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       人站的高度不同，看问题的角度便不同，思考问题的方式也不同，看到的风景和最终达到的人生高度更是不同。当下的高度到底有多高？应该怎样认知自我站位的高度？空间数据研究所带您一起认知一类称为高程的数据，山川大地、江河湖海，地球的每一寸角落都有其高度，让我们站在这颗星球的高度找到适合自己的高度。

如何定义高度？

DEM的概念

       数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM），利用有序、有限的位置高程数值矩阵实现对星球表面高程状态的数字化模拟，是建立数字地形模型（Digital Terrain Model，简称DTM）的基础。

 

 

如何测量高度？

高程测量的概念

       高程测量指确定地面点高程的测量过程。地面点的高程一般是指该点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，又称海拔或绝对高程，测绘学中称为正高。高程测量首先需要建立大地水准面。（指与平均海水面重合并延伸到大陆内部的水准面，是正高的基准面。）

似大地水准面

       大地水准面是一个重力等位面，因为地球密度的非均匀性引起的重力异常导致无法获取理论上的大地水准面模型，一般基于莫洛金斯理论，通过长期观测、地球重力场分布测量建立似大地水准面，地面点沿铅垂线到似大地水准面的距离称为正常高。

高程系统

       基于似大地水准面定义的高程系统称为正常高系统，我国目前采用的法定高程系统属于正常高系统，美国采用的是NAVD88正高高程系统，但军方和民用领域推广的多为基于WGS84坐标系统采用GPS测量的大地高（大地高指地面点沿通过该点的参考椭球面法线到参考椭球面的距离，是一个几何量）

地球重力分布模型

       似大地水准面的建立涉及到平均海平面（MSL）观测确定、水准原点设置、参考椭球模型选择、地球重力分布模型建立、高精度高程控制网建立等多个部分，最重要且难度较大的是地球重力分布模型建立。

       目前使用较多的地球重力分布模型EGM2008（Earth Gravitational Model EGM2008）由美国国家地理空间情报局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，简称NGA)于2008年发布，EGM2008的网格分辨率达到5 Arc-Minutes，约为9Km。

       我国也建立了多个自主的地球重力分布模型，如WDM89、WDM94等，其中WDM94的网格分辨率达到 30 Arc-Minutes,约为55Km。

       地球重力分布模型不仅会影响大地水准面的建立，更是卫星精密定轨的基础，而卫星定轨的精度直接关系到卫星大地测量的定位精度。下图为EGM2008模型大地水准面可视化效果（-106.909/85.824米）

 

 

大地水准面模型

       随着航天技术的发展，基于星载平台的地球观测系统越来越强大，使得建立高精度的大地水准面模型成为可能，各国家或地区基于高精度GPS控制网、区域海平面观测成果、地球重力分布模型建立高分辨率、高精度的大地水准面模型，如美国最新发布的GEOID2012、我国最新发布的CQG2000等。大地水准面是地球重力分布模型的一个等位面。

卫星大地测量正常高程值

       高分辨率、高精度的大地水准面模型是开展卫星大地测量的基础，通过GPS系统获取地面点大地高（指地面点沿通过该点的参考椭球面法线到参考椭球面的距离，是一个几何量），结合该点大地水准面高程信息，即可计算得出该点的正常高程值。

       注：

       CQG2000（Chinese Quasi-Geoid 2000，简称CQG2000），我国最新一代似大地水准面成果，覆盖我国大陆及其海岸线以外400公里的区域和南海诸岛及其周围海域。分辨率较高，精度达到分米级。通过全球DEM数据和CQG2000进行计算即可获取国内指定位置的高程值。

       DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布模型，其中DEM是单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上计算生成。

如何评价高度？

DEM数据精度衡量指标

       圆概率误差（Circular Error Probability,简称CEP）主要用于军事领域，其在弹道学上的定义是以目标为圆心划一个圆，如果武器命中此圆的机率至少为50%，则此圆的半径就是圆概率误差。

 

 

       性误差概率(Linear Error Probability，简称LEP)，是一个线性范围，一般用于表示绝对高程精度。例如，某测量点的垂直精度为1米 LE90，表示该测量点的90%的测量值沿1米长度的垂直线下降，估计的真实值位于该垂直线的中心点。

       测绘领域常用CE90（Circular Error at 90% Probability）和LE90(Linear Error at 90% Probability）分别作为平面精度和高程精度的衡量指标，国内外卫星在发布定位精度时，一般使用CE90作为精度指标。

       导航和测绘领域也会使用相对于独立参考地面控制测量的均方根误差（Root Mean Square Error，简称RMSE）作为精度衡量指标。

       DEM数据产品一般都给出对应的CE90、LE90值或垂直精度RMSE值，帮助使用者了解其水平和高程精度。

了解地球的高度

全球DEM数据

       随着地球系统科学（Earth System Science）的出现以及越来越多的研究领域开始关注全球变化，全球DEM数据需求在20世纪80年代显著增加，1988年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration ，简称NASA）组建地形科学工作组，系统性梳理了高程数据的科学应用领域，并提出了制作全球DEM数据集的建议。

       随着NASA地球观测系统（EOS）的建设并逐步投入使用，进一步增加了对全球DEM数据的需求，有力推动了全球DEM数据获取、处理、应用等各研究领域的发展。

       注：

       地球观测系统（Earth Observing System，简称EOS），始于1980年NASA提出的美国全球变化研究计划（U.S. Global Change Research Plan，简称USGCRP），于1991年开始建立并投入使用，它是由多颗卫星组成和为实行多学科（大气、海洋、陆面、生物、化学等）综合研究，加深对地球系统变化的理解，回答理解全球气候变化的问题，地球气候系统是如何变化的，各种地球现象是如何发生的，又是如何变化的，自然和人类对全球环境变化的作用，建立人类对地球系统发生的各种现象的长期监视，改进对全球尺度上地球系统各分量及它们间相互作用的理解目的而建立的全球卫星观测体系。整个系统包含三个部分：

       1、EOS科学研究计划；

       2、EOS数据信息系统（Earth Observing System Data and Information System，简称EOSDIS）人类所能构想的最雄心勃勃的数据项目之一，于1999年正式上线，自 上线以来，EOSDIS已成为全球最大和最活跃的数据存储库，每天接收 3 TB 的新数据并向全球各地的研究人员分发 2 TB 的现有信息，支撑全球用户访问 2000 多万个文件（包含超过 1 PB 的信息），EOSDIS为整个EOS系统提供了整体框架The Framework，是EOS系统的基石。

       3、EOS观测系统（轨道载体平台、仪器）

全球DEM数据发展概述

       全球DEM数据从1988开始，经过30余年的发展，在生产方法、数据处理技术、分辨率、精度、应用领域与市场等多个方面都有了长足发展。

       生产方法：生产方法从最初的数据编制到目前的基于遥感技术全球DEM数据快速获取；

       处理技术：数据处理技术从最初的手动镶嵌、分区域重采样、人工整合到目前的全球无控制点自动化处理；

       分辨率：分辨率从最初的5弧分经纬度网格到目前的5m分辨率；精度从最初的无明确精度指标到目前的优于5m LE90；

       应用领域：随着全球DEM数据各种指标的提升，应用区域从最初的全球大面积变化研究逐步拓展到城市甚至局部小面积区域高程相关应用研究，应用行业也从传统的测绘、国土资源管理、气候与大气治理、环境保护拓展到通信网络规划设计、智能交通系统设计、矿产资源、建筑与土木工程设计、减灾防灾、国防与国家安全等领域。人类对全球DEM数据的需求将随着信息空间的拓展逐步增强。

       市场：全球DEM数据产品从最初完全由政府组织生产、共享、使用，随着应用领域与规模的发展，先后有多家公司加入，如AIRBUSDEFENCE AND SPACE、Digital Globe、NTT DATA and Remote Sensing Technology Center of Japan等，逐步形成了一个全球DEM数据产品市场，为企业获取全球DEM数据提供了非政府渠道。

 

全球DEM数据的鼻祖

ETOPO系列

       ETOPO5是第一个广泛使用的全球高程模型，由美国地球物理中心（U.S. National Geophysical Data Center，简称NGDC）于1988年发布。ETOPO5提供5弧分经纬度网格的陆地和海洋高程，在美国、欧洲、日本、澳大利亚和海洋区域提供5弧分经纬度网格分辨率，亚洲、南美、加拿大北部和非洲等数据不足的地区提供相当于1经纬度网格分辨率（5弧分经纬度在赤道约为10 Km间距，赤道周长40075 Km，360*60 = 21600弧分,5弧分 = 40075/21600*5=9.27 Km）。

       NGDC于2001年、2006年陆续发布了ETOPO2的两个版本，提供5弧分经纬度网格的陆地和海洋高程；2008年8月NGDC发布了ETOPO1版本，提供全球范围1弧分经纬度网格分辨率的陆渡和海洋高程，分为Ice Surface和Bedrock两个版本，两个版本差别在于处理南极洲和Greenland区域数据时，Ice Surface给出的是加上冰盖层之后的高程，Bedrock给出的是岩床的高程。ETOPO1是目前可以免费使用的唯一提供海洋高程的全球DEM数据。

 

 

       ETOPO系列全球DEM数据给出的是基于MSL正常高高程，由于ETOPO系列全球DEM数据采用对已有制图数据重新编制的生产方法生成，因此没有给出明确的精度指标，全球不同区域的精度依赖于相关数据源的精度。

 

GTOPO30

       为了满足EOS和其他全球变化研究项目的需求，20世纪90年代末（1996年完成），美国地质调查局（United States Geological Survey，简称USGS）开发了全球1Km DEM产品GTOPO30，相当于30弧秒经纬度网格分辨率。GTOPO30同样采用对已有制图数据重新编制的生产方法，共8个数据源，由8个机构参与数据提供、技术及资金支持，经过三年的合作最终完成。

       主导机构：

       美国地质调查局地球资源观测和科学中心（U.S. Geological Survey's Center for Earth Resources Observation and Science，简称EROS）

       参与机构：

       美国国家航空航天局（NASA）

       联合国环境规划署/全球资源信息数据库（The United Nations Environment Programme /Global Resource Information Database，简称UNEP/GRID）

       美国国际开发署（U.S. Agency for International Development，简称USAID）

       墨西哥国家地理调查研究所（INEGI）

       日本地理调查研究所（Geographical Survey Institute of Japan，简称GSI）

       新西兰Manaaki Whenua陆地保护研究所（Manaaki Whenua Landcare Research of New Zealand）

       南极研究科学委员会（Scientific Committee on Antarctic Research，简称SCAR）

       GTOPO30数据80％区域是基于美国国家地理空间情报局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，简称NGA)提供的数字地形高程数据（Digital Terrain Elevation Data，简称DTED）和世界数字图表（Digital Chart of the World,简称DCW）编制而成。将DTED由3弧秒经纬度网格分辨率重采样到30弧秒经纬度网格分辨率。利用网格插值将DCW中的源地形图（轮廓和点高度）和水文特征数据融合到GTOPO30数据中。

 

 

       GTOPO30自发布以来已经成为许多大面积应用的首选全球DEM，它也是其他全球DEM数据产品的主要数据源，如全球一公里基础高程数据（Global Land One-km Base Elevation，简称GLOBE）、ETOPO2等全球DEM数据产品。

       GTOPO30只提供陆地区域高程，不提供海洋高程。GTOPO30提供的高程是基于MSL的正常高高程。

       和ETOPO系列相同，GTOPO30全球DEM数据采用对已有制图数据重新编制的生产方法生成，因此没有给出统一的精度指标，使用时可以根据对应区域参考两个主要数据源的精度指标，DTED在3弧秒经纬度网格分辨率时LE90为30米，DCW在融合到GTOPO30后，在30弧秒经纬度网格分辨率时可信的LE90为160米。

       为了便于数据分发，GTOPO30将全球数据分为33幅，用户可以根据研究区域分幅获取。

 

 

GMTED2010

       随着全球各领域研究对高分辨率DEM数据的需求不断增强，同时新的高程数据获取技术不断涌现，USGS和NGA合作，十年磨一剑，于2010年共同推出了全球多分辨率地形高程数据（Global Multi-resolution Terrain Elevation Data，简称GMTED2010），在全球陆地区域提供30弧秒、15弧秒、7.5弧秒三种分辨率DEM数据。（在格陵兰岛和南极洲只提供30弧秒分辨率DEM数据，其他陆地区域均提供相当于1Km、500m、250m分辨率的DEM数据），下图是GMTED2010全球30弧秒分辨率平均高程数据（-430/8625米）。

 

 

       GMTED2010在GTOPO30的基础上引入了新的高程数据源，多达11种栅格高程数据源，最主要的数据源NGA SRTM DTED2数据，约占69.92%，1弧秒分辨率，WGS84坐标系统，基于EGM96模型的正常高高程；NGA DTED1数据，约占8.7%，3弧秒分辨率，基于MSL的正常高高程；GMTED2010的数据源及其占比如下表

 

 

       MTED2010数据源的水平分辨率及参考坐标系统如下表

 

 

       MTED2010数据源的垂直分辨率及高程基准面如下表

 

 

       GMTED2010的数据源具有多分辨率、多基准面、多坐标系的特征，NASA和NGA在制作GMTED2010产品时，除了采用多分辨率外，还建立了包括最小高程、最大高程、平均高程、中间高程、高程标准偏差、系统统计采样、增强特征曲线的七种高程产品。

       为了便于使用者使用，GMTED2010产品中还包含一份SHP格式的元数据，通过该元数据可以快速获取指定区域GMTED2010产品的概览信息，元数据属性表如下

 

 

       通过元数据可以根据区域快速认知GMTED2010数据

 

 

       本文章转载自微信公众号：空间数据研究所