Srovnání digitálního modelu terénu TanDEM-X a výškových měření ICESat-2

Václav Žák

Bachelor's thesis

Elevation comparisons of TanDEM-X digital elevation model and ICESat-2 laser altimetry

Abstract:

Digitální výškové modely reprezentující povrch Země jsou v dnešní době nezbytnou součástí nespočtu činností. Mezi obory, které výškové modely intenzivně využívají, lze zahrnout například geologii, lesnictví, glaciologii, oceánografii či hydrologii. Jedním ze stále častěji využívaných modelů je relativně nedávno vytvořený TanDEM-X DEM, který je volně dostupný a dosahuje velmi vysoké výškové i horizontální přesnosti. Tato práce se zaměřuje na validaci digitálního modelu TanDEM-X výškovými měřeními laserovým altimetrem ICESat-2 v oblasti střední Evropy. TanDEM-X DEM lze považovat za model povrchu. Cílem práce tedy bylo ověřit přesnost s jakou TanDEM-X reprezentuje terén v oblastech bez vegetace a zároveň validovat do jaké míry podhodnocuje výšku vegetace v lesích. TanDEM-X DEM byl porovnáván ve dvou rozlišeních, 12 a 90 metrů (dále jen TDX12/TDX90) s produktem ATL08, ze kterého byla brána metrika reprezentující výšku vegetace – h_canopy_abs (dále jen ATL08-Vegetace) a výšku terénu h_te_best_fit (dále jen ATL08-Terén). Přesnost TDX12 a TDX90 vycházela ve většině analýz velmi podobně, proto jsou dále uvedeny jen výsledky pro TDX12. V porovnání TDX12 s ATL08-Terén TDX12 mají tendenci terén nadhodnocovat. Pro celou oblast jsou průměrné hodnoty ME 6,97m, pro lesy 14,15m a pro zemědělské plochy 2,4m. (Dále jsou tyto hodnoty v pořadí: zájmová oblast – lesy – zemědělské plochy). Při porovnání s ATL08-Vegetace jsou hodnoty obrácené, v tomto případě ME vyšlo -11,67m, -12,17m a -11,75m, proč tomu tak je se zatím nepodařilo ověřit. RMSE v porovnání s ATL08-Terén vyšla 12,92m, 17,76m a 7,9m. Pro ATL08 Vegetace byla naměřena tato hodnota 15,86m, 16,12m a 15,77m. Dále byla zhodnocena celková přesnost měření s ohledem na sklon terénu. Výsledky ukazují, že přesnost TanDEM-X DEM klesá s narůstajícím sklonem terénu. Přestože má verze TDX12 několikanásobně lepší rozlišení, než TDX90, rozdíl měření v této práci je zanedbatelný. V závislosti na krajinném pokryvu dosáhl model TanDEM-X DEM v obou rozlišeních nejpřesnějších výsledků na zemědělských plochách vůči měření ATL08-Terén.

Abstract:

Digital elevation models representing the Earth's surface are an essential part of countless activities today. Some of the disciplines using the elevation models include geology, forestry, glaciology, oceanography and hydrology. One model that is increasingly used is the relatively recently developed TanDEM-X DEM, which is freely available and achieves very high elevation and horizontal accuracy. This paper focuses on the validation of the TanDEM-X digital model by altitude measurements with the ICESat-2 laser altimeter in the Central European region. TanDEM-X DEM can be considered as a surface model. The aim of the work was therefore to verify the accuracy with which TanDEM-X represents the terrain in areas without vegetation and to validate to what extent it underestimates the height of vegetation in forests. The TanDEM-X DEM was compared at two resolutions, 12 and 90 meters (hereafter TDX12/TDX90) with the ATL08 product, from which metrics representing vegetation height, h_canopy_abs (hereafter ATL08-Vegetation) and terrain height, h_te_best_fit (hereafter ATL08-Terrain) were taken. The accuracy of TDX12 and TDX90 came out very similarly in most analyses, so only results for TDX12 are shown below. When comparing TDX12 to ATL08-Terrain, TDX12 tends to overestimate terrain. The average ME values for the whole area are 6.97m, 14.15m for forests and 2.4m for agricultural areas. (In the following, these values are in the order: area of interest - forests - agricultural areas). When compared with ATL08-Vegetation the values are reversed, in this case the ME came out -11.67m, -12.17m and -11.75m respectively, why this is the case has not yet been verified. RMSE compared to ATL08-Terrain came out 12.92m, 17.76m and 7.9m. For ATL08 Vegetation, the measured values were 15.86m, 16.12m and 15.77m. Furthermore, the overall accuracy of the measurements was evaluated with respect to the slope of the terrain. The results show that the accuracy of the TanDEM-X DEM decreases with increasing terrain slope. Although the TDX12 version has several times better resolution than the TDX90, the measurement difference in this work is negligible. Depending on the landcover, the TanDEM-X DEM achieved the most accurate results in both resolutions in agricultural areas relative to the ATL08-Terrain measurement.

Keywords

TanDEM-X, ICESat-2, LiDAR, GIS, DPS, Validace výškového měření, ATL08, Vegetace, Terén

Keywords

TanDEM-X, ICESat-2, LiDAR, GIS, Remote sensing, validation of height measurements, ATL08, Vegetation, Terrain

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 3. 2022

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Vítězslav Moudrý, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Bachelor programme:
Geographic Information Systems and Remote Rensing in Environmental Sciences