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上篇介绍了ETOPO和GTOPO30两个全球DEM数据产品家族，作为最早的全球DEM数据产品，受制于当时的数据获取手段，均采用已有数据源汇集编制的生产方法，在高程系统一致性、获取时间一致性、分辨率、精度评价、更新等几个方面存在或多或少的问题。随着卫星遥感技术的发展，获取全球范围一致质量的高分辨率数字高程数据成为可能。目前应用最广泛的免费高分辨率全球DEM数据均采用卫星遥感技术获取和生产，同时，卫星遥感技术也成为了生产全球大区域覆盖、高质量DEM数据的主要数据源获取技术。本篇和大家一起走进基于卫星遥感技术获取全球DEM数据这个领域。

四大流派

基于卫星遥感技术获取全球DEM数据的系统类型主要有以下四种：光学立体像对（Stereo Satellite Imagery）、合成孔径雷达（SyntheticAperture Radar）、雷达测高（Radar Altimetry）、激光测高（Laser Altimetry）

先看光学立体像对这一脉

基于光学立体像对获取高程数据的卫星遥感系统历史最为悠久、也是目前应用最为广泛、技术最为成熟的大区域DEM数据获取技术系统。

                             

                        

 

提到光学立体像对获取高程数据就不得不提起SPOT（Systeme Probatoire d’Observation de la Terre，简称SPOT，即地球观测系统）。

     

SPOT卫星

     

SPOT卫星历史悠久，二战后被戴高乐总统带上巅峰的法国，仅晚于美国3年于1961年就成立了法国国家太空研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales，简称CNES，美国国家航空航天局，即NASA，于1958年由艾森豪威尔总统主导成立），CNES在1986年发射了SPOT1星，1988年就有研究人员基于跨轨道SPOT卫星像对数据成果提取了DEM数据。这应该算是最早的基于卫星遥感光学立体像对技术获取DEM数据的实践了，SPOT星座后续相继有SPOT2、SPOT3、SPOT4、SPOT5、SPOT6以及2014年发射的SPOT7，SPOT系列卫星的数据产品目前由空中客车国防航天公司（Airbus Defence and Space）负责经营，对外提供基于SPOT5卫星的30m分辨率全球DEM数据产品Reference3D，AIRBUS作为全球最重要的卫星遥感数据产品提供商，还提供多种更高分辨率的DEM数据产品，具体待下一篇介绍商业DEM数据产品时再详细介绍。

       

ASTER GDEM产品

    

聊完SPOT，下面介绍本篇的第一位主角ASTER GDEM，目前应用最广的免费全球DEM数据产品之一，ASTER是传感器的名字，其全称为先进星载热发射和反射辐射计（The Advanced Spaceborne Thermal Emission andReflection Radiometer ，简称ASTER），于1999年12月搭载NASAEOS系统旗舰卫星Terra升空，从2000年开始回传数据，ASTER是由美国国家航空航天局（NASA）、日本经济产业省（METI）、日本航天局（Japan Space Systems，成立于1986年，日本二战后最辉煌的年代，可以看出航天领域的发展绝对和一个国家的整体实力成正比）。ASTER传感器采集的是15m分辨率的同步光学立体像对，基于上述光学立体像对生产全球DEM数据ASTER Global DEM，即ASTER GDEM。

NASA和METI于2009年6月28日共同发布了ASTER GDEM v1数据产品，并宣布向全球用户免费开放下载使用。ASTER GDEM v1采用全自动的生产方式，并首创无控制点绝对DSM数据生产方法，通过一年的时间完成了ASTERGDEM测试版本数据生产处理。

注：

传统基于卫星光学立体像对生产DEM数据，必须提供具有高精度水平和垂直坐标的外部大地控制点以获得绝对（地理参考）DEM；否则所获得的数据都是相对DEM。由于改进了卫星星历表和ASTER仪器的传感器模型的位置信息，ASTER DEM能够充分进行地理定位（具有绝对坐标），无需外部控制点。这种方法有力提升了大量数据的处理效率，能够满足全球大面积DEM数据生产处理的需求。

2011年10月中旬，NASA和METI共同发布了ASTER GDEM v2版本，在v1的基础之上，新增了26万光学立体像对数据，主要用于改善覆盖范围、提升数据分辨率、提升水体掩模处理精确度。

2019年8月5日，NASA和METI共同发布了ASTER GDEM v3版本，在v2的基础之上，新增了36万光学立体像对数据，主要用于减少高程值空白区域、水域数值异常。

伴随v3同时发布了一个新的全球数据产品：ASTER水体数据集（ASTER Water Body Dataset，简称ASTWBD），每一幅ASTER GDEM数据都有对应的水体数据，ASTWBE也是目前基本能够覆盖全球的唯一水体数据。

ASTER GDEM三个版本基本属性表如下：

 

 

v3版本数据在有效覆盖范围，高程精度方面有显著提升，建议大家在应用研究中直接使用v3版本的ASTER GDEM数据产品。

ASTER GDEM对全球用户免费开放下载使用，目前国内提供的下载源基本都是v1版本数据，建议大家直接下载v3版本的数据进行研究应用。NASA和METI提供的GDEx（The Global Data Explorer）在2019年8月6日已经关闭

 

如果需要下载数据可以直接访问LD DAAC直接下载分幅数据包，这个是一个FTP服务器，注册后可以直接分幅下载，然后自己进行拼接即可。全球范围一共22608个文件（没有官方文档提到的22912，目前不知原因）,共计373GB，如果大家有需要可以关注公众号“空间数据研究所”，不超过一个省的话会直接发给大家，主要是网络压力有点大。

 

ALOS AW3D30产品

  

光学立体像对这一脉，除了上面给大家介绍的老前辈ASTER GDEM，再给大家介绍一个目前质量非常不错的新后生，由日本宇宙航空研究所（Japan Aerospace Exploration Agency，简称JAXA）打造的AW3D30，AW3D30背景很深。

  

先看数据采集部分，ALOS（Advanced Land Observation Satellite）是日本地球观测卫星计划的重要组成部分，于2006年发射，2011年失去动力和通信。ALOS共搭载了三个传感器：全色遥感立体测绘仪（PRISM），主要用于数字高程测绘；先进可见光与近红外辐射计-2（AVNIR-2），用于精确陆地观测；相控阵型L波段合成孔径雷达（PALSAR），用于全天时全天候陆地观测。

   

  

PRISM传感器全球区域获取光学立体像对数量分布如下

   

    

再看数据处理部分，JAXA基于PRISM（The Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping）传感器采集的光学立体像对数据，同时开发了一个高速光学立体像对数据处理系统，每天处理2TB数据（2000幅），经过两年多完成了全球范围的数据共计300万个场景的数据处理和验证工作，于2016年对外发布了AW3D产品，全球第一个5m分辨率的全球DSM产品（部分区域可提供0.5m、1m、2m、2.5m等不同分辨率的DSM数据产品，这个确实牛，值得学习）。

   

 

经过全球范围验证，AW3D产品的高程误差全球范围平均3.4m左右

   

 

AW3D产品是一个商业产品，使用是需要付费的，根据日本和美国之间的约定全球免费DEM数据产品分辨率不得大于30m（此处为猜测，目前没有看到具体的约定条款），采用重采样技术基于AW3D生成了AW3D30，30m分辨率的全球DSM产品，向全球用户免费开放下载使用。

   

                         

   

从2016年开始，JAXA每年都会发布一个新版本的AW3D30产品，目前最新的是2019年4月发布的AW3D30v2.2，其基本属性如下。

   

                                                                       

   

目前空间数据研究所已经完成AW3D30全球DSM数据下载和拼接处理，全球范围共计172GB左右（如果大家有需要可以关注公众号“空间数据研究所”，不超过一个省的话会直接发给大家，主要是网络压力有点大），整体效果如下

       

                        

    

原始数据如下

    

                            

     

聊完全球免费DEM数据江湖光学立体像对一脉的两大派系，下面接着和大家聊合成孔径雷达这一脉。

   

合成孔径雷达

合成孔径雷达（SyntheticAperture Radar，简称SAR），属于一种微波成像雷达，是一种主动遥感技术，目前广泛用于获取数字高程数据。基于合成孔径雷达雷达数据提取DEM数据主要有两种方法：雷达摄影测量（Radargrammetry），SAR干涉测量（SAR Interferometry）。

雷达摄影测量与光学光学立体像对类似，利用雷达回波成像获取光学立体像对，进而获取DSM数据，始于20世纪70年代的机载雷达，20世纪80年代NASA开始提供航天成像雷达（Shuttle Imaging Radar，简称SIR）数据，20世纪90年代初欧洲发射了ERS-1（The First European Remote Sensing Satellite）,开启了卫星雷达摄影测量时代。

SAR干涉测量是一种利用雷达返回信号中的相位信息的技术，通过测量每个像素的雷达回波之间的相位差，然后执行互相关来生成相位差“图像”，相位差图像中的轮廓对应于地形高度的轮廓，再结合平台位置和姿态信息、控制点将相位差转换为地形高度，最终获取DEM。SAR干涉测量通常被称为IFSAR，也称为InSAR。

2000年2月11日，NASA和NGA合作发起航天飞机雷达地形测量任务（The Shuttle  Radar Topography Mission，简称SRTM），在NASA航天飞机上搭载SIR-C/X-SAR雷达成像设备，进行了11天的数据采集任务，获取了全球80％的陆地（北纬60度和南纬56度之间的所有陆地区域）的干涉数据，随后通过SAR干涉测量法生产了SRTM数据产品，这一项目不仅为后续基于SAR干涉测量方法的全球DEM数据生产奠定了至关重要的基础，同时也产生了大名鼎鼎的全球DEM数据SRTM。下面就给大家介绍合成孔径雷达一脉的扛把子SRTMGL。

   

SRTMGL产品

基于NASA航天飞机雷达成像设备获取原始数据后，NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，简称JPL）设计开发了SRTM数据处理系统GDPS（SRTM Ground Data Processing System，简称GDPS）用于处理SRTM数据，并制定了宏大的数据产品计划

                        

   

为了赶在ASTERGDEM产品发布之前对外公布基于遥感技术的全球高分辨率DEM数据产品，NASA JPL 2000年就发布了SRTM v1版本，虽然只是完成了部分产品，但仍然站在了基于遥感技术获取全球DEM数据技术和行业的最前端。

随后，NGA开始接手SRTM数据的处理工作，于2006年完成了所有规划产品的生产，正式对外提供全面的SRTM DEM v2版本数据，根据规定，在美国领土范围内免费提供1 arc-second（30m）分辨率的SRTM DEM数据，其他区域可以免费获取3 arc-second（90m）和30arc-second（1000m）分辨率的SRTM DEM数据（USA传统做法，占据某一领域最前沿，然后开始打压其他国家在该领域的发展，并同时保持自己在该领域的绝对领先）。

为了继续保持在全球DEM数据领域的领先，NASA借助最新的项目MEaSUREs （Making Earth System Data Records for Use in Research Environments）着手升级SRTM DEM数据产品，这次升级工作又回到JPL手中，JPL接手后先对数据错误进行了修正，发布了v2.1版本，随后发大招，融合ASTER GDEM v2、USGS GMTED2010、USGS NED（National Elevation Dataset）数据，于2015年10月发布了SRTM Plus即v3版本产品，SRTM Plus所有数据向全球用户免费开放下载使用，包括SRTMGL1、SRTMGL3和SRTMGL30三种不同的分辨率的全球DEM数据产品，其基本属性如下

                                                                

    

目前空间数据研究所已经完成SRTMGL1 v3全球DSM数据下载和拼接处理，全球范围共计129GB（如果大家有需要可以关注公众号“空间数据研究所”，不超过一个省的话会直接发给大家，主要是网络压力有点大），整体效果如下

  

                         

原始数据如下

   

                         

  

X频段陆地合成孔径雷达卫星

合成孔径雷达这一脉由SRTM打下江山，但毕竟是上世纪的技术和成果了，不仅无法PK ALOS AW3D这样牛哄哄的产品，甚至面对ASTER GDEM v3这样的老树新花都有点有心无力。

首先，德国人看不下去了（因为德国2000年就参与了SRTM项目，在NASA的航天飞机上搭载了X频段的雷达用于获取高分辨率的DEM数据，也算是合成孔径雷达这一脉的老前辈了），于是由德國航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，简称DLR）和EADS Astrium合作，于2010年启动了TanDEM-X项目，扛起SAR干涉测量的大旗，基于TerraSAR-X卫星平台，开启SAR干涉测量生成全球DEM数据的新时代。

2007年6月15日TerraSAR-X卫星在俄罗斯发射升空，希望TerraSAR-X能给我们带来更好的全球DEM数据产品。

                      

       

雷达测高

严格来讲，雷达测高不属于全球DEM数据这个江湖，因为雷达测高最初设计目标主要用于测量海面高度和冰盖地形。目前也被用于在陆地区域获取分幅高程数据。目前应用较为广泛的雷达测高平台有ERS（EuroPean Remote Sensing Sateillte）和Envisat（2002年发射升空，2012年失去通信），平台上的雷达高度计仪器收集的数据有力推动了大面积地形应用中雷达测高方案的应用，鉴于其但提供的高垂直精度数据，可用于验证或检查其他大面积海拔数据集的质量），另外主要用于在格陵兰岛（最近特朗普要从丹麦买的那个岛）和南极洲生成更新高质量的DEM。除了陆地地形，雷达高度计数据已成功处理用于绘制海洋水深测量图，这些测深数据已与SRTM30的土地数据合并，生成覆盖陆地和海洋的全球高程数据集。

激光测高

和雷达测高一样，激光测高也不属于全球DEM这个江湖。激光测高法，通常称为LiDAR，同样是一种主动的遥感技术，能够用于获取厘米级垂直精度的高程数据。携带地球科学激光高度计系统（GLAS）的ICESat平台于2003年发射，并在大部分地区收集了LiDAR数据（约70米分辨率），覆盖全球陆地表面（南北纬86度）。由于激光测高所提供的高垂直精度，GLAS的主要任务是收集重复地形测量值以监测极地冰盖，目前这一任务已成功完成。

ICESat平台获取的高精度高程数据目前也用于开发高质量的南极洲DEM数据。除了极地监测的主要任务目标外，ICESat平台获取的高精度高程数据已被证明可用作验证其他全球DEM源数据的参考控制数据，特别是SRTM DEM数据产品。

免费全球DEM数据产品综述

本篇和大家分享了三个全球DEM数据产品：ASTER GDEM、ALOS AW3D30、SRTM Plus，他们整体可以分为两类：基于卫星遥感光学光学立体像对技术获取的全球DEM数据，基于卫星遥感雷达测量技术获取的全球DEM数据。

 

首先，在具体的研究应用过程中，首先需要了解两类全球DEM数据的特性，然后根据应用场景来确定采用哪一个全球DEM数据产品。数据空洞可能是影响DEM使用的主要特性。

对于SRTM Plus而言，数据空洞主要是由于雷达信号与陡峭的地形相互作用（从而导致阴影，缩短或停留）以及水或沙子等光滑表面不能反射足够的能量造成的。根据具体的应用场景区域地貌特征和对DEM数据连续性的要求来决策是否可以使用SRTM Plus。

对于ASTER GDEM、ALOS AW3D30来说，数据空洞主要出现在无法从获取的光学立体像对中获得可靠高程信息的区域，通常最主要是由于长时间云层覆盖导致。

其次，两类全球DEM数据都属于DSM，而非DEM，即高程值中包含树木或建筑结构的高度，不是研究区域的裸地面高程，这一点需要特别注意，尤其是在建筑物密集的城市区域或树木集中的林区，如果研究应用场景需要裸地面高程，则这两类全球DEM数据均不能满足。因此，USGS才下定决心搞了一个GMTED2010，全球多分辨率地形高程数据2010模型，上篇已做介绍。全球DEM数据介绍（上）

注

目前GPS系统给出的高程值均为大地高，即地面点到GPS系统参考椭球的高度值，全球各个国家基本采用正高或正常高作为高程值，因此无法直接使用GPS系统获取可用的高程值。

最后，就三个免费全球DEM数据产品而言，SRTM Plus具有最好的垂直精度，ASTER GDEM具有最大的覆盖区域，ALOS AW3D30具有最好的数据现时性。下面是关于三个免费全球DEM数据的属性对照表

  

    

       

计划通过三篇文章来介绍全球DEM数据产品：

上篇 主要介绍DEM的基本概念，高程值测量系统与主要组件概念，如高程系统、大地水准面、正高、大地高等内容，高程数据精度评价指标，全球DEM数据的缘起和发展概览，介绍两个最早发展的全球DEM数据产品家族：ETOPO系列、GTOPO系列。

中篇 主要介绍其余免费的全球DEM数据产品，免费全球DEM数据产品的获取方式介绍，并对所有免费全球DEM数据产品做整体对比分析。

下篇 主要介绍目前商业公司提供的全球DEM数据产品，并对所有商业全球DEM数据产品做整体对比分析。

本文转载自：空间数据研究所         作者： aoimap