兩種新的基于遙感影像的南極DEM精度比較與分析

兩種新的基于遙感影像的南極DEM精度比較與分析提要南極參考高程模型(ReferenceElevationModelofAntarctica,REMA)和TanDEM-XDEM是國(guó)際上新發(fā)布的兩種基于遙感影像的高分辨率數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)。采用Cryosat-2衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)及冰橋計(jì)劃?rùn)C(jī)載測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)兩個(gè)數(shù)字高程模型在南極冰蓋上的精度進(jìn)行驗(yàn)證比較，并考慮雷達(dá)信號(hào)穿透性和坡度等因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在南極冰蓋范圍內(nèi)，與CryoSat-2數(shù)據(jù)相比較，REMA的平均高程差為-0.742m,標(biāo)準(zhǔn)差為5.269m,TanDEM-XDEM的平均高程差為2.946m,標(biāo)準(zhǔn)差為5.755m。在南極內(nèi)陸地區(qū)TanDEM-XDEM與冰橋計(jì)劃數(shù)據(jù)之間的高程差異略小于冰蓋邊緣地區(qū)的高程差異，總體高程差異相比于REMA和冰橋計(jì)劃數(shù)據(jù)之間的高程差異要更明顯。REMA的高程值略高于TanDEM-XDEM的高程值，兩個(gè)數(shù)字高程模型之間的平均高程差為3.742m,標(biāo)準(zhǔn)差為2.807m,這與TanDEM-XDEM的數(shù)據(jù)源使用X波段雷達(dá)波對(duì)積雪的穿透性有關(guān)。關(guān)鍵詞南極冰蓋數(shù)字高程模型南極參考高程模型(REMA)TanDEM-XDEM0引言南極冰蓋是全球最大的冰蓋，對(duì)全球氣候變化和海平面變化都有很大的影響。數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)對(duì)南極地區(qū)的科學(xué)研究有著重要意義。南極DEM的準(zhǔn)確構(gòu)建是確定分冰嶺、冰流盆地及接地線的位置，計(jì)算冰流的大小及方向等科學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)［1］。20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界各國(guó)的研究者通過(guò)各種測(cè)量方式獲取的南極地形數(shù)據(jù)構(gòu)建了多個(gè)南極DEM。南極區(qū)域地理位置偏僻且氣候環(huán)境惡劣,導(dǎo)致實(shí)地觀測(cè)與航空測(cè)量都受到極大的限制［1］。自1978年，美國(guó)航空航天局發(fā)射了海洋測(cè)高衛(wèi)星SeaSato1983年，Zwally等［2］利用SeaSat雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)，生成了分辨率為20km的南極DEM,開(kāi)啟了使用衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)構(gòu)建南極DEM的時(shí)代。此后，美國(guó)海軍發(fā)射了大地測(cè)量衛(wèi)星GeoSat,歐洲空間局(EuropeanSpaceAgency,ESA)發(fā)射了ERS-1衛(wèi)星，美國(guó)航空航天局發(fā)射了激光測(cè)高衛(wèi)星ICESat,ESA發(fā)射了新一代雷達(dá)測(cè)高衛(wèi)星CryoSat-2o這些測(cè)高衛(wèi)星的發(fā)射為南極DEM的構(gòu)建提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者基于衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)南極地區(qū)DEM開(kāi)展研究并發(fā)布了多種分辨率的DEM。13］。其中，1997年，Bamber等［3］利用1994—1995年期間ERS-1雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)建立了分辨率為5km的南極DEM——JLB97DEM,其覆蓋了65°S~81.5°S區(qū)域內(nèi)的南極大陸，與此前的南極DEM相比,JLB97DEM在分辨率和覆蓋范圍上都有提升,并能更好地反映南極大陸地表的起伏。2007年,DiMarzio等⑷利用ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)建立了分辨率為500m的南極DEM,其覆蓋了63°S~86°S區(qū)域內(nèi)的南極大陸，相比于基于雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)建立的DEM,基于激光測(cè)高數(shù)據(jù)建立的DEM受坡度影響更小。2009年，Bamber等［5］基于ERS-1雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)和ICESat激光測(cè)高數(shù)據(jù)發(fā)布了分辨率為1km的南極DEM,其覆蓋范圍是60°S~86°S,由于結(jié)合了不同的衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)，其少部分區(qū)域的高程值由插值得到，并且分辨率也因數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域的不同而異，在ICESat數(shù)據(jù)點(diǎn)密集的區(qū)域分辨率能達(dá)到1km的標(biāo)準(zhǔn)，而僅有ERS-1數(shù)據(jù)點(diǎn)的區(qū)域，只能達(dá)到5km分辨率。2014年,Helm等［6］利用CryoSat-2數(shù)據(jù)建立了1km分辨率的南極DEM，覆蓋了65°S以南的南極大陸區(qū)域,其中88°S以南的數(shù)據(jù)由25km分辨率的格網(wǎng)重采樣得到，由于CryoSat-2在冰蓋邊緣地區(qū)觀測(cè)精度更高且覆蓋范圍更廣，基于CryoSat-2數(shù)據(jù)建立的南極DEM相比之前的DEM有更好的精度表現(xiàn)。2018年，Slater等［7］基于2010年7月一2016年7月期間的CyoSat-2數(shù)據(jù)，利用1個(gè)二次函數(shù)進(jìn)行擬合，利用克里金插值法對(duì)88°S以南的區(qū)域進(jìn)行差值，得到了1km分辨率的南極DEM,進(jìn)一步提升了南極DEM的精度，但基于衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)建立的DEM由于原始數(shù)據(jù)分辨率低的原因,DEM的分辨率很難進(jìn)一步提升。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)立體測(cè)圖技術(shù)和合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InterferometricSyntheticApertureRadar,InSAR)可獲取高分辨率、高精度的三維地表信息，進(jìn)而可提取高分辨率、高精度的DEM［14-18］。2017年，德國(guó)空間研究中心基于TerraSAR-X和TanDEM-X兩個(gè)幾乎完全相同的SAR衛(wèi)星獲取的全球影像數(shù)據(jù)發(fā)布了高分辨率的全球DEM——TanDEM-XDEM?2018年，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的極地地球空間中心和俄亥俄州立大學(xué)的伯德極地和氣候研究中心基于GeoEye-1和WorldView系列衛(wèi)星的高分辨率光學(xué)影像發(fā)布了8m分辨率的南極DEM——REMA。兩種基于遙感影像的DEM都有較高的分辨率,但由于使用數(shù)據(jù)以及覆蓋范圍不同，兩者高程精度也有所差異。Howat等［18］使用冰橋計(jì)劃測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)8m分辨率的REMA進(jìn)行了驗(yàn)證，與冰橋計(jì)劃中ICECAP(InternationalCollaborativeExplorationoftheCryospherebyAirborneProfiling)的L2級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行比較，高差中位數(shù)、68%線性誤差(68%linearerror,LE68)和90%線性誤差(90%linearerror,LE90)分別為-0.16m、0.77m和1.25m。Rizzoli等［19］利用ICESat高程數(shù)據(jù)對(duì)TanDEM-XDEM進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了TanDEM-XDEM的高程絕對(duì)精度：在全球范圍內(nèi)LE90為3.49m,在格陵蘭島和南極冰蓋地區(qū)LE90為6.37m,但TanDEM-XDEM所使用的衛(wèi)星影像的采集時(shí)間(2010—2015年)與ICESat數(shù)據(jù)采集時(shí)間(2003—2010年)并不重合。Wessel等［20］使用全球動(dòng)態(tài)GPS(KGPS)數(shù)據(jù)(不包含南極地區(qū))和美國(guó)GPS基準(zhǔn)數(shù)據(jù)(GPS-on-BM)對(duì)12m分辨率的TanDEM-XDEM進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示:TanDEM-XDEM與KGPS以及GPS-on-BM都保持很好的一致性；就絕對(duì)垂直偏差方面，與KGPS之間平均偏差為-0.17m,LE90為1.9m;與GPS-on-BM之間平均偏差為0.12m,LE90為2m,但此精度僅適用于除南極地區(qū)以外的其他區(qū)域，這使得TanDEM-XDEM在南極區(qū)域的精度不能很好地體現(xiàn)。此外,冰橋計(jì)劃的數(shù)據(jù)采集時(shí)間與TanDEM-XDEM所用遙感影像的采集時(shí)間相互重合(冰橋計(jì)劃：2009—2017年；TanDEM-XDEM:2010—2015年)，所以使用冰橋計(jì)劃數(shù)據(jù)能更好地驗(yàn)證TanDEM-XDEM在南極區(qū)域的精度。本文使用CryoSat-2雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)兩個(gè)DEM進(jìn)行差值，并按表面坡度進(jìn)行對(duì)比分析，在按高程點(diǎn)位置提取DEM高程值的過(guò)程中使用雙線性插值法進(jìn)行提取，考慮雷達(dá)穿透性進(jìn)行分析。然后使用冰橋計(jì)劃數(shù)據(jù)對(duì)TanDEM-XDEM進(jìn)行驗(yàn)證分析，并比較與REMA之間的差異，為進(jìn)一步使用此兩種DEM在南極地區(qū)開(kāi)展研究提供有利支持。1數(shù)字高程模型和測(cè)高數(shù)據(jù)1.1TanDEM-XDEM模型為了建立高分辨率和高精度的全球DEM,德國(guó)空間研究中心分別于2007年和2010年發(fā)射了TerraSAR-X與TanDEM-X衛(wèi)星。TerraSAR-X衛(wèi)星軌道高度為514km,軌道類型為太陽(yáng)同步軌道，重復(fù)周期為11d;衛(wèi)星搭載有X頻段合成孔徑雷達(dá)，波長(zhǎng)為4.62cm,頻率為9.65GHz,采用多極化方式；衛(wèi)星成像模式有聚束式(SpotlightMode)、條帶式(StripMapMode)和掃描式(ScanSARMode),分辨率分別為1mxl.5m/3.5m、3mx3m和18mx18m。TerraSAR-X衛(wèi)星與TanDEM-X衛(wèi)星以螺旋狀相對(duì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)行，從而組成雙星干涉系統(tǒng)［20］。利用2010年12月一2015年1月期間兩顆衛(wèi)星采集的高分辨率遙感影像像對(duì)，德國(guó)空間研究中心發(fā)布了高精度、高分辨率的全球DEM,主要產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。TanDEM-XDEM采用WGS-84橢球，有12m、30m和90m分辨率的不同版本，目前德國(guó)空間研究中心僅提供90m分辨率的DEM供用戶下載。TanDEM-X90m(3arcsec)DEM是1.0版中12m(0.4arcsec)DEM產(chǎn)品的變體，由于空間分布均勻，TanDEM-X90m(3arcsec)產(chǎn)品的相對(duì)垂直誤差要比TanDEM-X12m(0.4arcsec)產(chǎn)品的相對(duì)垂直誤差好得多［21］。本文使用90m分辨率的TanDEM-XDEM進(jìn)行對(duì)比分析。1.2REMA模型2018年，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的極地地球空間中心和俄亥俄州立大學(xué)的伯德極地和氣候研究中心基于高分辨率光學(xué)影像發(fā)布了8m分辨率的REMA。REMA是從成對(duì)的分米級(jí)分辨率的商業(yè)衛(wèi)星圖像中，由立體攝影法構(gòu)建提取的南極DEM,采用極坐標(biāo)立體投影，標(biāo)準(zhǔn)緯線為71°S,主要產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。REMA主要采用了WorldView-2/3衛(wèi)星影像(全色分辨率為0.32~0.5m)以及少量的GeoEye-1影像(全色分辨率為0.41m),大部分影像采集于2015和2016年南極夏季期間。GeoEye-1和Worldview系列衛(wèi)星均屬于美國(guó)DigitalGlobe公司的商業(yè)成像衛(wèi)星系統(tǒng)，它們與2016年發(fā)射的Worldview-4衛(wèi)星共同組成DigitalGlobe星座群,可以對(duì)地球上任意位置的平均拍攝頻率達(dá)到每天4.5次。REMA的質(zhì)量控制是由CryoSat-2SARIn數(shù)據(jù)與ICESat/GLAS數(shù)據(jù)共同完成的，并且優(yōu)先使用CryoSat-2數(shù)據(jù)集以及時(shí)間更新的數(shù)據(jù)，對(duì)于兩個(gè)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)都不能使用的區(qū)域，采用了與臨近已校準(zhǔn)區(qū)域插值的方法進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)于100m及分辨率更低的REMA還使用了Cook等制作的100m分辨率的ASTERGDEM進(jìn)行填充(南極半島地區(qū)),大陸其他地區(qū)，使用Helm等［6］基于CryoSat-2數(shù)據(jù)建立的DEM進(jìn)行填充［18］。除了8m分辨率的版本，REMA同時(shí)還有100m、200m和1km等不同分辨率版本，可以在美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)極地地理空間中心官網(wǎng)上免費(fèi)下載。為了減少分辨率差異所帶來(lái)的誤差，本文使用更接近TanDEM-XDEM分辨率(90m)的100m分辨率的REMA。表1REMA和TanDEM-XDEM主要產(chǎn)品參數(shù)Table1.MainparametersofREMAandTanDEM-XDEMTanDEM-XDEMREMA發(fā)布時(shí)間2017年2018年發(fā)布單位德國(guó)空間研究中心美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的極地地理空間中心和俄亥俄州立大學(xué)的伯德極地和氣候研究中心使用數(shù)據(jù)TerraSAR-X和TanDEM-XDEM-X衛(wèi)星影像GeoEye-1、WbrldView-1、WorldView-2>WorldView-3衛(wèi)星影像覆蓋范圍全球60°S~88°S空間分辨率12m、30m、90m8m、100m、200m、1km數(shù)據(jù)采集時(shí)間2010.12—2015.12010—2018投影橢球WGS84WGS84高程基準(zhǔn)WGS84WGS84數(shù)據(jù)格式TifTif1.3CryoSat-2數(shù)據(jù) 行高度約為717km,軌道類型為近極地非太陽(yáng)同CryoSat-2衛(wèi)星由ESA于2010年4月發(fā)射，步軌道，軌道周期為369天，并包含有30天的子主要用于探測(cè)全球海冰厚度和冰蓋高程。衛(wèi)星運(yùn)周期，軌道傾角為92°,數(shù)據(jù)覆蓋范圍可達(dá)到88°S~88°NoCryoSat-2主要搭載有合成孔徑/干涉雷達(dá)高度計(jì)(SIRAL)、DORIS接收機(jī)、激光反射器及衛(wèi)星跟蹤器。SIRAL高度計(jì)使用Ku波段雷達(dá)信號(hào)，主要采用3種高程測(cè)量模式：低分辨率模式(LRM)、SAR模式和SARIn模式。相比之前發(fā)射的測(cè)高衛(wèi)星,CryoSat-2在南極冰蓋邊緣區(qū)域復(fù)雜地形的測(cè)量精度較高g-24】。CryoSat-2主要提供3種級(jí)別的測(cè)高數(shù)據(jù)產(chǎn)品:L1層全碼率數(shù)據(jù)、L1b層多視波形數(shù)據(jù)和L2層高程數(shù)據(jù)。其中，本文使用的GDR(GeophysicalDataRecord)數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)多種模式數(shù)據(jù)融合，并加入地球物理改正后的L2級(jí)產(chǎn)品。由于CryoSat-2衛(wèi)星運(yùn)行一個(gè)周期足以覆蓋南極大陸地區(qū)，考慮到12月份南極冰蓋表面積雪較少，能夠減少誤差，本文使用2018年12月份期間時(shí)間跨度為1個(gè)子周期的GDR數(shù)據(jù)。1.4冰橋計(jì)劃數(shù)據(jù)冰橋計(jì)劃是由美國(guó)航空航天局于2009年啟動(dòng)的迄今為止最大規(guī)模的極地航空測(cè)繪任務(wù)因】。冰橋計(jì)劃每年3—5月在北極,10—11月在南極進(jìn)行航空觀測(cè)，航測(cè)飛機(jī)上搭載有數(shù)字相機(jī)DMS、激光雷達(dá)ATM和Ku波段雷達(dá)高度計(jì)等多源遙感傳感器，主要任務(wù)是為了填補(bǔ)ICESat(2003年發(fā)射，2009年停止工作)與ICESat-2(2018年發(fā)射)之間的極地?cái)?shù)據(jù)空白,獲取對(duì)冰架、冰蓋、海冰等的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。ICECAP計(jì)劃作為冰橋計(jì)劃的一部分，主要利用搭載在航測(cè)飛機(jī)上的多光子計(jì)數(shù)三維成像激光雷達(dá)(Sigma-Spacelidar)和UAF(UniversityofAlaskaFairbanks)激光雷達(dá)系統(tǒng)在東南極地區(qū)采集冰蓋高程信息陞］。其中,UAF激光雷達(dá)系統(tǒng)包含Riegl激光雷達(dá)掃描儀，激光波段為905nm,掃描頻率為20Hz,腳點(diǎn)大小為0.2m,焦點(diǎn)間距為1m,測(cè)高精度為0.125mo本文使用經(jīng)過(guò)改正后的ICECAP激光雷達(dá)L2級(jí)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可在美國(guó)雪冰數(shù)據(jù)中心(NSIDC)免費(fèi)下載獲得。2利用CryoSat-2數(shù)據(jù)比較分析兩個(gè)遙感DEM的精度比較時(shí)，將90m分辨率的TanDEM-XDEM以71°S為標(biāo)準(zhǔn)緯線進(jìn)行極方位投影。利用南極冰蓋范圍內(nèi)的CryoSat-2高程點(diǎn)坐標(biāo)分別提取兩個(gè)DEM相應(yīng)的高程值進(jìn)行差值對(duì)比，提取過(guò)程采取雙線性插值法，根據(jù)相鄰像元的有效值計(jì)算像元值。通過(guò)初步的比較發(fā)現(xiàn)兩個(gè)DEM及CryoSat-2產(chǎn)品中均存在一些粗差，在剔除了預(yù)設(shè)粗差值的基礎(chǔ)上，綜合其他學(xué)者的方法［27-28］進(jìn)一步剔除大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的點(diǎn)位，最后得到比較結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示，每?jī)煞N數(shù)據(jù)集比較的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、表3和表4所示。圖1REMA與CryoSat-2高程差值的頻率統(tǒng)計(jì)Fig.1.FrequencystatisticsofelevationdifferencesbetweenREMAandCryoSat-2datasets表2REMA與CryoSat-2高程差值統(tǒng)計(jì)Table2.TheelevationdifferencesbetweenREMAandCryoSat-2datasets均值/m 標(biāo)準(zhǔn)差/m 最大值/m 最小值/m 提取點(diǎn)個(gè)數(shù) 剔除率剔除前剔除后0.988 208.228 9979.362 -3941.891 65420808.98%-0.742 5.269 41.925 -47.561 5954358通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)DEM的高程與CryoSat-2數(shù)據(jù)的高程差異較小，REMA要比TanDEM-XDEM更接近于CryoSat-2數(shù)據(jù)的高程值。TanDEM-XDEM相比于CryoSat-2高程值偏低,而REMA高于CryoSat-2數(shù)據(jù)。在REMA與TanDEM-XDEM的比較中也可以發(fā)現(xiàn)REMA大部分選點(diǎn)的高程值要高于TanDEM-XDEM的高程值。通過(guò)對(duì)兩個(gè)DEM數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析，這可能是由于TanDEM-XDEM數(shù)據(jù)源所使用的X波段雷達(dá)波對(duì)積雪具有數(shù)米的穿透性［29］,而REMA使圖2TanDEM-XDEM圖2TanDEM-XDEM與CryoSat-2高程差值的頻率統(tǒng)計(jì)Fig.2.FrequencystatisticsofelevationdifferencesbetweenTanDEM-XDEMandCryoSat-2datasets用的光學(xué)影像獲得的是積雪的表面高程。CryoSat-2使用Ku波段雷達(dá)信號(hào)，對(duì)積雪有一定穿透性，但由于缺少南極冰蓋表面積雪深度數(shù)據(jù),難以確定CryoSat-2雷達(dá)信號(hào)對(duì)冰蓋表面積雪深度的穿透深度，因此未對(duì)CryoSat-2的穿透性進(jìn)行校正。結(jié)合其他學(xué)者的研究，如圖4[30]所示，在不同積雪屬性下Ku波段雷達(dá)信號(hào)的穿透深度都小于X波段雷達(dá)信號(hào)的穿透深度。此外，通過(guò)對(duì)兩個(gè)DEM的數(shù)據(jù)融合過(guò)程進(jìn)行分析,REMA使用了大量的CryoSat-2數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，并且使用基于CryoSat-2數(shù)據(jù)制成的HelmDEM對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)空白區(qū)域進(jìn)行填充，使得REMA與CryoSat-2高程更為接近。表3TanDEM-XDEM與CryoSat-2高程差值統(tǒng)計(jì)Table3.TheelevationdifferencesbetweenTanDEM-XDEMandCryoSat-2datasets均值/m標(biāo)準(zhǔn)差/m最大值/m最小值/m提取點(diǎn)個(gè)數(shù)剔除率剔除前剔除后5.1692.946234.7045.75534997.47946.591-3937.901-45.047655905959582719.16%圖3TanDEM-XDEM與REMA高程差值的頻率統(tǒng)計(jì)Fig.3.FrequencystatisticsofelevationdifferencesbetweenTanDEM-XDEMandREMA另外，考慮DEM的精度可能受地形坡度的影響，以0.05。為區(qū)間對(duì)REMA、TanDEM-XDEM和CryoSat-2數(shù)據(jù)之間的平均高程差和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖5為兩種遙感DEM與CryoSat-2高程點(diǎn)之間的平均高程差和標(biāo)準(zhǔn)差隨坡度變化的趨勢(shì)。從圖5可以看出,TanDEM-XDEM與CryoSat-2高程點(diǎn)和REMA之間的平均高程差較大，且均為正值，這與整體比較時(shí)的結(jié)果相一致。兩個(gè)DEM與CryoSat-2之間高程差的標(biāo)準(zhǔn)差走勢(shì)基本一致,整體隨坡度增加而增加，且上升趨勢(shì)較快；兩個(gè)DEM之間高程差的標(biāo)準(zhǔn)差較小，且隨坡度增加上升的趨勢(shì)較緩和。這可能是由于一定的坡度有利于干涉影像對(duì)地形的識(shí)別，能更好地識(shí)別高程值[30],這也是TanDEM-XDEM與CryoSat-2高程點(diǎn)和REMA在有一定坡度的區(qū)域平均高程差更小的一個(gè)重要原因。盡管CryoSat-2GDR數(shù)據(jù)引入部分SAR和SARIn數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度改正,但仍受坡度影響較大，高程點(diǎn)精度隨坡度增加而降低。此外，CryoSat-2高程點(diǎn)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，REMA和TanDEM-XDEM存在一定的插值誤差。表4TanDEM-XDEM與REMA差值統(tǒng)計(jì)Table4.TheelevationdifferencesbetweenTanDEM-XDEMandREMA均值/m 標(biāo)準(zhǔn)差/m 最大值/m 最小值/m 提取點(diǎn)個(gè)數(shù) 剔除率剔除前剔除后3.990 86.696 34999.709 -1470.126 65404760.89%3.621 2.461 14.422 -7.213 648237210-1——-10-1——-——.——>——■——■——00.51.01.52.02.53.0積雪粒徑/mm-Ku-Band(13.575GHz)-C-Band(5.405GHz)-X-Band(1.2GHz)I。-】__,―,—I―I一I一I一I一012345678液態(tài)水體積分?jǐn)?shù)/%-Ku-Band(13.575GHz)-X-Band(9.650GHz)-C-Band(5.405GHz)圖4不同波段在不同積雪屬性下的積雪穿透深度[30]Fig.4.Penetrationdepthfordifferentbandsinsnowasafunctionofgrainsizeandliquid-watercontent[30]

3利用冰橋計(jì)劃數(shù)據(jù)對(duì)TanDEM-XDEM進(jìn)行驗(yàn)證分析為了方便與REMA的精度相比較，采用Howat等［18］對(duì)REMA的驗(yàn)證方法對(duì)90m分辨率的TanDEM-XDEM在南極區(qū)域的精度進(jìn)行驗(yàn)證。這里我們只選用2012和2013年間冰橋計(jì)劃ICECAPL2級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并利用REMA100km分辨率的格網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行劃分。如圖6所示，黑色底圖為T(mén)anDEM-XDEM的拼接圖，與白色的REMA100km分辨率的格網(wǎng)相比,TanDEM-XDEM的覆蓋范圍更大，考慮投影偏差的影響，在計(jì)算前需要對(duì)柵格進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換及裁剪等預(yù)處理。最后得到結(jié)果如圖7、圖9所示，統(tǒng)計(jì)值如圖8和圖10所示。1210*CryoSat-2-REAMCryoSat-2-TanDEM-XDEM-fREAM-TanDEM-XDEM42—4 1 1 1 0 1 1 1 1 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0坡度/(°) 坡度/(°)a) b)圖5三種數(shù)據(jù)之間高程差值按坡度統(tǒng)計(jì)趨勢(shì).a)平均高程差;b)標(biāo)準(zhǔn)差.*表示CryoSat-2與REMA的偏差;o表示CryoSat-2與TanDEM-XDEM的偏差;+表示REMA與TanDEM-XDEM的偏差Fig.5.Thetrendofdifferencesbetweenthreetypesofdata.a)themeanelevationdifference;b)thestandarddeviation.*showsthedeviationbetweenCryoSat-2andREMA;oshowsthedeviationbetweenCryoSat-2andTanDEM-XDEM;+showsthedeviationbetweenREMAandTanDEM-XDEM圖6REMA100kmx100km格網(wǎng)與TanDEM-XDEM重合區(qū)域Fig.6.Mosaicfor100kmx100kmtilesofREMAcoincideswithTanDEM-XDEM

圖7按格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)的TanDEM-XDEM與2012年間ICECAP數(shù)據(jù)差值的中誤差分布Fig.7.MedianofelevationdifferencesbymosaictilebetweenREMAandICECAPdatasetsin2012° ——I__i——I————.——.————I0 2 4 6 810121416182022LE90/ma)*猛度浬1025°————————I__————————I0123456789 10LE68/mb)205nM15屋尊100-10-8-6-4-20 2 4 6 8 10殘差中位數(shù)/mc)圖8TanDEM-XDEM與2012年間ICECAP數(shù)據(jù)差值的頻數(shù)直方圖.a)差值的LE90;b)差值的LE68;c)殘差中位數(shù).垂直的虛線是中位數(shù)Fig.8.HistogramsofthedifferencebetweenREMAandICECAPdatasetsin2012.a)thelinearerroratthe90thpercen-tiles(LE90);b)thelinearerroratthe68thpercentiles(LE68);c)themediansofresidual.Verticaldashesarethemedianvalues圖9按格網(wǎng)統(tǒng)計(jì)的TanDEM-XDEM與2013年間ICECAP數(shù)據(jù)差值的中誤差分布Fig.9.MedianofelevationdifferencesbymosaictilebetweenREMAandICECAPdatasetsin2013從圖7和圖9中可以看出,TanDEM-XDEM與ICECAP高程點(diǎn)在內(nèi)陸地區(qū)差異較小,在冰蓋邊緣地區(qū)，兩者差異更大，這可能是受冰蓋邊緣坡度較大影響的結(jié)果,由于TanDEM-X使用的X波段波長(zhǎng)較短，對(duì)于地形起伏較大的區(qū)域來(lái)說(shuō)，地形相位將在干涉圖上產(chǎn)生較密的條紋，這將會(huì)影響到后面的相位解纏甚至造成解纏失?。?1］。從圖8和圖10中可以看出,TanDEM-XDEM高程要低于ICECAP高程點(diǎn)，殘差中值在4m左右;而Howat等