人(rén)站的(de)高度不(bù)同，看問題的(de)角度便不(bù)同，思考問題的(de)方式也(yě)不(bù)同，看到(dào)的(de)風景和(hé / huò)最終達到(dào)的(de)人(rén)生高度更是(shì)不(bù)同。當下的(de)高度到(dào)底有多高？應該怎樣認知自我站位的(de)高度？空間數據研究所帶您一(yī / yì ／yí)起認知一(yī / yì ／yí)類稱爲(wéi / wèi)高程的(de)數據，山川大(dà)地(dì / de)、江河湖海，地(dì / de)球的(de)每一(yī / yì ／yí)寸角落都有其高度，讓我們站在(zài)這(zhè)顆星球的(de)高度找到(dào)适合自己的(de)高度。

如何定義高度？

DEM的(de)概念

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

 

 

如何測量高度？

高程測量的(de)概念

       高程測量指确定地(dì / de)面點高程的(de)測量過程。地(dì / de)面點的(de)高程一(yī / yì ／yí)般是(shì)指該點沿鉛垂線方向到(dào)大(dà)地(dì / de)水準面的(de)距離，又稱海拔或絕對高程，測繪學中稱爲(wéi / wèi)正高。高程測量首先需要(yào / yāo)建立大(dà)地(dì / de)水準面。（指與平均海水面重合并延伸到(dào)大(dà)陸内部的(de)水準面，是(shì)正高的(de)基準面。）

似大(dà)地(dì / de)水準面

       大(dà)地(dì / de)水準面是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)重力等位面，因爲(wéi / wèi)地(dì / de)球密度的(de)非均勻性引起的(de)重力異常導緻無法獲取理論上(shàng)的(de)大(dà)地(dì / de)水準面模型，一(yī / yì ／yí)般基于(yú)莫洛金斯理論，通過長期觀測、地(dì / de)球重力場分布測量建立似大(dà)地(dì / de)水準面，地(dì / de)面點沿鉛垂線到(dào)似大(dà)地(dì / de)水準面的(de)距離稱爲(wéi / wèi)正常高。

高程系統

       基于(yú)似大(dà)地(dì / de)水準面定義的(de)高程系統稱爲(wéi / wèi)正常高系統，我國(guó)目前采用的(de)法定高程系統屬于(yú)正常高系統，美國(guó)采用的(de)是(shì)NAVD88正高高程系統，但軍方和(hé / huò)民用領域推廣的(de)多爲(wéi / wèi)基于(yú)WGS84坐标系統采用GPS測量的(de)大(dà)地(dì / de)高（大(dà)地(dì / de)高指地(dì / de)面點沿通過該點的(de)參考橢球面法線到(dào)參考橢球面的(de)距離，是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)幾何量）

地(dì / de)球重力分布模型

       似大(dà)地(dì / de)水準面的(de)建立涉及到(dào)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 / de)球重力分布模型建立、高精度高程控制網建立等多個(gè)部分，最重要(yào / yāo)且難度較大(dà)的(de)是(shì)地(dì / de)球重力分布模型建立。

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

       我國(guó)也(yě)建立了(le／liǎo)多個(gè)自主的(de)地(dì / de)球重力分布模型，如WDM89、WDM94等，其中WDM94的(de)網格分辨率達到(dào) 30 Arc-Minutes,約爲(wéi / wèi)55Km。

       地(dì / de)球重力分布模型不(bù)僅會影響大(dà)地(dì / de)水準面的(de)建立，更是(shì)衛星精密定軌的(de)基礎，而(ér)衛星定軌的(de)精度直接關系到(dào)衛星大(dà)地(dì / de)測量的(de)定位精度。下圖爲(wéi / wèi)EGM2008模型大(dà)地(dì / de)水準面可視化效果（-106.909/85.824米）

 

 

大(dà)地(dì / de)水準面模型

       随着航天技術的(de)發展，基于(yú)星載平台的(de)地(dì / de)球觀測系統越來(lái)越強大(dà)，使得建立高精度的(de)大(dà)地(dì / de)水準面模型成爲(wéi / wèi)可能，各國(guó)家或地(dì / de)區基于(yú)高精度GPS控制網、區域海平面觀測成果、地(dì / de)球重力分布模型建立高分辨率、高精度的(de)大(dà)地(dì / de)水準面模型，如美國(guó)最新發布的(de)GEOID2012、我國(guó)最新發布的(de)CQG2000等。大(dà)地(dì / de)水準面是(shì)地(dì / de)球重力分布模型的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)等位面。

衛星大(dà)地(dì / de)測量正常高程值

       高分辨率、高精度的(de)大(dà)地(dì / de)水準面模型是(shì)開展衛星大(dà)地(dì / de)測量的(de)基礎，通過GPS系統獲取地(dì / de)面點大(dà)地(dì / de)高（指地(dì / de)面點沿通過該點的(de)參考橢球面法線到(dào)參考橢球面的(de)距離，是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)幾何量），結合該點大(dà)地(dì / de)水準面高程信息，即可計算得出(chū)該點的(de)正常高程值。

       注：

       CQG2000（Chinese Quasi-Geoid 2000，簡稱CQG2000），我國(guó)最新一(yī / yì ／yí)代似大(dà)地(dì / de)水準面成果，覆蓋我國(guó)大(dà)陸及其海岸線以(yǐ)外400公裏的(de)區域和(hé / huò)南海諸島及其周圍海域。分辨率較高，精度達到(dào)分米級。通過全球DEM數據和(hé / huò)CQG2000進行計算即可獲取國(guó)内指定位置的(de)高程值。

       DTM是(shì)描述包括高程在(zài)内的(de)各種地(dì / de)貌因子(zǐ)，如坡度、坡向、坡度變化率等因子(zǐ)在(zài)内的(de)線性和(hé / huò)非線性組合的(de)空間分布模型，其中DEM是(shì)單項數字地(dì / de)貌模型，其他(tā)如坡度、坡向及坡度變化率等地(dì / de)貌特性可在(zài)DEM的(de)基礎上(shàng)計算生成。

如何評價高度？

DEM數據精度衡量指标

       圓概率誤差（Circular Error Probability,簡稱CEP）主要(yào / yāo)用于(yú)軍事領域，其在(zài)彈道(dào)學上(shàng)的(de)定義是(shì)以(yǐ)目标爲(wéi / wèi)圓心劃一(yī / yì ／yí)個(gè)圓，如果武器命中此圓的(de)機率至少爲(wéi / wèi)50%，則此圓的(de)半徑就(jiù)是(shì)圓概率誤差。

 

 

       性誤差概率(Linear Error Probability，簡稱LEP)，是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)線性範圍，一(yī / yì ／yí)般用于(yú)表示絕對高程精度。例如，某測量點的(de)垂直精度爲(wéi / wèi)1米 LE90，表示該測量點的(de)90%的(de)測量值沿1米長度的(de)垂直線下降，估計的(de)真實值位于(yú)該垂直線的(de)中心點。

       測繪領域常用CE90（Circular Error at 90% Probability）和(hé / huò)LE90(Linear Error at 90% Probability）分别作爲(wéi / wèi)平面精度和(hé / huò)高程精度的(de)衡量指标，國(guó)内外衛星在(zài)發布定位精度時(shí)，一(yī / yì ／yí)般使用CE90作爲(wéi / wèi)精度指标。

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

       DEM數據産品一(yī / yì ／yí)般都給出(chū)對應的(de)CE90、LE90值或垂直精度RMSE值，幫助使用者了(le／liǎo)解其水平和(hé / huò)高程精度。

了(le／liǎo)解地(dì / de)球的(de)高度

全球DEM數據

       随着地(dì / de)球系統科學（Earth System Science）的(de)出(chū)現以(yǐ)及越來(lái)越多的(de)研究領域開始關注全球變化，全球DEM數據需求在(zài)20世紀80年代顯著增加，1988年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration ，簡稱NASA）組建地(dì / de)形科學工作組，系統性梳理了(le／liǎo)高程數據的(de)科學應用領域，并提出(chū)了(le／liǎo)制作全球DEM數據集的(de)建議。

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

       注：

       地(dì / de)球觀測系統（Earth Observing System，簡稱EOS），始于(yú)1980年NASA提出(chū)的(de)美國(guó)全球變化研究計劃（U.S. Global Change Research Plan，簡稱USGCRP），于(yú)1991年開始建立并投入使用，它是(shì)由多顆衛星組成和(hé / huò)爲(wéi / wèi)實行多學科（大(dà)氣、海洋、陸面、生物、化學等）綜合研究，加深對地(dì / de)球系統變化的(de)理解，回答理解全球氣候變化的(de)問題，地(dì / de)球氣候系統是(shì)如何變化的(de)，各種地(dì / de)球現象是(shì)如何發生的(de)，又是(shì)如何變化的(de)，自然和(hé / huò)人(rén)類對全球環境變化的(de)作用，建立人(rén)類對地(dì / de)球系統發生的(de)各種現象的(de)長期監視，改進對全球尺度上(shàng)地(dì / de)球系統各分量及它們間相互作用的(de)理解目的(de)而(ér)建立的(de)全球衛星觀測體系。整個(gè)系統包含三個(gè)部分：

       1、EOS科學研究計劃；

       2、EOS數據信息系統（Earth Observing System Data and Information System，簡稱EOSDIS）人(rén)類所能構想的(de)最雄心勃勃的(de)數據項目之(zhī)一(yī / yì ／yí)，于(yú)1999年正式上(shàng)線，自 上(shàng)線以(yǐ)來(lái)，EOSDIS已成爲(wéi / wèi)全球最大(dà)和(hé / huò)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 / de)的(de)研究人(rén)員分發 2 TB 的(de)現有信息，支撐全球用戶訪問 2000 多萬個(gè)文件（包含超過 1 PB 的(de)信息），EOSDIS爲(wéi / wèi)整個(gè)EOS系統提供了(le／liǎo)整體框架The Framework，是(shì)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餘年的(de)發展，在(zài)生産方法、數據處理技術、分辨率、精度、應用領域與市場等多個(gè)方面都有了(le／liǎo)長足發展。

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

       處理技術：數據處理技術從最初的(de)手動鑲嵌、分區域重采樣、人(rén)工整合到(dào)目前的(de)全球無控制點自動化處理；

       分辨率：分辨率從最初的(de)5弧分經緯度網格到(dào)目前的(de)5m分辨率；精度從最初的(de)無明确精度指标到(dào)目前的(de)優于(yú)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(dà)面積變化研究逐步拓展到(dào)城市甚至局部小面積區域高程相關應用研究，應用行業也(yě)從傳統的(de)測繪、國(guó)土資源管理、氣候與大(dà)氣治理、環境保護拓展到(dào)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(rén)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AIRBUSDEFENCE AND SPACE、Digital Globe、NTT DATA and Remote Sensing Technology Center of Japan等，逐步形成了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)全球DEM數據産品市場，爲(wéi / wèi)企業獲取全球DEM數據提供了(le／liǎo)非政府渠道(dào)。

 

全球DEM數據的(de)鼻祖

ETOPO系列

       ETOPO5是(shì)第一(yī / yì ／yí)個(gè)廣泛使用的(de)全球高程模型，由美國(guó)地(dì / de)球物理中心（U.S. National Geophysical Data Center，簡稱NGDC）于(yú)1988年發布。ETOPO5提供5弧分經緯度網格的(de)陸地(dì / de)和(hé / huò)海洋高程，在(zài)美國(guó)、歐洲、日本、澳大(dà)利亞和(hé / huò)海洋區域提供5弧分經緯度網格分辨率，亞洲、南美、加拿大(dà)北部和(hé / huò)非洲等數據不(bù)足的(de)地(dì / de)區提供相當于(yú)1經緯度網格分辨率（5弧分經緯度在(zài)赤道(dào)約爲(wéi / wèi)10 Km間距，赤道(dào)周長40075 Km，360*60 = 21600弧分,5弧分 = 40075/21600*5=9.27 Km）。

       NGDC于(yú)2001年、2006年陸續發布了(le／liǎo)ETOPO2的(de)兩個(gè)版本，提供5弧分經緯度網格的(de)陸地(dì / de)和(hé / huò)海洋高程；2008年8月NGDC發布了(le／liǎo)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 / huò)海洋高程，分爲(wéi / wèi)Ice Surface和(hé / huò)Bedrock兩個(gè)版本，兩個(gè)版本差别在(zài)于(yú)處理南極洲和(hé / huò)Greenland區域數據時(shí)，Ice Surface給出(chū)的(de)是(shì)加上(shàng)冰蓋層之(zhī)後的(de)高程，Bedrock給出(chū)的(de)是(shì)岩床的(de)高程。ETOPO1是(shì)目前可以(yǐ)免費使用的(de)唯一(yī / yì ／yí)提供海洋高程的(de)全球DEM數據。

 

 

       ETOPO系列全球DEM數據給出(chū)的(de)是(shì)基于(yú)MSL正常高高程，由于(yú)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(chū)明确的(de)精度指标，全球不(bù)同區域的(de)精度依賴于(yú)相關數據源的(de)精度。

 

GTOPO30

       爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)滿足EOS和(hé / huò)其他(tā)全球變化研究項目的(de)需求，20世紀90年代末（1996年完成），美國(guó)地(dì / de)質調查局（United States Geological Survey，簡稱USGS）開發了(le／liǎo)全球1Km DEM産品GTOPO30，相當于(yú)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(gè)數據源，由8個(gè)機構參與數據提供、技術及資金支持，經過三年的(de)合作最終完成。

       主導機構：

       美國(guó)地(dì / de)質調查局地(dì / de)球資源觀測和(hé / huò)科學中心（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）

       墨西哥國(guó)家地(dì / de)理調查研究所（INEGI）

       日本地(dì / de)理調查研究所（Geographical Survey Institute of Japan，簡稱GSI）

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

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

       GTOPO30數據80％區域是(shì)基于(yú)美國(guó)國(guó)家地(dì / de)理空間情報局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，簡稱NGA)提供的(de)數字地(dì / de)形高程數據（Digital Terrain Elevation Data，簡稱DTED）和(hé / huò)世界數字圖表（Digital Chart of the World,簡稱DCW）編制而(ér)成。将DTED由3弧秒經緯度網格分辨率重采樣到(dào)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 / de)形圖（輪廓和(hé / huò)點高度）和(hé / huò)水文特征數據融合到(dào)GTOPO30數據中。

 

 

       GTOPO30自發布以(yǐ)來(lái)已經成爲(wéi / wèi)許多大(dà)面積應用的(de)首選全球DEM，它也(yě)是(shì)其他(tā)全球DEM數據産品的(de)主要(yào / yāo)數據源，如全球一(yī / yì ／yí)公裏基礎高程數據（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 / de)區域高程，不(bù)提供海洋高程。GTOPO30提供的(de)高程是(shì)基于(yú)MSL的(de)正常高高程。

       和(hé / huò)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(chū)統一(yī / yì ／yí)的(de)精度指标，使用時(shí)可以(yǐ)根據對應區域參考兩個(gè)主要(yào / yāo)數據源的(de)精度指标，DTED在(zài)3弧秒經緯度網格分辨率時(shí)LE90爲(wéi / wèi)30米，DCW在(zài)融合到(dào)GTOPO30後，在(zài)30弧秒經緯度網格分辨率時(shí)可信的(de)LE90爲(wéi / wèi)160米。

       爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)便于(yú)數據分發，GTOPO30将全球數據分爲(wéi / wèi)33幅，用戶可以(yǐ)根據研究區域分幅獲取。

 

 

GMTED2010

       随着全球各領域研究對高分辨率DEM數據的(de)需求不(bù)斷增強，同時(shí)新的(de)高程數據獲取技術不(bù)斷湧現，USGS和(hé / huò)NGA合作，十年磨一(yī / yì ／yí)劍，于(yú)2010年共同推出(chū)了(le／liǎo)全球多分辨率地(dì / de)形高程數據（Global Multi-resolution Terrain Elevation Data，簡稱GMTED2010），在(zài)全球陸地(dì / de)區域提供30弧秒、15弧秒、7.5弧秒三種分辨率DEM數據。（在(zài)格陵蘭島和(hé / huò)南極洲隻提供30弧秒分辨率DEM數據，其他(tā)陸地(dì / de)區域均提供相當于(yú)1Km、500m、250m分辨率的(de)DEM數據），下圖是(shì)GMTED2010全球30弧秒分辨率平均高程數據（-430/8625米）。

 

 

       GMTED2010在(zài)GTOPO30的(de)基礎上(shàng)引入了(le／liǎo)新的(de)高程數據源，多達11種栅格高程數據源，最主要(yào / yāo)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(yú)EGM96模型的(de)正常高高程；NGA DTED1數據，約占8.7%，3弧秒分辨率，基于(yú)MSL的(de)正常高高程；GMTED2010的(de)數據源及其占比如下表

 

 

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

 

 

       MTED2010數據源的(de)垂直分辨率及高程基準面如下表

 

 

       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 / huò)NGA在(zài)制作GMTED2010産品時(shí)，除了(le／liǎo)采用多分辨率外，還建立了(le／liǎo)包括最小高程、最大(dà)高程、平均高程、中間高程、高程标準偏差、系統統計采樣、增強特征曲線的(de)七種高程産品。

       爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)便于(yú)使用者使用，GMTED2010産品中還包含一(yī / yì ／yí)份SHP格式的(de)元數據，通過該元數據可以(yǐ)快速獲取指定區域GMTED2010産品的(de)概覽信息，元數據屬性表如下

 

 

       通過元數據可以(yǐ)根據區域快速認知GMTED2010數據

 

 

       本文章轉載自微信公衆号：空間數據研究所