ارزيابي دقت مدل‌هاي رقومي ارتفاعي SRTM و GDEM با استفاده از مدل رقومي ارتفاعي NIDEM

Validation of GDEM and SRTM Accuracy Based on NIDEM Model

هدف اصلي اين پژوهش بررسي دقت و صحت ويرايش اول و دوم مدل‌هاي رقومي ارتفاعي استخراجي از ماهواره آستر (GDME1, 2009; GDEM2, 2011) با دقت تفكيك مكاني 30 متر و مقايسه آن با مدل رقومي SRTM (تفكيك مكاني 90 متر) و مدل رقومي تهيه‌شده به‌وسيله سازمان نقشه‌برداري كشور (تفكيك مكاني 10 متر) است. به اين منظور سه نوار مطالعاتي كه دربرگيرنده نواحي‌اي از كشور با خصوصيات ژيومورفولوژي مختلف‌اند انتخاب شدند و مدل‌هاي مذكور در اين سه نوار مورد بررسي قرار گرفتند. پس از حذف محدوده درياچه‌ها، هر سه لايه به روش موسوم به كوبيك به مدل‌هاي رقومي با دقت مكاني يك آرك ثانيه تبديل شده‌اند. همچنين لايه‌هاي تفاضلي بين مدل‌هاي رقومي مختلف محاسبه گرديد و توزيع خطا در گستره محدوده‌هاي مطالعاتي در مدل‌‌هاي مختلف به صورت دو به دو بررسي شد. با استفاده از دياگرام پراكندگي بين مدل‌هاي رقومي مختلف و بررسي ابر پراكنش آنها، به مطالعه نوع و ميزان خطاهاي مختلف پرداخته شد. براي مقايسه بصري بهتر، مدل سايه روشن ارتفاعي سه‌بعدي و نيمرخ‌هاي توپوگرافي در امتداد خطاهاي شناسايي‌شده براي هر سه مدل رقومي ترسيم گرديد. نتايج اين تحقيق نشان داده است كه مدل 1GDEM داراي خطاهاي عمده‌اي در مقايسه با مدل SRTM است كه بيشتر از ماهيت و نحوه تهيه اين مدل ناشي مي‌شود. نتايج حاكي از انواع ناهنجاري‌ها همچون خطاي پله‌اي، ناهنجاري‌هاي حفره‌اي، برامدگي و برآمدگي‌هاي حفره‌دار است كه در مرز بين زون‌هاي دو استاك مختلف ايجاد شده‌اند. دامنه خطاي اين ناهنجاري‌ها از چند ده متر تا بيش از 300 متر مشاهده مي‌شود. نتايج اين پژوهش در عين حال نشان داد كه ميانگين خطاي مدل 1GDEM در حدود 8/4 متر با انحراف استاندارد 8/13 متر، و در سطح اطمينان 95 درصد دامنه تغييرات آن بين 9/31 و 3/22- متر است. بررسي مدل رقومي 2GDEM نشان از بهبود جدّي كيفيت اين مدل در قياس با ويرايش قبلي دارد. در مدل 2GDEM بسياري از خطاهاي ويرايش نخست حذف شده و ميانگين خطاي آن كمتر از 3 متر با انحراف استاندارد 1/9 متر است كه در سطح اطمينان 95 درصد دامنه تغييرات آن بين 8/14 و 8/20- متر خواهد بود. بررسي مدل رقومي SRTM نشان داده است كه ميانگين خطاي آن كمتر از 2 متر با انحراف استاندارد 7/8 متر، و در سطح اطمينان 95 درصد دامنه تغييرات ميانگين بين 1/19 و 1/15- متر است. نتايج نشان مي‌دهد مدل 1GDEM به‌رغم آنكه با تفكيك مكاني 30 متر منتشر شده است، عملاً فاقد جزييات مدل رقومي ارتفاعي 30 متري است و كاربرد آن محدوديت‌هاي عمده‌اي دارد. همچنين مدل 2GDEM با توجه به رفع بسياري از مشكلات ويرايش نخست دقت مناسبي در مقايسه با SRTM و NIDEM دارد و صرف‌نظر از خطاهاي با دامنه كوتاه (نويز) اين مدل در صورت اطمينان از نبود خطاهاي محلي مي‌تواند به عنوان مدل رقومي ارتفاعي سي‌متري به كار رود. كليد‌واژه‌ها: SRTM، NIDEM، 2GDEM، 1GDEM، مدل رقومي ارتفاعي، ناهنجاري.

Abstract The main goal of the study is evaluation of accuracy and precision of both versions of global digital elevation model (GDEM1, 2009; GDEM2, 20119) with 30m ground resolution and comparison of it with SRTM model (with 90 m resolution) and DEM produced by National Cartographic Center of Iran (or NIDEM with 10 m resolution). In order to achieve the goals mentioned, three different strips with various geomorphic characteristics have been selected and studied. After inland waters omission, all three models are resampled to models with one arc seconds resolution. In addition, differential layers of various DEM have been calculated and the distribution of errors in each strip has been investigated. Various types of errors and their spatial distributions in models are distinguished using scatter diagrams and scatter clouds. For visualizing of DEMʹs error, Hill shade models and topographic profile along selected errors has been prepared for all models. The results of the study showed that GDEM1 leads to significant errorʹs respect to SRTM, which is related to the method of production. The results also showed that various types of anomalies such as "Step-anomalies", "Pit-anomalies", "Bump-anomalies" and "Pit-in-Bump anomalies" are clearly related to the stack number boundaries. The error ranges of the mentioned anomalies are from ten meters to more than 300. The mean of error in GDEM1 is 4.8 m with standard deviations equal to 13.8 m which its range in 95% confidence is between -22.3 to 31.9 m. Analysis of GDEM2 showed a significant improvement in quality of model respect to previous version. The mean of error in GDEM2 is less than of 3 m with standard deviations equal to 9.1 m which its range in 95% confidence is between -20.8 to 14.8 m. In comparison, the mean of error in SRTM is 2.0 m with standard deviations equal to 8.7 m which its range in 95% confidence is between -15.1 to 19.1 m. Moreover, the study showed GDEM1 was not as sharp as a standard 30 m resolution DEM and appeared to contain fewer spatial details. On the other hand, most of the errors in GDEM2 have been omitted and revealed an acceptable accuracy