatorial forest zone

A Digital Elevation Model issued from the SRTM mission was assessed on a study area located in a dense equatorial forest setting in French Guiana. The SRTM DEM defined on a 90-m grid was compared to three check sources: (1) airborne laser altimeter data, (2) an accurate heliborne DEM, and (3) spot heights. The paper also includes a comparison with a radargrammetric RADARSAT DEM. The results show that the accuracy of the SRTM DEM is about 10 m (standard deviation of errors). For a given slope aspect, the absolute value and the standard deviation of elevation errors increase almost linearly with the slope value. The slope aspect has a major influence on the sign of the elevation error: elevations are underestimated for slope facing SRTM signal (foreslopes, northwest), and conversely in the opposite direction (backslopes, southeast). Maximum errors are observed along these two directions. To cite this article: B. Bourgine, N. Baghdadi, C. R. Geoscience 337 (2005).     

利用ASTER卫星立体像对提取喀斯特数字地形模型——以广西大化高峰丛深洼地喀斯特地貌为例

ASTER卫星立体像对已经被成功地用于提取全球数字地形模型（DEM）,其有效性已经在不同类型的非喀斯特地貌区域得到验证。和一般地貌相比,喀斯特地形,特别是中国南方喀斯特,具有自己独特的形态特征。能否从ASTER影像中精确地提取喀斯特地貌DEM目前尚未见到有任何报道。本文利用ASTER影像成功地提取了广西大化地区高峰丛深洼地的喀斯特地貌DEM,并且将提取结果与同一地区1∶5万地形图控制点的高程和4个剖面的高程变化进行了对比。研究区内绝大部分区域是喀斯特地貌,但在其西北部有一舌状砂岩地貌分布,从而提供了一个很好的喀斯特和非喀斯特地貌DEM精度对比的机会。本文的研究结果表明,从ASTER影像提取出来的砂岩地貌的DEM均方根误差要小于喀斯特地区,表明从ASTER影像中能更有效地提取非喀斯特地貌的DEM。相比之下,提取得到的喀斯特DEM精确度则稍差。究其原因主要是因为研究区内独特的高峰丛深洼地地形形态。由于峰丛地形的阴影在构成立体像对的两幅影像（nadir-looking和aft-loo-king）上的大小和形态差异很大,导致了DEM生产过程中两幅影像不能精确配准,从而产生比较大的误差。相比之下,砂岩地区地貌相对比较平坦,地形阴影大小和形态在两幅影像上差别不大,故而能得到精度比较高的数字地形模型。本文研究结果同时还表明适当增加地面控制点能在一定程度上改善提取出来的喀斯特地貌DEM的精度。尽管提取的数字地形模型精度稍低,其均方根误差仍然远远小于该地区峰丛和洼地个体体量。因此本研究认为从ASTER立体像对提取的数字地形模型可广泛用于喀斯特地貌形态特征研究。