این مقاله بر کیفیت دقت عمودی دو مدل ارتفاعی دیجیتال، مربوط به منطقه کاسرین، مرکز غرب تونس تمرکز دارد. ارزیابی دقت عمودی بر اساس 23 نقطه کنترل زمینی GPS متعلق به منطقه مورد مطالعه است. ما یک رویکرد تجزیه و تحلیل آماری را اعمال کردیم و 3 پروفایل ارتفاع مربوط به GPS، ASTER و SRTM را ایجاد کردیم. تجزیه و تحلیل آماری ایجاد شده نشان می دهد که خطای میانگین مربعات ریشه (RMSE) به ترتیب برای SRTM و ASTER DTMs 8.88 و 10.13 بود. پروفایل‌های ارتفاع دوبعدی ساخته شده برای اندازه‌گیری‌های GPS، ASTER و SRTM، نشان می‌دهند که هر دو DTM ارتفاع واقعی را دست‌کم می‌گیرند و SRTM DTM کاملاً به نمایه ارتفاع GPS نزدیک‌تر است. با تکیه بر این تحقیق،

کلید واژه ها

دقت عمودی ، تونس ، DTM ، GPS ، SRTM ، ASTER

1. مقدمه

مدل دیجیتال زمین نمایشی از مقادیر پیوسته ارتفاع بر روی یک سطح توپوگرافی توسط یک آرایه منظم از مقادیر z [ 1 ] [ 2 ] است که به یک داده مشترک ارجاع داده می شود. DTM ها معمولا برای نشان دادن ویژگی های زمین استفاده می شوند.

تولید DTMها را می توان از طریق دو روش اصلی [ 3 ] به دست آورد: یا مجموعه مستقیم داده های میدانی “بررسی مستقیم” (مثلا بررسی توپوگرافی توسط GPS یا ایستگاه کل) یا سنجش از دور (مثلا LIDAR و RADAR).

دانشمندان اغلب از سنجش از دور به جای داده های بررسی مستقیم استفاده می کنند [ 4 ] – [ 9 ]. یکی از تکنیک‌های قدرتمند برای تولید مدل‌های ارتفاعی دیجیتال، رادار دیافراگم مصنوعی تداخل‌سنجی [ 10 ] است که در آن دو گذر از یک ماهواره راداری (مانند RADARSAT-1 یا TerraSAR-X یا Cosmo SkyMed)، یا اگر ماهواره مجهز به دو آنتن باشد، یک گذر است. (مانند ابزار دقیق SRTM). گسیل حرارتی پیشرفته و انعکاس رادیومتر فضایی-مدل ارتفاع دیجیتال جهانی (ASTER GDEM) تکنیک دیگری است که ممکن است در چنین مطالعه ای امکان پذیر باشد. تولید دو تکنیک آخر به دنبال یک فرآیند چهار مرحله ای انجام می شود [ 11] : منبع داده های ارتفاعی. نمونه برداری مجدد به فاصله شبکه مورد نیاز. درونیابی برای استخراج ارتفاع نقطه مورد نیاز و نمایش DEM، ویرایش و ارزیابی دقت. هر یک از این مراحل ممکن است منبع خطا باشد [ 12 ]. طبق [ 13 ] خطاها را می توان به خطاهای فاحش، خطاهای سیستماتیک و خطاهای تصادفی طبقه بندی کرد.

2. موقعیت جغرافیایی

از نظر جغرافیایی، منطقه Kasserine که بین E، 8.646 تا 9.158 و بین N، 35.075 تا 35.32 قرار دارد ( شکل 1 )، بخشی از زنجیره اطلس تونس است و به ارتفاعات مرکزی غرب تونس تعلق دارد. با ارتفاع متوسط ​​نسبتاً بالا مشخص می شود و بلندترین نقطه کوه چامبی در تونس (1544 متر) را در بر می گیرد. پست ترین نقطه این منطقه 570 متر است.

3. مجموعه داده

برای این مطالعه از دو نوع DTM، SRTM و ASTER GDEM استفاده کردیم.

3.1. SRTM

ماموریت توپوگرافی رادار شاتل (SRTM) یک پروژه مشترک بین ناسا و NGA (آژانس ملی اطلاعات جغرافیایی) برای نقشه برداری سه بعدی از جهان است. SRTM از یک رادار تصویربرداری فضایی دوگانه (SIR-C) و یک رادار دیافراگم مصنوعی دو باند X (X-SAR) که به عنوان تداخل سنج پایه پیکربندی شده است، استفاده می کند و همزمان دو تصویر را دریافت می کند. در صورت ترکیب، این تصاویر می توانند یک تصویر سه بعدی را تولید کنند. SRTM که در 11 تا 22 فوریه 2000 بر روی شاتل فضایی ناسا پرواز کرد، با موفقیت داده های بیش از 80 درصد از سطح زمین را برای تمام منطقه ای که بین عرض های جغرافیایی 60 درجه شمالی و 56 درجه جنوبی امتداد دارد جمع آوری کرد [ 14 ].

داده‌های SRTM برای تولید یک نقشه توپوگرافی دیجیتال از سطح زمین [ 15 ] با نقاط داده‌ای که در هر 3 ثانیه قوس برای پوشش جهانی عرض و طول جغرافیایی (تقریباً 90 متر) فاصله دارند، استفاده می‌شود. داده های “تمام” SRTM دقت مطلق افقی و عمودی 20 متر را برآورده می کند (خطای دایره ای در 90٪

شکل 1 . موقعیت منطقه مطالعه

اطمینان) و 16 متر (خطای خطی در اطمینان 90٪) به ترتیب، همانطور که توسط ماموریت مشخص شده است. دقت عمودی در واقع به طور قابل توجهی بهتر از 16 متر است. به ± 10 متر نزدیک تر است.

3.2. Aster GDEM

وزارت اقتصاد، تجارت و صنعت (METI) ژاپن و سازمان ملی هوانوردی و فضایی ایالات متحده (ناسا) مشترکاً از انتشار دستگاه پرتو سنج پیشرفته تابش گرمایی و انعکاس فضایی (ASTER) نسخه 2 مدل ارتفاع دیجیتال جهانی خبر دادند. GDEM V2) در 17 اکتبر 2011.

اولین نسخه ASTER GDEM که در ژوئن 2009 منتشر شد، با استفاده از تصویر جفت استریو جمع‌آوری‌شده توسط دستگاه ASTER در داخل Terra تولید شد. پوشش ASTER GDEM از 83 درجه عرض شمالی تا 83 درجه جنوبی، شامل 99 درصد خشکی زمین است [ 16 ].

GDEM V2 بهبودیافته 260000 جفت استریو اضافه می‌کند که پوشش را بهبود می‌بخشد و بروز مصنوعات را کاهش می‌دهد. الگوریتم تولید تصفیه شده وضوح فضایی بهبود یافته، افزایش دقت افقی و عمودی، و پوشش و تشخیص برتر بدنه آب را فراهم می کند. ASTER GDEM V2 فرمت GeoTIFF و همان شبکه‌بندی و ساختار کاشی V1 را با پست‌های 30 متری و کاشی‌های 1 × 1 درجه حفظ می‌کند [ 17 ].

نسخه 2 پیشرفت های قابل توجهی را نسبت به نسخه قبلی نشان می دهد. با این حال، به کاربران توصیه می‌شود که داده‌ها حاوی ناهنجاری‌ها و مصنوعاتی هستند که مانع کارایی استفاده در برنامه‌های خاص می‌شوند. داده‌ها «همان‌طور که هستند» ارائه می‌شوند و نه ناسا و نه سیستم‌های فضایی METI/ژاپن (J-spacesystems) مسئول هر گونه آسیب ناشی از استفاده از داده‌ها نیستند [ 18 ].

به عنوان کمکی از METI و NASA به سیستم جهانی رصد زمین (GEOSS)، داده‌های ASTER GDEM V2 به صورت رایگان در دسترس کاربران سراسر جهان از مرکز بایگانی فعال فرآیندهای زمین (LP DAAC) و J-spacesystems در دسترس است.

3.3. مرجع DEM

برای ارزیابی دقت DTM، SRTM و ASTER GDEM، داده‌های میدانی بسیار دقیق (حداقل سه برابر دقیق‌تر از افراد مورد آزمایش) مورد نیاز است [ 4 ]. در واقع، ما از اندازه گیری های جمع آوری شده توسط GPS از اداره توپوگرافی و کاداستر تونس استفاده می کنیم. این اندازه گیری ها بسیار قابل اعتماد و بسیار دقیق هستند. آنها همچنین در زمان واقعی سینماتیک (RTK GPS) با دقت سانتی متری استفاده شده اند.

OTC تونس 23 نقطه اندازه گیری GPS را فراهم می کند، همانطور که در ( شکل 2 ) نشان داده شده است، که به خوبی روی نقاط مورد مطالعه کشیده شده است.

شکل 2 . توزیع ایستگاه های اندازه گیری GPS.

حوزه. برای دقت خوب، موقعیت رقیق سازی دقت (PDOP) رعایت شده است و از 2 تجاوز نکرده است.

4. روش شناسی

در این تحقیق از رویکرد زمین استاتیکی استفاده شده است. برای این منظور، مقادیر داده‌های ارتفاع Z را که از GPS و DTM (ASTER GDEM و SRTM) می‌آیند، مقایسه می‌کنیم. این مقایسه بر اساس تفاوت میانگین بین ZGPS و ZSRTM، ZASTER GDEM و ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و همچنین انحراف استاندارد است.

برای انجام این مقایسه، اندازه‌گیری‌های GPS پیش‌بینی‌شده در سیستم جهانی متقاطع مرکاتور (UTM) مربوط به ارتفاع بیضی‌شکل و به‌عنوان سیستم ژئودیتی جهانی (WGS 84) به ارتفاع هورتومتریک تبدیل شدند [ 19 ]. در این مورد، ارتفاع زمین از هر داده ردیف GPS کسر می شود. پس از انجام این کار، مطمئن شدیم که داده‌های GPS و DTM دارای همان داده عمودی مرجع هستند که مدل ژئوپتانسیل زمین (EGM 1996) است [ 19 ]. فرآیند تبدیل از بیضی به ژئودتیک توسط ماشین حساب EGM96 (نسخه 1.0) ارائه شده توسط آژانس تصویربرداری و نقشه برداری ملی (NIMA) و سازمان ملی هوانوردی و فضایی (NASA) انجام می شود.

به منظور ارزیابی هر دقت DTM در مقابل داده های GPS، یک مقدار Z از داده های شطرنجی پیکسل استخراج شده و با ZGPS مقایسه می شود. این مرحله از طریق نرم افزار Spatial Analyst Tools of Arc GIS انجام می شود.

در نهایت، توزیع خطا بین دو DTM با استفاده از بسته ژئواستاتیک تحلیل می‌شود. توزیع خطا در برابر نمودار Quantile-Quantile رسم می شود تا بر رابطه بین این توزیع و مدل تئوری (توزیع خطی) تأکید شود.

نمودار جریان ( شکل 3 ) در زیر پارادایم روش بکار رفته در این مطالعه را خلاصه می کند.

شکل 3 . نمودار جریان متدولوژی.

5. نتایج و بحث

مطالعه مقایسه ای بین داده های GPS و SRTM، ASTER GDEM بر دست کم گرفتن مقدار ارتفاع DTM ها همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است ( جدول 1 ) تاکید می کند. SRTM کمترین میانگین انحراف را ثبت می کند.

از نقطه نظر آماری، میانگین تفاوت بین GPS و ASTER 2.11- است در حالی که بین GPS و SRTM فقط 1.85- است ( شکل 4 ).

محاسبه انحراف استاندارد برای ارزیابی توزیع استفاده می شود

اندازه گیری حول یک مقدار متوسط ​​معین به عبارت دیگر، تخمینی از انحراف میانگین در برابر گرایش مرکزی است.

انحراف استاندارد ASTER-GPS 6.78 است ( شکل 4 ). از این رو، میانگین انحراف بین 4.67 و -8.89 (6.78 ± 2.11-) است در حالی که انحراف استاندارد SRTM-GPS 9.41 است ( شکل 4 ). از این رو، میانگین انحراف بین 7.56 و 11.26 (9.41 ± 1.85-) است.

ارزیابی دقیق DTM از طریق جمع‌آوری خطای میانگین مربعات ریشه انجام می‌شود

. مقدار RMSE محاسبه شده ASTER 10.13 است ( شکل 4 ) در حالی که SRTM محاسبه شده است

مقدار RMSE 8.88 است ( شکل 4 ). با تکیه بر این نتیجه، ما تاکید می کنیم که دقت SRTM DTM بهتر و قابل اعتمادتر از ASTER DTM است.

نمودارهای شکل 5 (الف) و شکل 5 (ب) شیب خطی و مثبت هر دو DTM (Aster و SRTM) و ارتفاع GPS را نشان می دهند. وجود این رابطه مثبت (شیب) بین دو متغیر (DEMs و ارتفاع GPS) ثابت می کند که هر دو متغیر در یک جهت حرکت می کنند.

مقادیر ضریب همبستگی ( شکل 5 ) به تفسیر روابط موجود بین متغیرها (DEMs و ارتفاع GPS) از نظر تغییرات کمک می کند. یعنی در نمودار ارتفاع ASTER در برابر ارتفاع GPS ضریب همبستگی 0.98 است. این مقدار نشان می دهد که 98.00٪ از تغییرات ارتفاع Aster با تغییر ارتفاع GPS توضیح داده می شود. در مورد ارتفاع SRTM در برابر داده های ارتفاعی GPS، 99.0 درصد از تغییرات ارتفاع SRTM و ارتفاع GPS را می توان برای منطقه مورد مطالعه توضیح داد. به لطف چنین نتیجه ای، ما فرض می کنیم که SRTM نسبت به ASTER کمی بهتر با مرجع ارتباط دارد.

هدف از نمودار QQ (Quantile-Quantile) ( شکل 6 ) تأکید بر انطباق بین توزیع خطای تجربی و نظری است. در واقع، این توزیع تمایل به تطابق با توزیع نظری دارد، اما با نقاطی که شکل سیگموئیدی را نشان می‌دهند ( شکل 6 ).

پروفیل ارتفاعی نشان داده شده در شکل 7 شباهت شکل بین تمام DTM ها را با یک تفاوت کاملاً جزئی نشان می دهد. همچنین دوباره نشان می دهد که پروفایل های SRTM و ASTER ارتفاع واقعی GPS اندازه گیری شده را دست کم می گیرند. علاوه بر این، مشخصات ظاهری SRTM کاملاً نزدیک‌ترین مشخصات به GPS است، نتیجه‌ای که قبلاً توسط مطالعه آماری مشخص شده بود.

6. نتیجه گیری

SRTM و ASTER DEM که در منطقه Kasserine، مرکز غرب تونس ایجاد شده‌اند، از نظر دقت عمودی مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند.

هر دو DEM کیفیت قابل توجهی را نشان می دهند و ممکن است برای کاربردهای ژئوماتیک در منطقه مورد مطالعه مناسب در نظر گرفته شوند.

تجزیه و تحلیل مقایسه ای با نقاط کنترل زمینی GPS به ترتیب 8.88 و 10.13 برای SRTM و ASTER از نظر RMSE آنها است که برای SRTM برای مدلسازی ژئوماتیک زمین منطقه Kasserine مدعی است.

شکل 4 . خلاصه آمار ASTER و SRTM. (الف) توزیع ZSRTM-ZGPS؛ (الف) هیستوگرام خطاهای ارتفاع و آمار توصیفی مربوط به SRTM. (ب) توزیع ZASTER-ZGPS. (ب) هیستوگرام خطاهای ارتفاع و آمار توصیفی مربوطه نسبت به ASTER. خط قرمز یکدست نشان دهنده منحنی چگالی متناسب است.

شکل 5 . همبستگی بین مقادیر Z. (الف) Z GPS در مقابل Z SRTM، (ب) Z GPS در مقابل Z ASTER.

شکل 6 . نمودار QQ ناحیه کاسرین که توزیع خطا را برای (الف) SRTM و (ب) ASTER نشان می‌دهد. خط قرمز یکدست نشان دهنده توزیع نرمال نظری است.

شکل 7 . مشخصات ارتفاع GPS، ASTER و SRTM.

دقت خوب SRTM در مقایسه با ASTER در منطقه مورد مطالعه احتمالاً با عدم وجود پوشش گیاهی توضیح داده می شود.

منابع

[ 1 ] Chang، HC، Li، X. و Ge، L. (2010) ارزیابی SRTM، ACE2 و ASTER-GDEM با استفاده از RTK-GPS. مجموعه مقالات پانزدهمین کنفرانس سنجش از دور و فتوگرامتری استرالیا، آلیس اسپرینگز، 13-17 سپتامبر 2010.
[ 2 ] Guth، PL (2006) ژئومورفومتری از SRTM-Comparison تا NED. مهندسی فتوگرامتری و سنجش از دور، 72، 269-277. https://dx.doi.org/10.14358/PERS.72.3.269
[ 3 ] Li, J., Chapman, MA and Sun, X. (2006) اعتبارسنجی مدل‌های ارتفاع دیجیتال مشتق شده از ماهواره از تصاویر استریو IKONOS در مسیر. وزارت حمل و نقل انتاریو، تورنتو
[ 4 ] Maune، DF، Ed. (2007) فناوری ها و کاربردهای مدل دیجیتالی ارتفاع: کتابچه راهنمای کاربر DEM. ویرایش دوم، Asprs Pubns، Bethesda، MD.
[ 5 ] Hirt, C., Filmer, MS and Featherstone, WE (2010) مقایسه و اعتبارسنجی مدل‌های ارتفاعی دیجیتال ASTER GDEM نسخه 1، SRTM نسخه 1، SRTM نسخه 4.1 و GEODATA DEM-9S ver3 در استرالیا. مجله استرالیایی علوم زمین، 57، 337-347.
[ 6 ] میلیارسیس، جی.چ. و Paraschou، CVE (2005) دقت عمودی SRTM DTED سطح 1 کرت. مجله بین المللی مشاهده کاربردی زمین و اطلاعات جغرافیایی، 7، 49-59.
https://dx.doi.org/10.1016/j.jag.2004.12.001
[ 7 ] Frey, H. and Paul, F. (2012) در مورد مناسب بودن SRTM DEM و ASTER GDEM برای گردآوری پارامترهای توپوگرافی در فهرستهای یخچالهای طبیعی. مجله بین المللی مشاهده کاربردی زمین و اطلاعات جغرافیایی، 18، 480-490.
[ 8 ] Miliaresis، GC و Paraschou، CVE (2011) ارزیابی دقت GDEM ASTER و نقش تعداد پشته: مطالعه موردی جزیره نیسیرو، یونان. حروف سنجش از دور، 2، 127-135. https://dx.doi.org/10.1080/01431161.2010.503667
[ 9 ] فری، م.، مقراوی، م.، ابو کرکی، ن.، التاج، م.، عموش، ح.، الضایسط، س. و برجوس، م. (2007) نرخ لغزش طولانی 48 کی تاریخچه بخش دره جردن از گسل دریای مرده. نامه های علوم زمین و سیاره، 260، 394-406. https://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2007.05.049
[ 10 ] Shortridge، A. and Messina، J. (2011) ساختار فضایی و ارتباط منظر خطای SRTM. سنجش از دور محیط زیست، 115، 1576-1587. https://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2011.02.017
[ 11 ] Hebeler, F. and Purves, RS (2009) تأثیر عدم قطعیت ارتفاع بر استخراج شاخص های توپوگرافی. ژئومورفولوژی، 111، 4-16. https://dx.doi.org/10.1016/j.geomorph.2007.06.026
[ 12 ] Rexer, M. and Hirt, C. (2014) مقایسه مجموعه داده های ارتفاع دیجیتال رایگان با وضوح بالا (ASTER GDEM2, SRTM v2.1/v4.1) و اعتبارسنجی در برابر ارتفاعات دقیق از پایگاه داده گرانشی ملی استرالیا. مجله استرالیایی علوم زمین، 61، 213-226.
https://dx.doi.org/10.1080/08120099.2014.884983
[ 13 ] فیشر، پی‌اف و تیت، نیوجرسی (2006) علل و پیامدهای خطا در مدل‌های ارتفاعی دیجیتال. پیشرفت در جغرافیای فیزیکی، 30، 467-489. https://dx.doi.org/10.1191/0309133306pp492ra
[ 14 ] Jarvis, A., Reuter, HI, Nelson, A. and Guevara, E. (2008) Hole-Filled SRTM for the Globe Version 4.CGIAR-CSI SRTM 90 m Database. https://srtm.csi.cgiar.org
[ 15 ] Slater, JA, Garvey, G., Johnston, C., Haase, J., Heady, B., Kroenung, G. and Little, J. (2006) فرآیند و محصولات “پایان” داده های SRTM. مهندسی فتوگرامتری و سنجش از دور، 72، 237-244. https://dx.doi.org/10.14358/PERS.72.3.237
[ 16 ] Fujisada, H., Bailey, GB, Kelly, GG, Hara, S. and Abrams, MJ (2005) ASTER DEM Performance. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 43, 2707-2714.
https://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2005.847924
[ 17 ] Team ASTER GDEM Validation (2011) ASTER Global Digital Elevation Model Version 2-Summary of Validation Results. https://lpdaac.usgs.gov/
[ 18 ] Slater, JA, Heady, B., Kroenung, G., Curtis, W., Haase, J., Hoegemann, D., Shockley, C. and Kevin, T. (2009) ارزیابی مدل جدید ارتفاع دیجیتال جهانی ASTER . آژانس ملی اطلاعات جغرافیایی، رستون.
[ 19 ] Mukherjee, S., Joshi, PK, Mukherjee, S., Ghosh, A., Garg, RD and Mukhopadhyay, A. (2013) Evaluation of Vertical Accuracy of Open Source Digital Elevation Model (DEM). مجله بین المللی مشاهده کاربردی زمین و اطلاعات جغرافیایی، 21، 205-217. https://dx.doi.org/10.1016/j.jag.2012.09.004

مقالات داخلی و بین المللی

مطالب مرتبط ...

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید