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利用全球开源数字高程模型的高程误差预测数据集

余翠琳 王青松 钟梓炫 张君豪 赖涛 黄海风

余翠琳, 王青松, 钟梓炫, 张君豪, 赖涛, 黄海风. 利用全球开源数字高程模型的高程误差预测数据集[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT240062
引用本文: 余翠琳, 王青松, 钟梓炫, 张君豪, 赖涛, 黄海风. 利用全球开源数字高程模型的高程误差预测数据集[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT240062
YU Cuilin, WANG Qingsong, ZHONG Zixuan, ZHANG Junhao, LAI Tao, HUANG Haifeng. Elevation Error Prediction Dataset Using Global Open-source Digital Elevation Model[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT240062
Citation: YU Cuilin, WANG Qingsong, ZHONG Zixuan, ZHANG Junhao, LAI Tao, HUANG Haifeng. Elevation Error Prediction Dataset Using Global Open-source Digital Elevation Model[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT240062

利用全球开源数字高程模型的高程误差预测数据集

doi: 10.11999/JEIT240062
基金项目: 国家自然科学基金(62273365, 62071499),“小米青年学者”项目(添加项目编号) 该项目无编号
详细信息
    作者简介:

    余翠琳:女,博士生,研究方向为机器学习交叉应用、多源信息融合和遥感数据处理

    王青松:男,博士,副教授,研究方向为遥感图像精化处理、智能视觉导航、协同探测感知与信息融合

    钟梓炫:男,本科生,研究方向为遥感数据处理

    张君豪:男,本科生,研究方向为遥感数据处理

    赖涛:男,博士,副教授,研究方向为SAR成像雷达系统设计与信息处理

    黄海风:男,博士,教授,研究方向为空间电子和智能感知领域关键技术

    通讯作者:

    王青松 wangqs5@mail.sysu.edu.cn

  • 中图分类号: TP7

Elevation Error Prediction Dataset Using Global Open-source Digital Elevation Model

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62273365, 62071499), Xiaomi Young Talents Program
  • 摘要: 数字高程模型(DEM)校正一直是遥感地学研究中的重要内容,近年来蓬勃发展的机器学习新方法为DEM高程误差校正提供了新的解决途径。由于机器学习等人工智能方法依赖大量的训练数据,考虑到目前缺少大区域公开的、统一的、大规模和规范化多源 DEM 高程误差预测数据集,针对数据集缺失的问题,该文公开了多源DEM高程误差预测数据集(DEEP-Dataset)。该数据集包括4个子数据集,分别基于中国广东省研究区域的 数字高程测量的 TerraSAR-X 附加组件(TanDEM-X) DEM和先进陆地观测卫星世界3D-30米(AW3D30) DEM以及澳大利亚北领地研究区域的 航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM) DEM和先进星载热发射和反射辐射计全球数字高程模型 (ASTER) DEM构成。其中,广东省研究区域的样本数量约为40 000,北领地研究区域的样本数约量为1 600 000。数据集中的每个样本均由10个特征组成,涵盖了地理空间、地物种类以及地表形态等特征信息。通过设置机器学习模型测试、DEM校正以及特征重要性评估等对比实验,验证了DEEP-Dataset在实际模型训练和DEM校正中的有效性,也证明了该数据集的合理性和丰富性。
  • 图  1  广东省区域内ICESat-2控制点分布、TanDEM-X DEM和AW3D30 DEM

    图  2  澳大利亚北领地区域内ICESat-2控制点分布、SRTM DEM和ASTER DEM

    图  3  DEEP-Dataset构建流程图

    图  4  不同DEM校正前后的高程误差的对比

    图  5  不同地形因子特征分布图

    图  6  DEEP-Dataset不同子数据集的特征重要性权重分布

    表  1  DEM和ICESat-2产品基本属性介绍

    DEM 传感器类型 空间分辨率(m) 坐标系 覆盖范围
    SRTM 雷达 30 WGS84 $ 56^\circ {\text{S}}\~60^\circ {\text{N}} $
    ASTER 光学 30 WGS84 $ 83^\circ {\text{S}}\~83^\circ {\text{N}} $
    TanDEM-X 雷达 30 WGS84 $ 90^\circ {\text{S}}\~90^\circ {\text{N}} $
    AW3D30 光学 30 WGS84 $ 84^\circ {\text{S}}\~84^\circ {\text{N}} $
    ICESat-2 激光 WGS84 $ 88^\circ {\text{S}}\~88^\circ {\text{N}} $
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    表  2  DEEP-Dataset介绍

    研究区域面积(km2)地形特点DEM样本数量特征属性目标变量
    中国广东省179 725高山、丘陵、台地和平原TanDEM-X18 415经度、纬度、地物种类、坡度、
    坡向、坡位、地形起伏度、地表粗糙度、
    坡度变率、坡向变率
    高程误差
    AW3D3018 439
    澳大利亚北领地1 420 968平原、高原、山地和沙漠SRTM795 391
    ASTER795 495
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    表  3  ICESat-2 激光控制点粗筛标准

    指标 参考值
    与原有参考 DEM 对比高差 abs(h_te_best_fit–dem_h)<30 m
    表征地表高度统计量之间的差距 max_diff(h_te_best_fit, h_te_interp, h_median)<0.5
    地表光子绝对数量和占比 n_te_ photons >50, ratio_te_photos>50%
    云量 cloud_flag_atm <10%
    h_uncertainty 离群值筛除 <2×RMSE (h_uncertainty)
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    表  4  特征属性介绍

    特征属性 公式 含义说明 符号
    经度 / 经度是从本初子午线向东或向西测量的角度。 X
    纬度 / 纬度是从赤道向北或向南测量的角度。 Y
    地物种类 / 表示DEM单元格内覆盖的地表类型,如森林、城市、水体等9种。 $ \omega $
    坡度 $ \arctan \left( {\sqrt {{{\left( {\dfrac{{\partial Z}}{{\partial X}}} \right)}^2} + {{\left( {\dfrac{{\partial Z}}{{\partial Y}}} \right)}^2}} } \right) $ 坡度是指坡面的倾斜与陡峭程度,即高程变化值与距离的比值。Z是高程值,XY分别是东西方向和南北方向的空间坐标。$ (\partial Z/\partial X) $和$ (\partial Z/\partial Y) $表示沿格网的高程变化率。 $ \theta $
    坡向 $ {\text{a}}\tan 2\left( {\dfrac{{\partial Z}}{{\partial Y}},\dfrac{{\partial Z}}{{\partial X}}} \right) $ 坡向是指地面某一点的最大降水方向,即水流从该点流向的方向。atan2是两参数的反正切函数,处理了四个象限的坡向计算。 $ \kappa $
    坡位 / 坡位是指某一点相对于周围点的高度位置,通过分析邻近的坡度和高程值来确的,没有固定的公式,需要确定局部最大值和最小值以识别山脊、山谷和山坡。 $ \mu $
    地形起伏度 $ {Z_{{\text{ref}}}}(i,{\text{ }}j){\text{ }} = {Z_{{\text{max}}}} - {Z_{{\text{min}}}} $ 地形起伏度是指在一个特定的区域内,最高点海拔高度Zmax与最低点海拔高度Zmin的差值。 $ \alpha $
    地表粗糙度 $ \sqrt{\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum _{i=1}^{n}{\left({Z}_{i}-\overline{Z}\right)}^{2}} $ 地表粗糙度是指地表表面的不规则程度,即地表表面起伏程度的大小。$ {Z_i} $是邻近像素的高程值,$ \bar Z $是这些高程值的平均,n是像素数量。 $ \beta $
    坡度变率 $ \sqrt{\dfrac{1}{n}\displaystyle\sum _{i=1}^{n}{\left({\theta }_{i}-\overline{\theta }\right)}^{2}} $ 坡度变率是指地面坡度在微分空间的变化率。$ {\theta _i} $是周围像素的坡度值,$ \bar \theta $是平均坡度值,n是周围像素的数量。 $ \varphi $
    坡向变率 $ \sqrt {{\text{Var}}(\cos (\kappa )) + {\text{Var}}(\sin (\kappa ))} $ 坡向变率是提取坡向基础上提取坡向的变化率。$ \kappa $是坡向角度值,Var是方差。 $ \lambda $
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    表  5  中国广东省研究区域模型测试和DEM校正实验结果

    单位DEM校正前(m)方法模型测试DEM校正后(m)提升精度(%)
    TanDEM-XAW3D30TanDEM-XAW3D30TanDEM-XAW3D30TanDEM-XAW3D30
    MAE4.7343.094RF3.9312.5133.5242.87625.567.05
    ET3.8792.5223.0252.47136.1020.14
    ANN4.1572.8214.6142.6722.5313.64
    BA3.9352.5153.5071.83825.9240.59
    SD8.3884.711RF6.8814.2237.8254.5426.713.59
    ET6.8354.2127.9004.5785.822.82
    ANN7.2824.7758.3764.7600.14-1.04
    BA6.8824.2137.8043.9526.9616.11
    RMSE8.3884.712RF6.8814.2257.8264.5436.703.59
    ET6.8364.2147.9014.5905.812.59
    ANN7.2874.7828.3814.7610.08-1.04
    BA6.8834.2137.8103.9636.8915.90
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    表  6  澳大利亚北领地研究区域模型测试和DEM校正实验结果

    单位DEM校正前(m)方法模型测试DEM校正后(m)提升精度(%)
    SRTMASTERSRTMASTERSRTMASTERSRTMASTER
    MAE2.3416.507RF0.8921.9982.036 3.282 13.0349.56
    ET0.8931.9970.3950.84083.1387.09
    ANN1.0602.6461.1273.65951.8643.77
    BA0.8831.9170.5591.31976.1279.73
    SD2.9557.756RF1.3142.8002.5864.289 12.4944.70
    ET1.3152.8130.9722.36167.1169.56
    ANN1.4933.5732.4364.79817.5638.14
    BA1.3112.7061.0192.26865.5270.76
    RMSE2.9607.762RF1.3152.8012.586 4.289 12.6444.74
    ET1.3172.8160.9732.36267.1369.57
    ANN1.4943.5732.4374.80717.6738.07
    BA1.3122.7081.0202.26965.5470.77
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-29
  • 修回日期:  2024-06-24
  • 网络出版日期:  2024-07-01

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