羅學(xué)彬+李國明+趙登文+應(yīng)國偉

摘要：針對(duì)ASTERGDEM數(shù)據(jù)存在的數(shù)據(jù)空洞問題，本文以SRTM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，基于ArcGIS的AO模型，提出了利用局部修正后的SRTM DEM作反距離加杈平均逐像元插補(bǔ)ASTER GDEM的異常區(qū)域的方法。對(duì)其作內(nèi)插處理填補(bǔ)細(xì)小空洞，再與較低分辨率的GTOPO 30地形數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)融合處理填補(bǔ)剩余較大空洞。研究結(jié)果表明：該方法是一種切實(shí)可行的獲取完整地形數(shù)據(jù)的途徑。

關(guān)鍵詞：DEM；數(shù)據(jù)空洞；AO模型；局部修正

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）30-0187-03

0引言

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是對(duì)地球表面地貌的數(shù)字表達(dá)和模擬。DEM以及相關(guān)的GIS空間分析技術(shù)的引入，極大豐富了地貌學(xué)的研究手段。本文針對(duì)在利用DEM數(shù)據(jù)分析時(shí)存在的數(shù)據(jù)空洞問題進(jìn)行研究，提出切實(shí)可行的數(shù)據(jù)修復(fù)技術(shù)方法，對(duì)豐富地貌學(xué)研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料具有重要意義。

1數(shù)據(jù)來源

本文選用的數(shù)字高程模型DEM是由美國航空航天宇航局（NASA）與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）共同向全球用戶免費(fèi)推出的地球電子地形數(shù)據(jù)ASTER GDEM（先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型），與SRTM DEM數(shù)據(jù)相比，具有諸多優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

鑒于這些優(yōu)勢(shì)，ASTER GDEM被各學(xué)科和領(lǐng)域的用戶和研究人員廣泛使用。它所提供的高分辨率、高精度的高程和地形信息對(duì)整個(gè)地球科學(xué)具有很大應(yīng)用價(jià)值。如：水文中提取地形復(fù)雜區(qū)域的流域特征信息，地貌學(xué)中提取坡度、坡向、地形起伏度等，沙丘變化定量分析等。但是ASTER GDEM中不可避免存在異常值，如：某些地區(qū)，尤其是重復(fù)數(shù)據(jù)較少的區(qū)域，如果有云的影響會(huì)造成明顯的異常值。另外，數(shù)據(jù)生產(chǎn)中的邊界堆疊使得GDEM中出現(xiàn)一些直線、洞、隆起等幾何形狀，這是異常值產(chǎn)生的一個(gè)重要因素。本文提到的異常區(qū)域，就是指由于上述這些因素造成的高程值明顯的高于或低于實(shí)際高程值的區(qū)域。ASTER GDEM版本1中大部分的異常區(qū)域高程值已由-9999替代。實(shí)際研究或應(yīng)用中還會(huì)遇到未經(jīng)替換處理的異常區(qū)域，它可通過對(duì)坡度和已有的其他DEM數(shù)據(jù)的分析判斷而得。這些異常區(qū)域的存在一定程度上影響了ASTER GDEM數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可用性。因此本文在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用時(shí)對(duì)其異常值進(jìn)行了有效處理，利用90m分辨率的SRTM DEM插補(bǔ)ASTERGDEM中的異常區(qū)域，用數(shù)據(jù)融合和空間插值的方法，基于ArcGIS的ModelBuilder工具對(duì)其進(jìn)行模型處理，以提高ASTER GDEM的可用性。

2模型方法

ASTER GDEM數(shù)據(jù)的分辨率為30米，SRTM DEM的數(shù)據(jù)分辨率為90米，兩者之間的高程差異分布不均勻、規(guī)律性不顯著。這種差異的存在直接影響到用SRTM DEM融合填補(bǔ)空洞的效果。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證異常區(qū)域外邊緣的平均高程差和區(qū)域高程差均值接近，從而能在一定程度上減小兩種數(shù)據(jù)的高程差異，而且這樣處理使得最終插值后邊界處更為連續(xù)光滑。所以本文取單個(gè)異值區(qū)域的外邊緣區(qū)域高程差的均值作為單個(gè)空洞填補(bǔ)時(shí)的高程差修正值，記為Δh。計(jì)算公式如下所示：

式中H_i表示ASTER GDEM某一像元的高程值，h_i表示相應(yīng)位置SRTM DEM的高程值，i表示ASTER GDEM中外邊緣區(qū)域像元個(gè)數(shù)。

確定ASTER GDEM的異常值范圍，對(duì)位于這一區(qū)域內(nèi)的SRTM DEM數(shù)據(jù)根據(jù)野外實(shí)際采集點(diǎn)做高程差修正，即加上高程差修正值（Ah）。然后用修正后的SRTMDEM直接融合填補(bǔ)ASTER GDEM的異常區(qū)域。由于SRTM DEM的空間分辨率為90m，直接融合填補(bǔ)后，一方面降低了異常區(qū)域數(shù)據(jù)精度，另一方面邊緣處差異明顯。為此，本文在融合的基礎(chǔ)上又做了如下插值處理。加權(quán)平均法是一種DEM逐點(diǎn)內(nèi)插的方法，它以待求點(diǎn)為中心，確定一個(gè)鄰域范圍。用落在鄰域范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)，取其局部鄰域內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的加權(quán)平均值作為待求點(diǎn)的值。計(jì)算公式如式（2）：

為了提高計(jì)算效率，把ASTER GDEM中異常區(qū)域挖空（這里把區(qū)域高程值由9000代替，即認(rèn)為-9000是空值），鎖定該區(qū)域?yàn)榇逯迪裨乃褜し秶?，然后逐像元插值。插值從異常區(qū)域的左上角第一個(gè)像元開始，判斷待插值像元在ASTER GDEM中八鄰域內(nèi)非空值的個(gè)數(shù)。如果個(gè)數(shù)大于等于4，利用加權(quán)平均法計(jì)算其高程值。否則跳過計(jì)算其他待插值像元，直至該像元滿足上述條件時(shí)再插補(bǔ)。插補(bǔ)過程中，八鄰域的高程值依賴于由SRTM DEM融合填補(bǔ)過的ASTER GDEM。從融合填補(bǔ)過的ASTERG-DEM中獲取這八個(gè)相鄰像元的高程值，并按照反距離權(quán)重法計(jì)算得到中心像元的高程值。把計(jì)算結(jié)果記錄存儲(chǔ)至ASTER GDEM的空洞以及SRTM DEM融合填補(bǔ)后的ASTER GDEM中。此后每一步的計(jì)算都建立在前面幾步中插補(bǔ)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，然后重復(fù)上述過程再從ASTERGDEM的空洞中搜尋下一個(gè)符合計(jì)算條件的像元，這樣從異常區(qū)域左上角開始逐像元侵蝕插補(bǔ)，直至ASTERGDEM異常區(qū)域內(nèi)無空值。至此，生成無異常區(qū)域的ASTER GDEM。其主要建模流程如圖2所示。

3模型計(jì)算

其GDEM前后結(jié)果如圖3、圖4所示。

4結(jié)束語

對(duì)于SRTM海量地形數(shù)據(jù)的空洞填補(bǔ)需要快捷、高效的處理方法。當(dāng)以SRTM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源制作大區(qū)域DEM時(shí)，對(duì)其作內(nèi)插處理填補(bǔ)細(xì)小空洞后，再與較低分辨率的GTOP030地形數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)融合處理填補(bǔ)剩余較大空洞，是一種切實(shí)可行的獲取完整地形數(shù)據(jù)的途徑。本文提出了利用局部修正后的SRTM DEM作反距離加權(quán)平均逐像元插補(bǔ)ASTER GDEM的異常區(qū)域的方法。其優(yōu)點(diǎn)在于：①該方法的插補(bǔ)效果較為合理，精度較好，適用范圍較廣，小區(qū)域和較大區(qū)域的插補(bǔ)都適用，可以在實(shí)際應(yīng)用中處理ASTER GDEM異常區(qū)域。②能利用SRTM DEM有效插補(bǔ)ASTER GDEM異常區(qū)域，有效提高ASTER GDEM的可用性，為科學(xué)研究及應(yīng)用提供便利。endprint