Az ASTER GDEM adatbázis pontosságának vizsgálata egy hazai mintaterületen Dr. Szabó Gergely adjunktus, Debreceni Egyetem Természetföldrajzi és Geoinformatikai Tanszék szabo.gergely@science.unideb.hu Abstract: The ASTER GDEM database is the latest free global digital surface model of the Earth. Just like the previous system, the SRTM, it is getting more and more popular in wide area of usage. But it is important to know the disadvantages and weaknesses of the database, e.g. the directional-dependent accuracy and the few meters difference between the digital and the original surface. Our goal was to examine these kind of faults of the new database. Bevezetés, célkitűzés Napjainkban egyre szélesedik az ingyenesen hozzáférhető adatbázisok köre, melyek könnyű használhatóságuk és nagy akár globális területi átfogásuk miatt igen népszerűek mind a szakmai mind pedig az érdeklődő közvélemény számára. Ilyen például a régebbi űrfelvételek ingyenes letöltését biztosító amerikai Global Land Cover Facility (INTERNETES HIV-1, 2009), a földfelszín topográfiai viszonyait tartalmazó adatbázisok, mint a GTOPO-30 (INTERNETES HIV-2, 2009), vagy az SRTM. Különleges helyet foglal el a Google Earth, mely több adatbázis ötvözete. Az ilyen jellegű adatbázisok azonban hibák és tévedések lehetőségét is magukban hordozzák. Fontos tudnunk ugyanis annak metaadatait (pl. mikor készült, milyen célra stb.), milyen pontos az adatbázis, vagy hogy milyen elvárásaink lehetnek vele kapcsolatban. Sokszor találkozhatunk azzal, hogy túlzott pontosságot tulajdonítanak egy adatbázisnak, vagy annak bizonyos tulajdonságait nem veszik figyelembe (pl. az SRTM-nél a felszíni objektumok magassága). Mivel az SRTM és az ASTER GDEM egyre nagyobb népszerűségnek örvendenek, és sok kutatásban jelennek meg mint alapadatbázisok, felmerül a kérdés, hogy mennyire pontosak ezek, milyen hibákat tartalmaznak, és használatuk során mire érdemes figyelni. Vizsgálataink során arra kerestük a választ, hogy milyen eltéréseket tapasztalunk a GDEM és egy topográfiai térkép alapján készített modell között, azaz az előbbi milyen mértékben torzul a domborzat, a felszíni objektumok és az adatrögzítés technikája miatt.
Anyag és módszer A választott mintaterület Magyarország ÉK-i részén, a Tisza és a Bodrog folyók összefolyásánál található. A terület kiválasztásánál a fő cél az volt, hogy jelentős legyen a relief és az egyes kitettségi irányok hasonló arányban legyenek jelen. A Tokaji-hegy az előbbi feltételeket jól teljesíti, ezért a kijelölt mintaterület túlnyomó részét ez foglalja el (1. ábra). 1. ábra. A mintaterület topográfiai térképe A GDEM adatbázis A GDEM adatbázisát az USA és Japán közös fejlesztésének eredményeként 2009-ben publikálták. A TERRA műholdon elhelyezett ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) érzékelő (imaging instrument) felvételeiből összeállított DEM a földfelszín túlnyomó részéről rendelkezésre áll. Az 1 szögmásodperces pixelekből felépülő 1 *1 kiterjedésű felszíndarabok ingyenesen hozzáférhetők. Minden pixel esetében rendelkezésre áll egy becsült pontossági érték is, melyet egy különálló raszter formájában ugyancsak le lehet tölteni. A hibát főként az USA és Japán területén vizsgálták, de néhány más területen is végeztek hibabecslést. (INTERNETES HIV-3, 2010) Az EOTR térképek A magyar 1:10 000, egész országra kiterjedő topográfiai térképmű kivitelezése először katonai irányítással indult a 60-as években. 1975-től a
hivatalos polgári vetület az EOV lett, és a civil térképészet folytatta a 10 000 szelvények gondozását. Jelenleg is tart a térképek frissítése, az egyes szelvények utolsó reambulálásának időpontja 0-30 év. A feldolgozás menete A GDEM modellt a valós felülettel kívántuk összehasonlítani. Esetünkben az 1:10 000 topográfiai térképek szintvonalaiból, a mintaterületről általunk elérhető legpontosabb adatbázisból indultunk ki. Ennek vertikális pontossága általánosságban 1-5 m közötti (WINKLER P., 1997), a kiválasztott mintaterület típusán, ahol az alapszintvonalak 2.5m beosztásúak, általában 1m körüli (DETREKŐI Á BARSI Á ET AL, 2000). A szintvonalakat ArcGIS 9.2 szoftverben vektorizáltuk, majd TIN modellt generáltunk. A következőkben a modellt raszterizáltuk és derékszögű, EOV vetületűvé transzformáltuk. Megvizsgáltuk, hogy a két adatbázis pontos fedésben van-e egymással. Ezt a topográfiai jellemzők alapján végeztük el, megfigyelve egyes jellegzetes domborzati elemek elhelyezkedését (pl. hegycsúcsok). A következőkben IDRISI szoftverben kiszámítottuk mindkét modellben a lejtőkitettséget, valamint kivontuk a valósnak vett topográfiai alapú DEM-ből a GDEM felületmodell alapján képzett magasságokat, így megkaptuk a valós és a távérzékelt felületek különbségrétegeit az egyes pixelekre. Néhány kis foltban igen nagy eltéréseket (több mint 50m) találunk a topográfiai térképhez képest (2. ábra, világos foltok). Ennek egyik oka a térképen nem, vagy csak szintvonalak nélkül jelölt bányák területei, ahol a GDEM felülete közelebb áll a valóshoz, mint a topográfiai térkép alapján generált modell, amin ezek az objektumok nem jelennek meg, így itt a térkép alapú modellezett felszín magasabb a valós helyzetnél. Mivel e kis területek esetében a referencia térkép volt hiányos, a bányák területéről nem vettünk mintapontot. A 2000-ben készült légifelvételek alapján meghatároztuk az erdővel borított és a növényzet által legkevésbé fedett területeket, majd ezt a réteget is raszterizáltuk IDRISI-ben. Létrehoztunk egy pontréteget, melyben véletlenszerű eljárással 2259 pontot generáltattunk (ez a teljes pixelszám kb. 7%-a), hogy elkerüljük az autokorrelációt. A későbbiekben ezekben a pontokban olvasta le a szoftver a pixelértékeket. Az egyes rétegek pixelértékeiből (a már leírt pontok helyein) táblázatos formában kiolvastuk az adatokat, külön rendezve az erdővel borított és fátlan területek pixelértékeit. Az eredménytáblázatot SPSS-13 szoftverben dolgoztuk fel.
Eredmények Megvizsgálva a két adatbázis magassági eltéréseit a valóstól megállapíthatjuk, hogy a hibaértékek abszolút értéke átlagosan 8 m, azaz átlagosan ekkora hibát találunk a valósnak vett és a GDEM által modellezett magasságok között. 2. ábra. A GDEM adatbázis hibaértékei valamint a homogén erdővel fedett területek a Tokaji-hegyen Az ábrán jól kivehetők a már említett bányaterületek a hegy nyugati és délkeleti oldalán. Más, nagy eltérést mutató foltok esetében nem adható a bányához hasonló, általános magyarázat. Ilyen például a két folyó összefolyásának északi része (2. ábra), ahol pozitív eltérést találunk (3-5 m). Ugyancsak nehezen magyarázható a mintaterület ÉK-i részén, a Bodrog folyó vonalában található folt (2. ábra), melynél a GDEM adatbázis szerint a felszín lényegesen alacsonyabb a valósnál (kb. 20m), a térképi alapú DEMhez képest. A negatív értékű foltok olyan területek, ahol a topográfiai alapú TIN magasabb volt, mint a felszínmodell. Ennek oka egyrészt az erdők, melyek esetében a távérzékelt felszínek magasságát megemeli a fák magassága. Másik ok a domborzat. A felületmodell esetében bizonyos mértékű átlagolással kell számolnunk, így a szűkebb völgyek kevésbé mélyek, a csúcsok és gerincek pedig alacsonyabbak lesznek a kiátlagolódás miatt. Ezek
mellett vannak olyan foltok, melyeknél az eltérés nehezen magyarázható, és nem is ugyanolyan irányú. Ilyen területet találunk például a keleti oldalon középen, a két folyó összefolyásánál, ahol a GDEM magasabb a TIN modellnél. A Mann-Whitney próbával kimutattuk, hogy a különbségértékek között szignifikáns eltérés van az erdővel fedett és a fátlan területek között (p<0.05). Az eltérések boxplot diagramját és a mediánokat az erdők szerinti csoportosításban a 3. ábra mutatja. Mivel a távérzékelt adatbázis tartalmazza a famagasságokat és ezeket vontuk ki a topográfiai alapú DEM-ből, várható volt, hogy az erdővel fedett területek negatív értékkel jelennek meg. Az erdős területeken átlagosan 6 m-rel alacsonyabb a TIN modell, míg a fátlan területek esetében 6 m-rel magasabb az. Az interkvartilis félterjedelem az erdős területeken 12 méternek adódott. Elmondhatjuk, hogy a különbségek megfelelő előjelűek, azonban lényegesen kisebbek a vártnál. Az erdők valódi átlagos famagassága jóval több a távérzékeléses módszerrel mértnél. Ezt részben magyarázhatjuk azzal, hogy a távérzékelt adatbázis átlagosan néhány méterrel alacsonyabb a valósnál. Így ha a fátlan területeken tapasztalható átlagosan 6 méteres differenciát korrigáljuk, az erdős területek esetében ez hozzáadódik a már meglévő 6 méteres átlagos famagassághoz. Az így kapott, átlagosan 12 m-es famagasság már közelít a tényleges állapothoz. 3. ábra. A GDEM hibáinak boxplot diagramja az erdők szerint csoportosítva
Megvizsgáltuk, hogy a kitettségi irányok szerint van-e eltérés a hiba nagyságában. A 4. ábrán látható, hogy az előbbiek alapján korrigált magasságú távérzékelt felületmodelleken a különböző irányokba néző pontok eltérő mértékű hibát mutatnak. Az eredmények szerint egy jelentős, irányhoz kötött hullámzás ismerhető fel. A fátlan pontok alapján korrigált adatok boxplot diagramján látható, hogy az erdőmentes pontoknál is jelentős eltéréseket tapasztalunk az irányok szerint, -5,6 és 2,5 m között. Az erdővel borított pontok esetén az eltérés is, valamint a fent említett hullámzó mozgás is erőteljesebb. Az erdővel fedett és a fátlan pontok között az északias és keleties kitettségek esetében a legnagyobb az eltérés (max.: K 15,1m). Összefoglalás 4. ábra. A topográfiai alapú és a távérzékelés-alapú felszínek különbségértékei, kitettség szerinti megoszlásban A GDEM a legrészletesebb a rendelkezésre álló ingyenes globális felületmodellek közül, amelyhez egyszerűen hozzáférhetünk. Felhasználási területe igen széles, mivel térbeli felbontása (kb. 30 m) és csupán néhány éves alapadatbázisa sokféle célra teszi alkalmassá. Használatakor azonban tisztában kell lennünk néhány jellegzetes tulajdonságával. Ilyen például az
iránytól függően változó nagyságú hibája, és a sík területeken is megtalálható néhány méteres magassági eltérés, melyekkel mindenképp számolnunk kell.
Irodalom Detrekői Á. Barsi Á. Mélykúti G. Szabó Gy., 2000. 1:10 000 méretarányú EOTR topográfiai térképek domborzati tartalmának ellenőrzése. Összegző jelentés. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, Fotogrammetria és Térinformatika Tanszék. Budapest. Internetes hivatkozások: 1.: http://glcf.umiacs.umd.edu/data/landsat/ letöltés: 2009 2.: http://www.npagroup.com/catalogue/shop/gtopo30/gtopo30_readme.htm Letöltés: 2009 3.: http://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp Letöltés: 2010 Winkler P. 1997. A távérzékelés térképészeti alkalmazásai a XXI. század küszöbén. In: Geodézia és Kartográfia, vol.:1997/4. pp.:13 20. Budapest.