人站的(de)高(gāo)度不同，看問題的(de)角度便不同，思考問題的(de)方式也不同，看到的(de)風景和(hé)最終達到的(de)人生高(gāo)度更是不同。當下的(de)高(gāo)度到底有多高(gāo)？應該怎樣認知自(zì)我站位的(de)高(gāo)度？空間數據研究所帶您一(yī)起認知一(yī)類稱為(wèi)高(gāo)程的(de)數據，山川大地(dì)、江河湖海，地(dì)球的(de)每一(yī)寸角落都有其高(gāo)度，讓我們站在這顆星球的(de)高(gāo)度找到适合自(zì)己的(de)高(gāo)度。

如(rú)何定義高(gāo)度？

DEM的(de)概念

       數字高(gāo)程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM），利用有序、有限的(de)位置高(gāo)程數值矩陣實現對星球表面高(gāo)程狀态的(de)數字化模拟，是建立數字地(dì)形模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM）的(de)基礎。

 

 

如(rú)何測量高(gāo)度？

高(gāo)程測量的(de)概念

       高(gāo)程測量指确定地(dì)面點高(gāo)程的(de)測量過程。地(dì)面點的(de)高(gāo)程一(yī)般是指該點沿鉛垂線方向到大地(dì)水準面的(de)距離(lí)，又稱海拔或絕對高(gāo)程，測繪學(xué)中稱為(wèi)正高(gāo)。高(gāo)程測量首先需要建立大地(dì)水準面。（指與平均海水面重合并延伸到大陸內(nèi)部的(de)水準面，是正高(gāo)的(de)基準面。）

似大地(dì)水準面

       大地(dì)水準面是一(yī)個重力等位面，因為(wèi)地(dì)球密度的(de)非均勻性引起的(de)重力異常導緻無法獲取理(lǐ)論上的(de)大地(dì)水準面模型，一(yī)般基于莫洛金斯理(lǐ)論，通過長(cháng)期觀測、地(dì)球重力場分布測量建立似大地(dì)水準面，地(dì)面點沿鉛垂線到似大地(dì)水準面的(de)距離(lí)稱為(wèi)正常高(gāo)。

高(gāo)程系統

       基于似大地(dì)水準面定義的(de)高(gāo)程系統稱為(wèi)正常高(gāo)系統，我國(guó)目前采用的(de)法定高(gāo)程系統屬于正常高(gāo)系統，美國(guó)采用的(de)是NAVD88正高(gāo)高(gāo)程系統，但軍方和(hé)民用領域推廣的(de)多為(wèi)基于WGS84坐标系統采用GPS測量的(de)大地(dì)高(gāo)（大地(dì)高(gāo)指地(dì)面點沿通過該點的(de)參考橢球面法線到參考橢球面的(de)距離(lí)，是一(yī)個幾何量）

地(dì)球重力分布模型

       似大地(dì)水準面的(de)建立涉及到平均海平面（MSL）觀測确定、水準原點設置、參考橢球模型選擇、地(dì)球重力分布模型建立、高(gāo)精度高(gāo)程控制網建立等多個部分，最重要且難度較大的(de)是地(dì)球重力分布模型建立。

       目前使用較多的(de)地(dì)球重力分布模型EGM2008（Earth Gravitational Model EGM2008）由美國(guó)國(guó)家地(dì)理(lǐ)空間情報局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，簡稱NGA)于2008年(nián)發布，EGM2008的(de)網格分辨率達到5 Arc-Minutes，約為(wèi)9Km。

       我國(guó)也建立了多個自(zì)主的(de)地(dì)球重力分布模型，如(rú)WDM89、WDM94等，其中WDM94的(de)網格分辨率達到 30 Arc-Minutes,約為(wèi)55Km。

       地(dì)球重力分布模型不僅會影響大地(dì)水準面的(de)建立，更是衛星精密定軌的(de)基礎，而衛星定軌的(de)精度直接關系到衛星大地(dì)測量的(de)定位精度。下圖為(wèi)EGM2008模型大地(dì)水準面可(kě)視(shì)化效果（-106.909/85.824米）

 

 

大地(dì)水準面模型

       随着航天技術的(de)發展，基于星載平台的(de)地(dì)球觀測系統越來越強大，使得建立高(gāo)精度的(de)大地(dì)水準面模型成為(wèi)可(kě)能，各國(guó)家或地(dì)區基于高(gāo)精度GPS控制網、區域海平面觀測成果、地(dì)球重力分布模型建立高(gāo)分辨率、高(gāo)精度的(de)大地(dì)水準面模型，如(rú)美國(guó)最新發布的(de)GEOID2012、我國(guó)最新發布的(de)CQG2000等。大地(dì)水準面是地(dì)球重力分布模型的(de)一(yī)個等位面。

衛星大地(dì)測量正常高(gāo)程值

       高(gāo)分辨率、高(gāo)精度的(de)大地(dì)水準面模型是開展衛星大地(dì)測量的(de)基礎，通過GPS系統獲取地(dì)面點大地(dì)高(gāo)（指地(dì)面點沿通過該點的(de)參考橢球面法線到參考橢球面的(de)距離(lí)，是一(yī)個幾何量），結合該點大地(dì)水準面高(gāo)程信息，即可(kě)計算得出該點的(de)正常高(gāo)程值。

       注：

       CQG2000（Chinese Quasi-Geoid 2000，簡稱CQG2000），我國(guó)最新一(yī)代似大地(dì)水準面成果，覆蓋我國(guó)大陸及其海岸線以外400公裏的(de)區域和(hé)南海諸島及其周圍海域。分辨率較高(gāo)，精度達到分米級。通過全球DEM數據和(hé)CQG2000進行計算即可(kě)獲取國(guó)內(nèi)指定位置的(de)高(gāo)程值。

       DTM是描述包括高(gāo)程在內(nèi)的(de)各種地(dì)貌因子(zǐ)，如(rú)坡度、坡向、坡度變化率等因子(zǐ)在內(nèi)的(de)線性和(hé)非線性組合的(de)空間分布模型，其中DEM是單項數字地(dì)貌模型，其他如(rú)坡度、坡向及坡度變化率等地(dì)貌特性可(kě)在DEM的(de)基礎上計算生成。

如(rú)何評價高(gāo)度？

DEM數據精度衡量指标

       圓概率誤差（Circular Error Probability,簡稱CEP）主要用于軍事領域，其在彈道(dào)學(xué)上的(de)定義是以目标為(wèi)圓心劃一(yī)個圓，如(rú)果武器命中此圓的(de)機率至少為(wèi)50%，則此圓的(de)半徑就是圓概率誤差。

 

 

       性誤差概率(Linear Error Probability，簡稱LEP)，是一(yī)個線性範圍，一(yī)般用于表示絕對高(gāo)程精度。例如(rú)，某測量點的(de)垂直精度為(wèi)1米 LE90，表示該測量點的(de)90%的(de)測量值沿1米長(cháng)度的(de)垂直線下降，估計的(de)真實值位于該垂直線的(de)中心點。

       測繪領域常用CE90（Circular Error at 90% Probability）和(hé)LE90(Linear Error at 90% Probability）分别作為(wèi)平面精度和(hé)高(gāo)程精度的(de)衡量指标，國(guó)內(nèi)外衛星在發布定位精度時，一(yī)般使用CE90作為(wèi)精度指标。

       導航和(hé)測繪領域也會使用相對于獨立參考地(dì)面控制測量的(de)均方根誤差（Root Mean Square Error，簡稱RMSE）作為(wèi)精度衡量指标。

       DEM數據産品一(yī)般都給出對應的(de)CE90、LE90值或垂直精度RMSE值，幫助使用者了解其水平和(hé)高(gāo)程精度。

了解地(dì)球的(de)高(gāo)度

全球DEM數據

       随着地(dì)球系統科學(xué)（Earth System Science）的(de)出現以及越來越多的(de)研究領域開始關注全球變化，全球DEM數據需求在20世紀80年(nián)代顯著增加，1988年(nián)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration ，簡稱NASA）組建地(dì)形科學(xué)工作組，系統性梳理(lǐ)了高(gāo)程數據的(de)科學(xué)應用領域，并提出了制作全球DEM數據集的(de)建議。

       随着NASA地(dì)球觀測系統（EOS）的(de)建設并逐步投入使用，進一(yī)步增加了對全球DEM數據的(de)需求，有力推動了全球DEM數據獲取、處理(lǐ)、應用等各研究領域的(de)發展。

       注：

       地(dì)球觀測系統（Earth Observing System，簡稱EOS），始于1980年(nián)NASA提出的(de)美國(guó)全球變化研究計劃（U.S. Global Change Research Plan，簡稱USGCRP），于1991年(nián)開始建立并投入使用，它是由多顆衛星組成和(hé)為(wèi)實行多學(xué)科（大氣、海洋、陸面、生物、化學(xué)等）綜合研究，加深對地(dì)球系統變化的(de)理(lǐ)解，回答理(lǐ)解全球氣候變化的(de)問題，地(dì)球氣候系統是如(rú)何變化的(de)，各種地(dì)球現象是如(rú)何發生的(de)，又是如(rú)何變化的(de)，自(zì)然和(hé)人類對全球環境變化的(de)作用，建立人類對地(dì)球系統發生的(de)各種現象的(de)長(cháng)期監視(shì)，改進對全球尺度上地(dì)球系統各分量及它們間相互作用的(de)理(lǐ)解目的(de)而建立的(de)全球衛星觀測體系。整個系統包含三個部分：

       1、EOS科學(xué)研究計劃；

       2、EOS數據信息系統（Earth Observing System Data and Information System，簡稱EOSDIS）人類所能構想的(de)最雄心勃勃的(de)數據項目之一(yī)，于1999年(nián)正式上線，自(zì) 上線以來，EOSDIS已成為(wèi)全球最大和(hé)最活躍的(de)數據存儲庫，每天接收 3 TB 的(de)新數據并向全球各地(dì)的(de)研究人員分發 2 TB 的(de)現有信息，支撐全球用戶訪問 2000 多萬個文件（包含超過 1 PB 的(de)信息），EOSDIS為(wèi)整個EOS系統提供了整體框架The Framework，是EOS系統的(de)基石。

       3、EOS觀測系統（軌道(dào)載體平台、儀器）

全球DEM數據發展概述

       全球DEM數據從1988開始，經過30餘年(nián)的(de)發展，在生産方法、數據處理(lǐ)技術、分辨率、精度、應用領域與市場等多個方面都有了長(cháng)足發展。

       生産方法：生産方法從最初的(de)數據編制到目前的(de)基于遙感技術全球DEM數據快速獲取；

       處理(lǐ)技術：數據處理(lǐ)技術從最初的(de)手動鑲嵌、分區域重采樣、人工整合到目前的(de)全球無控制點自(zì)動化處理(lǐ)；

       分辨率：分辨率從最初的(de)5弧分經緯度網格到目前的(de)5m分辨率；精度從最初的(de)無明确精度指标到目前的(de)優于5m LE90；

       應用領域：随着全球DEM數據各種指标的(de)提升，應用區域從最初的(de)全球大面積變化研究逐步拓展到城市甚至局部小面積區域高(gāo)程相關應用研究，應用行業也從傳統的(de)測繪、國(guó)土資源管理(lǐ)、氣候與大氣治理(lǐ)、環境保護拓展到通信網絡規劃設計、智能交通系統設計、礦産資源、建築與土木工程設計、減災防災、國(guó)防與國(guó)家安全等領域。人類對全球DEM數據的(de)需求将随着信息空間的(de)拓展逐步增強。

       市場：全球DEM數據産品從最初完全由政府組織生産、共享、使用，随着應用領域與規模的(de)發展，先後有多家公司加入，如(rú)AIRBUSDEFENCE AND SPACE、Digital Globe、NTT DATA and Remote Sensing Technology Center of Japan等，逐步形成了一(yī)個全球DEM數據産品市場，為(wèi)企業獲取全球DEM數據提供了非政府渠道(dào)。

 

全球DEM數據的(de)鼻祖

ETOPO系列

       ETOPO5是第一(yī)個廣泛使用的(de)全球高(gāo)程模型，由美國(guó)地(dì)球物理(lǐ)中心（U.S. National Geophysical Data Center，簡稱NGDC）于1988年(nián)發布。ETOPO5提供5弧分經緯度網格的(de)陸地(dì)和(hé)海洋高(gāo)程，在美國(guó)、歐洲、日本、澳大利亞和(hé)海洋區域提供5弧分經緯度網格分辨率，亞洲、南美、加拿大北部和(hé)非洲等數據不足的(de)地(dì)區提供相當于1經緯度網格分辨率（5弧分經緯度在赤道(dào)約為(wèi)10 Km間距，赤道(dào)周長(cháng)40075 Km，360*60 = 21600弧分,5弧分 = 40075/21600*5=9.27 Km）。

       NGDC于2001年(nián)、2006年(nián)陸續發布了ETOPO2的(de)兩個版本，提供5弧分經緯度網格的(de)陸地(dì)和(hé)海洋高(gāo)程；2008年(nián)8月NGDC發布了ETOPO1版本，提供全球範圍1弧分經緯度網格分辨率的(de)陸渡和(hé)海洋高(gāo)程，分為(wèi)Ice Surface和(hé)Bedrock兩個版本，兩個版本差别在于處理(lǐ)南極洲和(hé)Greenland區域數據時，Ice Surface給出的(de)是加上冰蓋層之後的(de)高(gāo)程，Bedrock給出的(de)是岩床的(de)高(gāo)程。ETOPO1是目前可(kě)以免費使用的(de)唯一(yī)提供海洋高(gāo)程的(de)全球DEM數據。

 

 

       ETOPO系列全球DEM數據給出的(de)是基于MSL正常高(gāo)高(gāo)程，由于ETOPO系列全球DEM數據采用對已有制圖數據重新編制的(de)生産方法生成，因此沒有給出明确的(de)精度指标，全球不同區域的(de)精度依賴于相關數據源的(de)精度。

 

GTOPO30

       為(wèi)了滿足EOS和(hé)其他全球變化研究項目的(de)需求，20世紀90年(nián)代末（1996年(nián)完成），美國(guó)地(dì)質調查局（United States Geological Survey，簡稱USGS）開發了全球1Km DEM産品GTOPO30，相當于30弧秒經緯度網格分辨率。GTOPO30同樣采用對已有制圖數據重新編制的(de)生産方法，共8個數據源，由8個機構參與數據提供、技術及資金支持，經過三年(nián)的(de)合作最終完成。

       主導機構：

       美國(guó)地(dì)質調查局地(dì)球資源觀測和(hé)科學(xué)中心（U.S. Geological Survey's Center for Earth Resources Observation and Science，簡稱EROS）

       參與機構：

       美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）

       聯合國(guó)環境規劃署/全球資源信息數據庫（The United Nations Environment Programme /Global Resource Information Database，簡稱UNEP/GRID）

       美國(guó)國(guó)際開發署（U.S. Agency for International Development，簡稱USAID）

       墨西哥(gē)國(guó)家地(dì)理(lǐ)調查研究所（INEGI）

       日本地(dì)理(lǐ)調查研究所（Geographical Survey Institute of Japan，簡稱GSI）

       新西蘭Manaaki Whenua陸地(dì)保護研究所（Manaaki Whenua Landcare Research of New Zealand）

       南極研究科學(xué)委員會（Scientific Committee on Antarctic Research，簡稱SCAR）

       GTOPO30數據80％區域是基于美國(guó)國(guó)家地(dì)理(lǐ)空間情報局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，簡稱NGA)提供的(de)數字地(dì)形高(gāo)程數據（Digital Terrain Elevation Data，簡稱DTED）和(hé)世界數字圖表（Digital Chart of the World,簡稱DCW）編制而成。将DTED由3弧秒經緯度網格分辨率重采樣到30弧秒經緯度網格分辨率。利用網格插值将DCW中的(de)源地(dì)形圖（輪廓和(hé)點高(gāo)度）和(hé)水文特征數據融合到GTOPO30數據中。

 

 

       GTOPO30自(zì)發布以來已經成為(wèi)許多大面積應用的(de)首選全球DEM，它也是其他全球DEM數據産品的(de)主要數據源，如(rú)全球一(yī)公裏基礎高(gāo)程數據（Global Land One-km Base Elevation，簡稱GLOBE）、ETOPO2等全球DEM數據産品。

       GTOPO30隻提供陸地(dì)區域高(gāo)程，不提供海洋高(gāo)程。GTOPO30提供的(de)高(gāo)程是基于MSL的(de)正常高(gāo)高(gāo)程。

       和(hé)ETOPO系列相同，GTOPO30全球DEM數據采用對已有制圖數據重新編制的(de)生産方法生成，因此沒有給出統一(yī)的(de)精度指标，使用時可(kě)以根據對應區域參考兩個主要數據源的(de)精度指标，DTED在3弧秒經緯度網格分辨率時LE90為(wèi)30米，DCW在融合到GTOPO30後，在30弧秒經緯度網格分辨率時可(kě)信的(de)LE90為(wèi)160米。

       為(wèi)了便于數據分發，GTOPO30将全球數據分為(wèi)33幅，用戶可(kě)以根據研究區域分幅獲取。

 

 

GMTED2010

       随着全球各領域研究對高(gāo)分辨率DEM數據的(de)需求不斷增強，同時新的(de)高(gāo)程數據獲取技術不斷湧現，USGS和(hé)NGA合作，十年(nián)磨一(yī)劍，于2010年(nián)共同推出了全球多分辨率地(dì)形高(gāo)程數據（Global Multi-resolution Terrain Elevation Data，簡稱GMTED2010），在全球陸地(dì)區域提供30弧秒、15弧秒、7.5弧秒三種分辨率DEM數據。（在格陵蘭島和(hé)南極洲隻提供30弧秒分辨率DEM數據，其他陸地(dì)區域均提供相當于1Km、500m、250m分辨率的(de)DEM數據），下圖是GMTED2010全球30弧秒分辨率平均高(gāo)程數據（-430/8625米）。

 

 

       GMTED2010在GTOPO30的(de)基礎上引入了新的(de)高(gāo)程數據源，多達11種栅格高(gāo)程數據源，最主要的(de)數據源NGA SRTM DTED2數據，約占69.92%，1弧秒分辨率，WGS84坐标系統，基于EGM96模型的(de)正常高(gāo)高(gāo)程；NGA DTED1數據，約占8.7%，3弧秒分辨率，基于MSL的(de)正常高(gāo)高(gāo)程；GMTED2010的(de)數據源及其占比如(rú)下表

 

 

       MTED2010數據源的(de)水平分辨率及參考坐标系統如(rú)下表

 

 

       MTED2010數據源的(de)垂直分辨率及高(gāo)程基準面如(rú)下表

 

 

       GMTED2010的(de)數據源具有多分辨率、多基準面、多坐标系的(de)特征，NASA和(hé)NGA在制作GMTED2010産品時，除了采用多分辨率外，還建立了包括最小高(gāo)程、最大高(gāo)程、平均高(gāo)程、中間高(gāo)程、高(gāo)程标準偏差、系統統計采樣、增強特征曲線的(de)七種高(gāo)程産品。

       為(wèi)了便于使用者使用，GMTED2010産品中還包含一(yī)份SHP格式的(de)元數據，通過該元數據可(kě)以快速獲取指定區域GMTED2010産品的(de)概覽信息，元數據屬性表如(rú)下

 

 

       通過元數據可(kě)以根據區域快速認知GMTED2010數據

 

 

       本文章(zhāng)轉載自(zì)微信公衆号：空間數據研究所