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全球尺度的 DEM数据的研制对于全球地形地貌等方面的研究具有指导意义,目前经典的开放DEM数据集中,覆盖范围大、分辨率较高数据集主要是ASTER GDEM系列及AW3D30系列数据,这两种数据集在60°N-60°S之间均不含数据空缺,在60°N-60°S之外的区域, ASTER GDEM v3数据连续分布,AW3D30 v2.2数据包含较多的数据空缺,因此,为了获得全球尺度高质量连续分布的DEM数据集,本文研究中以60°N以北为研究区, AW3D30 v2.2数据为主数据源,ASTER GDEM v3数据为辅助数据源,提出两种不同的数据生产方式。
以俄罗斯克里斯托瓦亚及周边为研究样区,对 ASTER GDEM v3与AW3D30 v2.2数据在60°N位置进行数据融合。在60°N附近,采用不同形式的反距离加权法对两种数据融合,得到过渡区,向南衔接AW3D30 v2.2,向北连接ASTER GDEM v3;60°N以北的区域,以冰岛区域为例,采用直接镶嵌、间接镶嵌、高斯平滑对AW3D30 v2.2数据中存在的空洞区进行修复。其中间接镶嵌采用ASTER GDEM v3与AW3D30 v2.2在不同高程及坡度等级中的高程差均值,建立高程差模型,修复AW3D30 v2.2数据中存在的数据空洞。
经计算得到的曲线接边中,在60°N位置数据融合过程中,两种数据融合得到的过渡区跨度的平均值为107.5个像素,平均跨距为3052.6 m。目视判读可得,ASTER GDEM v3与AW3D30 v2.2直接融合会产生明显的边界,而每种反距离加权的结果在60°N均没有出现明显的边界;剖面分析可得,采用高斯反距离加权插值方法得到的过渡数据,在北界线处,过渡数据与ASTER GDEM v3的平均年高程差为1.3 m,在南界线处,过渡数据与AW3D30 v2.2的平均误差基本为0;计算面误差信息熵可得,高斯反距离加权的平均面误差信息熵为3.22,在平缓坡、斜坡、急坡、陡坡中的信息熵分别为2.99、3.05、3.70、3.16,随坡度增大,整体呈现递增的趋势。
在AW3D30 v2.2数据修复中,目视判读可得,直接镶嵌、间接镶嵌、高斯平滑均是实现了空洞区数据的修复;从空洞区边界的剖面高程来看,直接镶嵌得到的空洞区数据与AW3D30 v2.2之间存在较大的高程差值,间接镶嵌及高斯平滑在空洞区边界没有出现大的高程差;从空洞区内部的剖面高程来看,直接镶嵌与间接镶嵌和高斯平滑在空洞区内部的高程差基本与边界的高程差一致;从整体平滑性来看,高斯平滑整体的平滑程度优于直接镶嵌及间接镶嵌;在空洞区,采用直接镶嵌、间接镶嵌、高斯平滑的平均误差分别为1.0 m、1.0 m、13.9 m,其中高斯平滑的均方根误差最低,为14.7 m。
可以得到,在60°N位置采用高斯反距离加权法,对ASTER GDEM v3与AW3D30 v2.2数据进行融合生成覆盖范围广、数据质量较高的数据是更优的选择;在60°N采用高斯平滑对AW3D30 v2.2数据中存在空洞进行修复的结果是更好的。因此通过数据融合及空洞修复得到覆盖范围更广、分辨率更高的DEM数据是可行的。
以俄罗斯克里斯托瓦亚及周边为研究样区,对 ASTER GDEM v3与AW3D30 v2.2数据在60°N位置进行数据融合。在60°N附近,采用不同形式的反距离加权法对两种数据融合,得到过渡区,向南衔接AW3D30 v2.2,向北连接ASTER GDEM v3;60°N以北的区域,以冰岛区域为例,采用直接镶嵌、间接镶嵌、高斯平滑对AW3D30 v2.2数据中存在的空洞区进行修复。其中间接镶嵌采用ASTER GDEM v3与AW3D30 v2.2在不同高程及坡度等级中的高程差均值,建立高程差模型,修复AW3D30 v2.2数据中存在的数据空洞。
经计算得到的曲线接边中,在60°N位置数据融合过程中,两种数据融合得到的过渡区跨度的平均值为107.5个像素,平均跨距为3052.6 m。目视判读可得,ASTER GDEM v3与AW3D30 v2.2直接融合会产生明显的边界,而每种反距离加权的结果在60°N均没有出现明显的边界;剖面分析可得,采用高斯反距离加权插值方法得到的过渡数据,在北界线处,过渡数据与ASTER GDEM v3的平均年高程差为1.3 m,在南界线处,过渡数据与AW3D30 v2.2的平均误差基本为0;计算面误差信息熵可得,高斯反距离加权的平均面误差信息熵为3.22,在平缓坡、斜坡、急坡、陡坡中的信息熵分别为2.99、3.05、3.70、3.16,随坡度增大,整体呈现递增的趋势。
在AW3D30 v2.2数据修复中,目视判读可得,直接镶嵌、间接镶嵌、高斯平滑均是实现了空洞区数据的修复;从空洞区边界的剖面高程来看,直接镶嵌得到的空洞区数据与AW3D30 v2.2之间存在较大的高程差值,间接镶嵌及高斯平滑在空洞区边界没有出现大的高程差;从空洞区内部的剖面高程来看,直接镶嵌与间接镶嵌和高斯平滑在空洞区内部的高程差基本与边界的高程差一致;从整体平滑性来看,高斯平滑整体的平滑程度优于直接镶嵌及间接镶嵌;在空洞区,采用直接镶嵌、间接镶嵌、高斯平滑的平均误差分别为1.0 m、1.0 m、13.9 m,其中高斯平滑的均方根误差最低,为14.7 m。
可以得到,在60°N位置采用高斯反距离加权法,对ASTER GDEM v3与AW3D30 v2.2数据进行融合生成覆盖范围广、数据质量较高的数据是更优的选择;在60°N采用高斯平滑对AW3D30 v2.2数据中存在空洞进行修复的结果是更好的。因此通过数据融合及空洞修复得到覆盖范围更广、分辨率更高的DEM数据是可行的。