CN108427741A

CN108427741A - 一种基于大量高精度控制点的dem相对误差评价方法

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Publication number: CN108427741A
Application number: CN201810183416.XA
Authority: CN
Inventors: 赵尚民; 章诗芳
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2018-08-21
Anticipated expiration: 2038-03-06
Also published as: CN108427741B

Abstract

本发明公开了一种基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法，通过大量、精确的GCP数据为获取、评价DEM数据的相对误差奠定了数据基础，拟基于大量GCP获取、分析和评价DEM数据的相对误差，从而为DEM数据地形表面数字模拟的可靠性提供保障；将GCP与DEM数据叠加，生成研究区的误差点数据；然后根据误差点的空间分布特征，确定误差点对的距离阈值，并以此生成误差点对，并通过合理方法保证其唯一性和完整性；再根据误差点对的水平距离和垂直误差，获得误差点对的相对误差，进而得到DEM数据的相对误差，并对其分类、分析和评价。通过本发明，能够确定对应DEM数据对地表形态表面数字化模拟的质量情况，从而为DEM数据在地貌、水文和地形分析等方面应用的可靠性提供重要保障。

Description

一种基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，特别是涉及一种基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法。

背景技术

与传统地形图中利用等高线等表现地面的高低起伏变化不同，计算机主要通过大量的、密集的、呈规则或不规则分布的地面点的空间坐标对地表形态进行数字表示，这种表示形式被称为数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。

DEM可以通过有限的地形高程数据对地面形态进行数字化模拟，因此在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、土地利用、工程建设、通讯和军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域得到广泛应用。

然而，DEM数据应用的可靠性取决于它的精度情况。因此，DEM数据的精度和误差分析一直是DEM研究的重点领域（Tang， 2000；Zhao et al., 2012, 2017），包括DEM粗差探测（Lopez，1997）、DEM质量控制（李志林等，2003）和DEM误差的空间分布等（Liu et al.,1999）等。

目前DEM数据的精度和误差评价主要针对的是DEM数据的绝对误差，特别是在高程方面的绝对误差。但是，DEM数据主要用来对地球表面形态进行数字化模拟，其模拟质量不仅与每个像素的绝对误差有关，同时与此像素周边的相邻或者相近像素的误差情况有关。将每个像素的绝对误差与其相邻或相近像素的绝对误差进行对比，可以获取DEM数据的相对误差。DEM数据的绝对误差可以进行质量校正，相对误差则可以用来对DEM数据地形表面模拟质量进行评价（Hage et al.，2012）。

发明内容

本发明主为解决现有问题的不足之处而提供一种基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法，包括：基于DEM数据源，获取高精度地面控制点数据中与DEM数据范围相一致的误差点数据，并根据预设的高精度地面控制点数据误差点对距离阈值范围，选取DEM数据的误差点对；根据DEM数据的误差点对，计算在DEM数据上和高精度地面控制点位置上的高程值，并计算误差点对的高程误差；同时计算每个误差点对中两个误差点间的水平距离；根据误差点对的高程误差和误差点间的水平距离，计算误差点对的相对误差，将所有误差点对的相对误差聚合，生成整个DEM数据的相对误差；通过对DEM数据相对误差进行分类、分析和评价，获得对应DEM数据相对误差的空间分布状况。

其中，在选取DEM数据的误差点对的步骤中，包括步骤：获取高精度地面控制点数据的高程点，将高程点和研究区域的DEM数据进行叠加，得到研究区域的高精度地面控制点数据；将研究区域的高精度地面控制点数据与DEM数据对应位置的高程进行相减，生成DEM数据的误差点；根据DEM数据的空间分辨率和误差点的空间分布特征，设定误差点对的距离阈值；确定DEM数据的误差点形成的误差点对，并根据设定的误差点对距离阈值选取DEM数据的误差点对。

其中，误差点对的距离阈值设定为100m~500m，两点之间海拔高度差大于等于1m。

其中，计算误差点对的高程误差时，分别获取每个误差点对的两个点在DEM数据上和高精度地面控制点位置的高程值，二者分别相减求差，得到误差点对的高程误差。

其中，在计算每个误差点对中两个误差点间的水平距离的步骤中，建立空间坐标系并将每一误差点对置于空间坐标系中，提取每个误差点对中两个点的平面坐标，计算每个误差点对的水平距离。

其中，对DEM数据相对误差进行评价的步骤中，根据获取的相对误差，按照数理统计方法，计算平均值、绝对值的平均值、均方根和标准偏差，并分析数理统计结果在不同坡度分布状况下的数值情况。

其中，对DEM数据相对误差进行分类、分析和评价的方法至少包括自定义间隔法、相等间隔法、分位数和自然断点法。

区别于现有技术，本发明的基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法通过大量、精确的GCP数据为获取、评价DEM数据的相对误差奠定了数据基础，拟基于大量GCP获取、分析和评价DEM数据的相对误差，从而为DEM数据地形表面数字模拟的可靠性提供保障；将GCP与DEM数据叠加，生成研究区的误差点数据；然后根据误差点的空间分布特征，确定误差点对的距离阈值，并以此生成误差点对，并通过合理方法保证其唯一性和完整性；再根据误差点对的水平距离和垂直误差，获得误差点对的相对误差，进而得到DEM数据的相对误差，并对其分类、分析和评价。通过本发明，能够确定对应DEM数据对地表形态表面数字化模拟的质量情况，从而为DEM数据在地貌、水文和地形分析等方面应用的可靠性提供重要保障。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法的流程示意图。

图2是本发明提供的一种基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法的逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

地形图数字化、地面测量数据、遥感影像立体像对、无人机和雷达等技术生成大量的DEM数据，全球卫星导航定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）、大量的数字化地形点和高质量激光测高装置等手段则提供了大量、精确的地面控制点（GCP），从而为DEM数据相对误差的计算和分析提供了条件。

通过评价DEM数据的相对误差分布情况，可以了解对应DEM数据对地表形态表面数字化模拟的质量情况，从而为DEM数据在地貌、水文和地形分析等方面应用的可靠性提供重要保障。

参阅图1，图1是本发明提供的一种基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法的流程示意图。该方法的步骤包括：

S110：基于DEM数据源，获取高精度地面控制点数据中与DEM数据范围相一致的误差点数据，并根据预设的高精度地面控制点数据误差点对距离阈值范围，选取DEM数据的误差点对。

具体的，获取误差点对的步骤包括：

获取高精度地面控制点数据的高程点，将高程点和研究区域的DEM数据进行叠加，得到研究区域的高精度地面控制点数据；

将研究区域的高精度地面控制点数据与DEM数据对应位置的高程进行相减，生成DEM数据的误差点；

根据DEM数据的空间分辨率和误差点的空间分布特征，设定误差点对的距离阈值；

确定DEM数据的误差点形成的误差点对，并根据设定的误差点对距离阈值选取DEM数据的误差点对。

基于区域的DEM数据和大量高精度GCP数据，首先获取对应区域的GCP数据，然后将二者对应位置的高程相减，生成误差点数据，作为DEM数据相对误差获取的数据源。

根据误差点的空间分布特征和DEM数据的空间分辨率，确定生成误差点对的距离的阈值，包括最大值和最小值。误差点对的距离阈值设定为100m~500m，两点之间海拔高度差大于等于1m。误差点对的距离阈值是误差点对的生成基础，事关相对误差的质量和可靠性，具有重要意义。

基于确定的误差点对的距离阈值范围，生成DEM数据的误差点对；同时，既要保证生成的误差点对的完整性，即不要有缺失，又要保证生成的误差点对的唯一性，即不要有重复。误差点对的缺失会影响相对误差的质量，误差点对的重复则会增加运算量，并影响相对误差评价结果。

S120：根据DEM数据的误差点对，计算在DEM数据上和高精度地面控制点位置上的高程值，并计算误差点对的高程误差；同时计算每个误差点对中两个误差点间的水平距离。

根据生成的误差点对，对每一个误差点，分别获取其在DEM数据上和GCP点上的高程值，同时获取每一个误差点对上两个点的高程误差的差值，作为此误差点对的高程误差。具体的，分别获取每个误差点对的两个点在DEM数据上和高精度地面控制点位置的高程值，二者分别相减求差，得到误差点对的高程误差。

进一步，建立空间坐标系并将每一误差点对置于空间坐标系中，提取每个误差点对中两个点的平面坐标，计算每个误差点对的水平距离。提取每一个误差点对中两个误差点的坐标，根据水平距离计算公式计算每个误差点对的水平距离，并与距离阈值进行对比，确定其正确性。

高程误差的获取，指误差点在两种不同DEM数据源上的高程值之差：

误差点对中两个点的水平距离的计算：

其中，（x1，y1）和（x2，y2）分别是误差点对中两个点的坐标。

S130：根据误差点对的高程误差和误差点间的水平距离，计算误差点对的相对误差，将所有误差点对的相对误差聚合，生成整个DEM数据的相对误差。

基于每个误差点对的高程误差和水平距离，通过不同的计算公式分别计算其不同形式下的相对误差（如坡度形式和百分比形式等），进而获取整个DEM数据的相对误差。

相对误差的获取，指误差点对中两个点的高程误差的差值：

S140：通过对DEM数据相对误差进行分类、分析和评价，获得对应DEM数据相对误差的空间分布状况。

具体的，根据获取的相对误差，按照数理统计方法，计算平均值、绝对值的平均值、均方根和标准偏差，并分析数理统计结果在不同坡度分布状况下的数值情况。对DEM数据相对误差进行分类、分析和评价的方法至少包括自定义间隔法、相等间隔法、分位数和自然断点法。

DEM数据相对误差的评价涉及误差点对的获取、相对误差的计算和评价等关键问题。通过对这些问题的研究和解决，为深入理解DEM数据的相对误差空间分布情况、进而了解DEM数据数字化模拟地表形态的可靠性提供了依据。如何确定误差点对的距离阈值和选择合理的相对误差表达形式，是DEM数据相对误差评价的关键，尤其需要值得深入研究和重点关注。

示例的，以下为本发明的DEM数据的相对误差获取与评价方法的一种具体实施方式。

按照本发明的技术解决方案，申请人以汾河流域为实验区，SRTM1 DEM数据作为原始DEM数据，ICESat/GLA14数据作为地面控制点数据，以此对实验区DEM数据的相对误差进行获取和评价。本发明的具体实施方法如下：

对ICESat/GLA14数据进行处理，获得具有较高精度和质量的ICESat/GLA14高程点。然后将ICESat/GLA14点数据与SRTM1 DEM数据进行叠加，获得研究区域内的ICESat/GLA14点数据，共82,378个点。最后将ICESat/GLA14数据点与SRTM1 DEM数据上对应位置的高程进行相减，生成SRTM1 DEM数据的误差点。

根据SRTM1 DEM的空间分辨率（30m）和误差点的空间分布特征，确定出误差点对的距离阈值：100m~500m（在本次实验中）。

基于确定的误差点对的距离阈值，首先以距离500m确定点对，获得误差点对1690268对；然后去掉距离在100m之内的，剩下误差点对1603374对；由于误差点对对称分布（比如从A点到B点，从B点到A点形成2幅点对），通过筛选方法去掉对称分布的一半，剩下801687对；删除两点之间海拔高度差在1m之内的，剩下669268对，成为最终的误差点对。

分别获取每个误差点对的两个点在SRTM1 DEM数据上和ICESat/GLA14点位置的高程值，二者分别相减求差，得到误差点对的高程误差。

同时利用软件提取每个误差点对中两个点的平面坐标，然后根据坐标公式计算每个误差点对的水平距离。

通过相对误差计算公式，将误差点对的高程误差和水平距离进行二者相除，以不同形式来表达相对误差。在本实验中，以百分比形式进行表达。将所有误差点对的相对误差进行拼合，形成实验区SRTM1 DEM数据的相对误差。

根据获取的相对误差，首先按照数理统计方法，计算其平均值、绝对值的平均值、均方根和标准偏差，并分析数理统计结果在不同坡度分布状况下的数值情况。结果显示：实验区SRTM1 DEM数据的整体相对误差平均值接近于0，绝对值的平均值为2.1%，均方根和标准偏差均为3.2%。随着坡度增加，除了平均值变化不大外，其他3项（绝对值、均方根和标准偏差）均快速增加。如在0-3度时，平均值为0.8%，当坡度大于25度时平均值增加到3.6%。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法，其特征在于，包括：

基于DEM数据源，获取高精度地面控制点数据中与DEM数据范围相一致的误差点数据，并根据预设的高精度地面控制点数据误差点对距离阈值范围，选取DEM数据的误差点对；

根据DEM数据的误差点对，计算在DEM数据上和高精度地面控制点位置上的高程值，并计算误差点对的高程误差；同时计算每个误差点对中两个误差点间的水平距离；

根据误差点对的高程误差和误差点间的水平距离，计算误差点对的相对误差，将所有误差点对的相对误差聚合，生成整个DEM数据的相对误差；

通过对DEM数据相对误差进行分类、分析和评价，获得对应DEM数据相对误差的空间分布状况。

2.根据权利要求1所述的基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法，其特征在于，在选取DEM数据的误差点对的步骤中，包括步骤：

3.根据权利要求2所述的基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法，其特征在于，误差点对的距离阈值设定为100m~500m，两点之间海拔高度差大于等于1m。

4.根据权利要求1所述的基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法，其特征在于，计算误差点对的高程误差时，分别获取每个误差点对的两个点在DEM数据上和高精度地面控制点位置的高程值，二者分别相减求差，得到误差点对的高程误差。

5.根据权利要求1所述的基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法，其特征在于，在计算每个误差点对中两个误差点间的水平距离的步骤中，建立空间坐标系并将每一误差点对置于空间坐标系中，提取每个误差点对中两个点的平面坐标，计算每个误差点对的水平距离。

6.根据权利要求1所述的基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法，其特征在于，对DEM数据相对误差进行评价的步骤中，根据获取的相对误差，按照数理统计方法，计算平均值、绝对值的平均值、均方根和标准偏差，并分析数理统计结果在不同坡度分布状况下的数值情况。

7.根据权利要求1所述的基于大量高精度控制点的DEM相对误差评价方法，其特征在于，对DEM数据相对误差进行分类、分析和评价的方法至少包括自定义间隔法、相等间隔法、分位数和自然断点法。