上篇介紹了ETOPO和(hé)GTOPO30兩個全球DEM數據産品家族，作為(wèi)最早的(de)全球DEM數據産品，受制于當時的(de)數據獲取手段，均采用已有數據源彙集編制的(de)生産方法，在高(gāo)程系統一(yī)緻性、獲取時間一(yī)緻性、分辨率、精度評價、更新等幾個方面存在或多或少的(de)問題。随着衛星遙感技術的(de)發展，獲取全球範圍一(yī)緻質量的(de)高(gāo)分辨率數字高(gāo)程數據成為(wèi)可(kě)能。目前應用最廣泛的(de)免費高(gāo)分辨率全球DEM數據均采用衛星遙感技術獲取和(hé)生産，同時，衛星遙感技術也成為(wèi)了生産全球大區域覆蓋、高(gāo)質量DEM數據的(de)主要數據源獲取技術。本篇和(hé)大家一(yī)起走進基于衛星遙感技術獲取全球DEM數據這個領域。

四大流派

基于衛星遙感技術獲取全球DEM數據的(de)系統類型主要有以下四種：光學(xué)立體像對（Stereo Satellite Imagery）、合成孔徑雷達（SyntheticAperture Radar）、雷達測高(gāo)（Radar Altimetry）、激光測高(gāo)（Laser Altimetry）

先看光學(xué)立體像對這一(yī)脈

基于光學(xué)立體像對獲取高(gāo)程數據的(de)衛星遙感系統曆史最為(wèi)悠久、也是目前應用最為(wèi)廣泛、技術最為(wèi)成熟的(de)大區域DEM數據獲取技術系統。

                             

                        

 

提到光學(xué)立體像對獲取高(gāo)程數據就不得不提起SPOT（Systeme Probatoire d’Observation de la Terre，簡稱SPOT，即地(dì)球觀測系統）。

     

SPOT衛星

     

SPOT衛星曆史悠久，二戰後被戴高(gāo)樂(yuè)總統帶上巅峰的(de)法國(guó)，僅晚于美國(guó)3年(nián)于1961年(nián)就成立了法國(guó)國(guó)家太空研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales，簡稱CNES，美國(guó)國(guó)家航空航天局，即NASA，于1958年(nián)由艾森豪威爾總統主導成立），CNES在1986年(nián)發射了SPOT1星，1988年(nián)就有研究人員基于跨軌道(dào)SPOT衛星像對數據成果提取了DEM數據。這應該算是最早的(de)基于衛星遙感光學(xué)立體像對技術獲取DEM數據的(de)實踐了，SPOT星座後續相繼有SPOT2、SPOT3、SPOT4、SPOT5、SPOT6以及2014年(nián)發射的(de)SPOT7，SPOT系列衛星的(de)數據産品目前由空中客車國(guó)防航天公司（Airbus Defence and Space）負責經營，對外提供基于SPOT5衛星的(de)30m分辨率全球DEM數據産品Reference3D，AIRBUS作為(wèi)全球最重要的(de)衛星遙感數據産品提供商，還提供多種更高(gāo)分辨率的(de)DEM數據産品，具體待下一(yī)篇介紹商業DEM數據産品時再詳細介紹。

       

ASTER GDEM産品

    

聊完SPOT，下面介紹本篇的(de)第一(yī)位主角ASTER GDEM，目前應用最廣的(de)免費全球DEM數據産品之一(yī)，ASTER是傳感器的(de)名字，其全稱為(wèi)先進星載熱發射和(hé)反射輻射計（The Advanced Spaceborne Thermal Emission andReflection Radiometer ，簡稱ASTER），于1999年(nián)12月搭載NASAEOS系統旗艦衛星Terra升空，從2000年(nián)開始回傳數據，ASTER是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、日本經濟産業省（METI）、日本航天局（Japan Space Systems，成立于1986年(nián)，日本二戰後最輝煌的(de)年(nián)代，可(kě)以看出航天領域的(de)發展絕對和(hé)一(yī)個國(guó)家的(de)整體實力成正比）。ASTER傳感器采集的(de)是15m分辨率的(de)同步光學(xué)立體像對，基于上述光學(xué)立體像對生産全球DEM數據ASTER Global DEM，即ASTER GDEM。

NASA和(hé)METI于2009年(nián)6月28日共同發布了ASTER GDEM v1數據産品，并宣布向全球用戶免費開放下載使用。ASTER GDEM v1采用全自(zì)動的(de)生産方式，并首創無控制點絕對DSM數據生産方法，通過一(yī)年(nián)的(de)時間完成了ASTERGDEM測試版本數據生産處理(lǐ)。

注：

傳統基于衛星光學(xué)立體像對生産DEM數據，必須提供具有高(gāo)精度水平和(hé)垂直坐标的(de)外部大地(dì)控制點以獲得絕對（地(dì)理(lǐ)參考）DEM；否則所獲得的(de)數據都是相對DEM。由于改進了衛星星曆表和(hé)ASTER儀器的(de)傳感器模型的(de)位置信息，ASTER DEM能夠充分進行地(dì)理(lǐ)定位（具有絕對坐标），無需外部控制點。這種方法有力提升了大量數據的(de)處理(lǐ)效率，能夠滿足全球大面積DEM數據生産處理(lǐ)的(de)需求。

2011年(nián)10月中旬，NASA和(hé)METI共同發布了ASTER GDEM v2版本，在v1的(de)基礎之上，新增了26萬光學(xué)立體像對數據，主要用于改善覆蓋範圍、提升數據分辨率、提升水體掩模處理(lǐ)精确度。

2019年(nián)8月5日，NASA和(hé)METI共同發布了ASTER GDEM v3版本，在v2的(de)基礎之上，新增了36萬光學(xué)立體像對數據，主要用于減少高(gāo)程值空白區域、水域數值異常。

伴随v3同時發布了一(yī)個新的(de)全球數據産品：ASTER水體數據集（ASTER Water Body Dataset，簡稱ASTWBD），每一(yī)幅ASTER GDEM數據都有對應的(de)水體數據，ASTWBE也是目前基本能夠覆蓋全球的(de)唯一(yī)水體數據。

ASTER GDEM三個版本基本屬性表如(rú)下：

 

 

v3版本數據在有效覆蓋範圍，高(gāo)程精度方面有顯著提升，建議大家在應用研究中直接使用v3版本的(de)ASTER GDEM數據産品。

ASTER GDEM對全球用戶免費開放下載使用，目前國(guó)內(nèi)提供的(de)下載源基本都是v1版本數據，建議大家直接下載v3版本的(de)數據進行研究應用。NASA和(hé)METI提供的(de)GDEx（The Global Data Explorer）在2019年(nián)8月6日已經關閉

 

如(rú)果需要下載數據可(kě)以直接訪問LD DAAC直接下載分幅數據包，這個是一(yī)個FTP服務器，注冊後可(kě)以直接分幅下載，然後自(zì)己進行拼接即可(kě)。全球範圍一(yī)共22608個文件（沒有官方文檔提到的(de)22912，目前不知原因）,共計373GB，如(rú)果大家有需要可(kě)以關注公衆号“空間數據研究所”，不超過一(yī)個省的(de)話會直接發給大家，主要是網絡壓力有點大。

 

ALOS AW3D30産品

  

光學(xué)立體像對這一(yī)脈，除了上面給大家介紹的(de)老前輩ASTER GDEM，再給大家介紹一(yī)個目前質量非常不錯的(de)新後生，由日本宇宙航空研究所（Japan Aerospace Exploration Agency，簡稱JAXA）打造的(de)AW3D30，AW3D30背景很深。

  

先看數據采集部分，ALOS（Advanced Land Observation Satellite）是日本地(dì)球觀測衛星計劃的(de)重要組成部分，于2006年(nián)發射，2011年(nián)失去(qù)動力和(hé)通信。ALOS共搭載了三個傳感器：全色遙感立體測繪儀（PRISM），主要用于數字高(gāo)程測繪；先進可(kě)見光與近紅(hóng)外輻射計-2（AVNIR-2），用于精确陸地(dì)觀測；相控陣型L波段合成孔徑雷達（PALSAR），用于全天時全天候陸地(dì)觀測。

   

  

PRISM傳感器全球區域獲取光學(xué)立體像對數量分布如(rú)下

   

    

再看數據處理(lǐ)部分，JAXA基于PRISM（The Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping）傳感器采集的(de)光學(xué)立體像對數據，同時開發了一(yī)個高(gāo)速光學(xué)立體像對數據處理(lǐ)系統，每天處理(lǐ)2TB數據（2000幅），經過兩年(nián)多完成了全球範圍的(de)數據共計300萬個場景的(de)數據處理(lǐ)和(hé)驗證工作，于2016年(nián)對外發布了AW3D産品，全球第一(yī)個5m分辨率的(de)全球DSM産品（部分區域可(kě)提供0.5m、1m、2m、2.5m等不同分辨率的(de)DSM數據産品，這個确實牛，值得學(xué)習）。

   

 

經過全球範圍驗證，AW3D産品的(de)高(gāo)程誤差全球範圍平均3.4m左右

   

 

AW3D産品是一(yī)個商業産品，使用是需要付費的(de)，根據日本和(hé)美國(guó)之間的(de)約定全球免費DEM數據産品分辨率不得大于30m（此處為(wèi)猜測，目前沒有看到具體的(de)約定條款），采用重采樣技術基于AW3D生成了AW3D30，30m分辨率的(de)全球DSM産品，向全球用戶免費開放下載使用。

   

                         

   

從2016年(nián)開始，JAXA每年(nián)都會發布一(yī)個新版本的(de)AW3D30産品，目前最新的(de)是2019年(nián)4月發布的(de)AW3D30v2.2，其基本屬性如(rú)下。

   

                                                                       

   

目前空間數據研究所已經完成AW3D30全球DSM數據下載和(hé)拼接處理(lǐ)，全球範圍共計172GB左右（如(rú)果大家有需要可(kě)以關注公衆号“空間數據研究所”，不超過一(yī)個省的(de)話會直接發給大家，主要是網絡壓力有點大），整體效果如(rú)下

       

                        

    

原始數據如(rú)下

    

                            

     

聊完全球免費DEM數據江湖光學(xué)立體像對一(yī)脈的(de)兩大派系，下面接着和(hé)大家聊合成孔徑雷達這一(yī)脈。

   

合成孔徑雷達

合成孔徑雷達（SyntheticAperture Radar，簡稱SAR），屬于一(yī)種微波成像雷達，是一(yī)種主動遙感技術，目前廣泛用于獲取數字高(gāo)程數據。基于合成孔徑雷達雷達數據提取DEM數據主要有兩種方法：雷達攝影測量（Radargrammetry），SAR幹涉測量（SAR Interferometry）。

雷達攝影測量與光學(xué)光學(xué)立體像對類似，利用雷達回波成像獲取光學(xué)立體像對，進而獲取DSM數據，始于20世紀70年(nián)代的(de)機載雷達，20世紀80年(nián)代NASA開始提供航天成像雷達（Shuttle Imaging Radar，簡稱SIR）數據，20世紀90年(nián)代初歐洲發射了ERS-1（The First European Remote Sensing Satellite）,開啓了衛星雷達攝影測量時代。

SAR幹涉測量是一(yī)種利用雷達返回信号中的(de)相位信息的(de)技術，通過測量每個像素的(de)雷達回波之間的(de)相位差，然後執行互相關來生成相位差“圖像”，相位差圖像中的(de)輪廓對應于地(dì)形高(gāo)度的(de)輪廓，再結合平台位置和(hé)姿态信息、控制點将相位差轉換為(wèi)地(dì)形高(gāo)度，最終獲取DEM。SAR幹涉測量通常被稱為(wèi)IFSAR，也稱為(wèi)InSAR。

2000年(nián)2月11日，NASA和(hé)NGA合作發起航天飛(fēi)機雷達地(dì)形測量任務（The Shuttle  Radar Topography Mission，簡稱SRTM），在NASA航天飛(fēi)機上搭載SIR-C/X-SAR雷達成像設備，進行了11天的(de)數據采集任務，獲取了全球80％的(de)陸地(dì)（北緯60度和(hé)南緯56度之間的(de)所有陸地(dì)區域）的(de)幹涉數據，随後通過SAR幹涉測量法生産了SRTM數據産品，這一(yī)項目不僅為(wèi)後續基于SAR幹涉測量方法的(de)全球DEM數據生産奠定了至關重要的(de)基礎，同時也産生了大名鼎鼎的(de)全球DEM數據SRTM。下面就給大家介紹合成孔徑雷達一(yī)脈的(de)扛把子(zǐ)SRTMGL。

   

SRTMGL産品

基于NASA航天飛(fēi)機雷達成像設備獲取原始數據後，NASA噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，簡稱JPL）設計開發了SRTM數據處理(lǐ)系統GDPS（SRTM Ground Data Processing System，簡稱GDPS）用于處理(lǐ)SRTM數據，并制定了宏大的(de)數據産品計劃

                        

   

為(wèi)了趕在ASTERGDEM産品發布之前對外公布基于遙感技術的(de)全球高(gāo)分辨率DEM數據産品，NASA JPL 2000年(nián)就發布了SRTM v1版本，雖然隻是完成了部分産品，但仍然站在了基于遙感技術獲取全球DEM數據技術和(hé)行業的(de)最前端。

随後，NGA開始接手SRTM數據的(de)處理(lǐ)工作，于2006年(nián)完成了所有規劃産品的(de)生産，正式對外提供全面的(de)SRTM DEM v2版本數據，根據規定，在美國(guó)領土範圍內(nèi)免費提供1 arc-second（30m）分辨率的(de)SRTM DEM數據，其他區域可(kě)以免費獲取3 arc-second（90m）和(hé)30arc-second（1000m）分辨率的(de)SRTM DEM數據（USA傳統做(zuò)法，占據某一(yī)領域最前沿，然後開始打壓其他國(guó)家在該領域的(de)發展，并同時保持自(zì)己在該領域的(de)絕對領先）。

為(wèi)了繼續保持在全球DEM數據領域的(de)領先，NASA借助最新的(de)項目MEaSUREs （Making Earth System Data Records for Use in Research Environments）着手升級SRTM DEM數據産品，這次升級工作又回到JPL手中，JPL接手後先對數據錯誤進行了修正，發布了v2.1版本，随後發大招，融合ASTER GDEM v2、USGS GMTED2010、USGS NED（National Elevation Dataset）數據，于2015年(nián)10月發布了SRTM Plus即v3版本産品，SRTM Plus所有數據向全球用戶免費開放下載使用，包括SRTMGL1、SRTMGL3和(hé)SRTMGL30三種不同的(de)分辨率的(de)全球DEM數據産品，其基本屬性如(rú)下

                                                                

    

目前空間數據研究所已經完成SRTMGL1 v3全球DSM數據下載和(hé)拼接處理(lǐ)，全球範圍共計129GB（如(rú)果大家有需要可(kě)以關注公衆号“空間數據研究所”，不超過一(yī)個省的(de)話會直接發給大家，主要是網絡壓力有點大），整體效果如(rú)下

  

                         

原始數據如(rú)下

   

                         

  

X頻段陸地(dì)合成孔徑雷達衛星

合成孔徑雷達這一(yī)脈由SRTM打下江山，但畢竟是上世紀的(de)技術和(hé)成果了，不僅無法PK ALOS AW3D這樣牛哄哄的(de)産品，甚至面對ASTER GDEM v3這樣的(de)老樹新花都有點有心無力。

首先，德國(guó)人看不下去(qù)了（因為(wèi)德國(guó)2000年(nián)就參與了SRTM項目，在NASA的(de)航天飛(fēi)機上搭載了X頻段的(de)雷達用于獲取高(gāo)分辨率的(de)DEM數據，也算是合成孔徑雷達這一(yī)脈的(de)老前輩了），于是由德國航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，簡稱DLR）和(hé)EADS Astrium合作，于2010年(nián)啓動了TanDEM-X項目，扛起SAR幹涉測量的(de)大旗，基于TerraSAR-X衛星平台，開啓SAR幹涉測量生成全球DEM數據的(de)新時代。

2007年(nián)6月15日TerraSAR-X衛星在俄羅斯發射升空，希望TerraSAR-X能給我們帶來更好的(de)全球DEM數據産品。

                      

       

雷達測高(gāo)

嚴格來講，雷達測高(gāo)不屬于全球DEM數據這個江湖，因為(wèi)雷達測高(gāo)最初設計目标主要用于測量海面高(gāo)度和(hé)冰蓋地(dì)形。目前也被用于在陸地(dì)區域獲取分幅高(gāo)程數據。目前應用較為(wèi)廣泛的(de)雷達測高(gāo)平台有ERS（EuroPean Remote Sensing Sateillte）和(hé)Envisat（2002年(nián)發射升空，2012年(nián)失去(qù)通信），平台上的(de)雷達高(gāo)度計儀器收集的(de)數據有力推動了大面積地(dì)形應用中雷達測高(gāo)方案的(de)應用，鑒于其但提供的(de)高(gāo)垂直精度數據，可(kě)用于驗證或檢查其他大面積海拔數據集的(de)質量），另外主要用于在格陵蘭島（最近特朗普要從丹麥買的(de)那個島）和(hé)南極洲生成更新高(gāo)質量的(de)DEM。除了陸地(dì)地(dì)形，雷達高(gāo)度計數據已成功處理(lǐ)用于繪制海洋水深測量圖，這些測深數據已與SRTM30的(de)土地(dì)數據合并，生成覆蓋陸地(dì)和(hé)海洋的(de)全球高(gāo)程數據集。

激光測高(gāo)

和(hé)雷達測高(gāo)一(yī)樣，激光測高(gāo)也不屬于全球DEM這個江湖。激光測高(gāo)法，通常稱為(wèi)LiDAR，同樣是一(yī)種主動的(de)遙感技術，能夠用于獲取厘米級垂直精度的(de)高(gāo)程數據。攜帶地(dì)球科學(xué)激光高(gāo)度計系統（GLAS）的(de)ICESat平台于2003年(nián)發射，并在大部分地(dì)區收集了LiDAR數據（約70米分辨率），覆蓋全球陸地(dì)表面（南北緯86度）。由于激光測高(gāo)所提供的(de)高(gāo)垂直精度，GLAS的(de)主要任務是收集重複地(dì)形測量值以監測極地(dì)冰蓋，目前這一(yī)任務已成功完成。

ICESat平台獲取的(de)高(gāo)精度高(gāo)程數據目前也用于開發高(gāo)質量的(de)南極洲DEM數據。除了極地(dì)監測的(de)主要任務目标外，ICESat平台獲取的(de)高(gāo)精度高(gāo)程數據已被證明可(kě)用作驗證其他全球DEM源數據的(de)參考控制數據，特别是SRTM DEM數據産品。

免費全球DEM數據産品綜述

本篇和(hé)大家分享了三個全球DEM數據産品：ASTER GDEM、ALOS AW3D30、SRTM Plus，他們整體可(kě)以分為(wèi)兩類：基于衛星遙感光學(xué)光學(xué)立體像對技術獲取的(de)全球DEM數據，基于衛星遙感雷達測量技術獲取的(de)全球DEM數據。

 

首先，在具體的(de)研究應用過程中，首先需要了解兩類全球DEM數據的(de)特性，然後根據應用場景來确定采用哪一(yī)個全球DEM數據産品。數據空洞可(kě)能是影響DEM使用的(de)主要特性。

對于SRTM Plus而言，數據空洞主要是由于雷達信号與陡峭的(de)地(dì)形相互作用（從而導緻陰影，縮短(duǎn)或停留）以及水或沙子(zǐ)等光滑表面不能反射足夠的(de)能量造成的(de)。根據具體的(de)應用場景區域地(dì)貌特征和(hé)對DEM數據連續性的(de)要求來決策是否可(kě)以使用SRTM Plus。

對于ASTER GDEM、ALOS AW3D30來說，數據空洞主要出現在無法從獲取的(de)光學(xué)立體像對中獲得可(kě)靠高(gāo)程信息的(de)區域，通常最主要是由于長(cháng)時間雲層覆蓋導緻。

其次，兩類全球DEM數據都屬于DSM，而非DEM，即高(gāo)程值中包含樹木或建築結構的(de)高(gāo)度，不是研究區域的(de)裸地(dì)面高(gāo)程，這一(yī)點需要特别注意，尤其是在建築物密集的(de)城市區域或樹木集中的(de)林區，如(rú)果研究應用場景需要裸地(dì)面高(gāo)程，則這兩類全球DEM數據均不能滿足。因此，USGS才下定決心搞了一(yī)個GMTED2010，全球多分辨率地(dì)形高(gāo)程數據2010模型，上篇已做(zuò)介紹。全球DEM數據介紹（上）

注

目前GPS系統給出的(de)高(gāo)程值均為(wèi)大地(dì)高(gāo)，即地(dì)面點到GPS系統參考橢球的(de)高(gāo)度值，全球各個國(guó)家基本采用正高(gāo)或正常高(gāo)作為(wèi)高(gāo)程值，因此無法直接使用GPS系統獲取可(kě)用的(de)高(gāo)程值。

最後，就三個免費全球DEM數據産品而言，SRTM Plus具有最好的(de)垂直精度，ASTER GDEM具有最大的(de)覆蓋區域，ALOS AW3D30具有最好的(de)數據現時性。下面是關于三個免費全球DEM數據的(de)屬性對照表

  

    

       

計劃通過三篇文章(zhāng)來介紹全球DEM數據産品：

上篇 主要介紹DEM的(de)基本概念，高(gāo)程值測量系統與主要組件概念，如(rú)高(gāo)程系統、大地(dì)水準面、正高(gāo)、大地(dì)高(gāo)等內(nèi)容，高(gāo)程數據精度評價指标，全球DEM數據的(de)緣起和(hé)發展概覽，介紹兩個最早發展的(de)全球DEM數據産品家族：ETOPO系列、GTOPO系列。

中篇 主要介紹其餘免費的(de)全球DEM數據産品，免費全球DEM數據産品的(de)獲取方式介紹，并對所有免費全球DEM數據産品做(zuò)整體對比分析。

下篇 主要介紹目前商業公司提供的(de)全球DEM數據産品，并對所有商業全球DEM數據産品做(zuò)整體對比分析。

本文轉載自(zì)：空間數據研究所         作者： aoimap