人站的高度不同，看問(wèn)題的角度便不同，思考問(wèn)題的方式也不同，看到的風(fēng)景和最終達到的人生高度更是不同。當下的高度到底有多高？應該怎樣認知自我站位的高度？空間數據研究所帶您一起認知一類(lèi)稱(chēng)為高程的數據，山川大地、江河湖海，地球的每一寸角落都有其高度，讓我們站在這顆星球的高度找到適合自己的高度。

如何定義高度？

DEM的概念

       數字高程模型（Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱(chēng)DEM），利用有序、有限的位置高程數值矩陣實(shí)現對星球表面高程狀態(tài)的數字化模擬，是建立數字地形模型（Digital Terrain Model，簡(jiǎn)稱(chēng)DTM）的基礎。

 

 

如何測量高度？

高程測量的概念

       高程測量指確定地面點(diǎn)高程的測量過(guò)程。地面點(diǎn)的高程一般是指該點(diǎn)沿鉛垂線(xiàn)方向到大地水準面的距離，又稱(chēng)海拔或絕對高程，測繪學(xué)中稱(chēng)為正高。高程測量首先需要建立大地水準面。（指與平均海水面重合并延伸到大陸內部的水準面，是正高的基準面。）

似大地水準面

       大地水準面是一個(gè)重力等位面，因為地球密度的非均勻性引起的重力異常導致無(wú)法獲取理論上的大地水準面模型，一般基于莫洛金斯理論，通過(guò)長(cháng)期觀(guān)測、地球重力場(chǎng)分布測量建立似大地水準面，地面點(diǎn)沿鉛垂線(xiàn)到似大地水準面的距離稱(chēng)為正常高。

高程系統

       基于似大地水準面定義的高程系統稱(chēng)為正常高系統，我國目前采用的法定高程系統屬于正常高系統，美國采用的是NAVD88正高高程系統，但軍方和民用領(lǐng)域推廣的多為基于WGS84坐標系統采用GPS測量的大地高（大地高指地面點(diǎn)沿通過(guò)該點(diǎn)的參考橢球面法線(xiàn)到參考橢球面的距離，是一個(gè)幾何量）

地球重力分布模型

       似大地水準面的建立涉及到平均海平面（MSL）觀(guān)測確定、水準原點(diǎn)設置、參考橢球模型選擇、地球重力分布模型建立、高精度高程控制網(wǎng)建立等多個(gè)部分，最重要且難度較大的是地球重力分布模型建立。

       目前使用較多的地球重力分布模型EGM2008（Earth Gravitational Model EGM2008）由美國國家地理空間情報局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，簡(jiǎn)稱(chēng)NGA)于2008年發(fā)布，EGM2008的網(wǎng)格分辨率達到5 Arc-Minutes，約為9Km。

       我國也建立了多個(gè)自主的地球重力分布模型，如WDM89、WDM94等，其中WDM94的網(wǎng)格分辨率達到 30 Arc-Minutes,約為55Km。

       地球重力分布模型不僅會(huì )影響大地水準面的建立，更是衛星精密定軌的基礎，而衛星定軌的精度直接關(guān)系到衛星大地測量的定位精度。下圖為EGM2008模型大地水準面可視化效果（-106.909/85.824米）

 

 

大地水準面模型

       隨著(zhù)航天技術(shù)的發(fā)展，基于星載平臺的地球觀(guān)測系統越來(lái)越強大，使得建立高精度的大地水準面模型成為可能，各國家或地區基于高精度GPS控制網(wǎng)、區域海平面觀(guān)測成果、地球重力分布模型建立高分辨率、高精度的大地水準面模型，如美國最新發(fā)布的GEOID2012、我國最新發(fā)布的CQG2000等。大地水準面是地球重力分布模型的一個(gè)等位面。

衛星大地測量正常高程值

       高分辨率、高精度的大地水準面模型是開(kāi)展衛星大地測量的基礎，通過(guò)GPS系統獲取地面點(diǎn)大地高（指地面點(diǎn)沿通過(guò)該點(diǎn)的參考橢球面法線(xiàn)到參考橢球面的距離，是一個(gè)幾何量），結合該點(diǎn)大地水準面高程信息，即可計算得出該點(diǎn)的正常高程值。

       注：

       CQG2000（Chinese Quasi-Geoid 2000，簡(jiǎn)稱(chēng)CQG2000），我國最新一代似大地水準面成果，覆蓋我國大陸及其海岸線(xiàn)以外400公里的區域和南海諸島及其周?chē)Ｓ?。分辨率較高，精度達到分米級。通過(guò)全球DEM數據和CQG2000進(jìn)行計算即可獲取國內指定位置的高程值。

       DTM是描述包括高程在內的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等因子在內的線(xiàn)性和非線(xiàn)性組合的空間分布模型，其中DEM是單項數字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎上計算生成。

如何評價(jià)高度？

DEM數據精度衡量指標

       圓概率誤差（Circular Error Probability,簡(jiǎn)稱(chēng)CEP）主要用于軍事領(lǐng)域，其在彈道學(xué)上的定義是以目標為圓心劃一個(gè)圓，如果武器命中此圓的機率至少為50%，則此圓的半徑就是圓概率誤差。

 

 

       性誤差概率(Linear Error Probability，簡(jiǎn)稱(chēng)LEP)，是一個(gè)線(xiàn)性范圍，一般用于表示絕對高程精度。例如，某測量點(diǎn)的垂直精度為1米 LE90，表示該測量點(diǎn)的90%的測量值沿1米長(cháng)度的垂直線(xiàn)下降，估計的真實(shí)值位于該垂直線(xiàn)的中心點(diǎn)。

       測繪領(lǐng)域常用CE90（Circular Error at 90% Probability）和LE90(Linear Error at 90% Probability）分別作為平面精度和高程精度的衡量指標，國內外衛星在發(fā)布定位精度時(shí)，一般使用CE90作為精度指標。

       導航和測繪領(lǐng)域也會(huì )使用相對于獨立參考地面控制測量的均方根誤差（Root Mean Square Error，簡(jiǎn)稱(chēng)RMSE）作為精度衡量指標。

       DEM數據產(chǎn)品一般都給出對應的CE90、LE90值或垂直精度RMSE值，幫助使用者了解其水平和高程精度。

了解地球的高度

全球DEM數據

       隨著(zhù)地球系統科學(xué)（Earth System Science）的出現以及越來(lái)越多的研究領(lǐng)域開(kāi)始關(guān)注全球變化，全球DEM數據需求在20世紀80年代顯著(zhù)增加，1988年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration ，簡(jiǎn)稱(chēng)NASA）組建地形科學(xué)工作組，系統性梳理了高程數據的科學(xué)應用領(lǐng)域，并提出了制作全球DEM數據集的建議。

       隨著(zhù)NASA地球觀(guān)測系統（EOS）的建設并逐步投入使用，進(jìn)一步增加了對全球DEM數據的需求，有力推動(dòng)了全球DEM數據獲取、處理、應用等各研究領(lǐng)域的發(fā)展。

       注：

       地球觀(guān)測系統（Earth Observing System，簡(jiǎn)稱(chēng)EOS），始于1980年NASA提出的美國全球變化研究計劃（U.S. Global Change Research Plan，簡(jiǎn)稱(chēng)USGCRP），于1991年開(kāi)始建立并投入使用，它是由多顆衛星組成和為實(shí)行多學(xué)科（大氣、海洋、陸面、生物、化學(xué)等）綜合研究，加深對地球系統變化的理解，回答理解全球氣候變化的問(wèn)題，地球氣候系統是如何變化的，各種地球現象是如何發(fā)生的，又是如何變化的，自然和人類(lèi)對全球環(huán)境變化的作用，建立人類(lèi)對地球系統發(fā)生的各種現象的長(cháng)期監視，改進(jìn)對全球尺度上地球系統各分量及它們間相互作用的理解目的而建立的全球衛星觀(guān)測體系。整個(gè)系統包含三個(gè)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(jiǎn)稱(chēng)EOSDIS）人類(lèi)所能構想的最雄心勃勃的數據項目之一，于1999年正式上線(xiàn)，自 上線(xiàn)以來(lái)，EOSDIS已成為全球最大和最活躍的數據存儲庫，每天接收 3 TB 的新數據并向全球各地的研究人員分發(fā) 2 TB 的現有信息，支撐全球用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn) 2000 多萬(wàn)個(gè)文件（包含超過(guò) 1 PB 的信息），EOSDIS為整個(gè)EOS系統提供了整體框架The Framework，是EOS系統的基石。

       3、EOS觀(guān)測系統（軌道載體平臺、儀器）

全球DEM數據發(fā)展概述

       全球DEM數據從1988開(kāi)始，經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，在生產(chǎn)方法、數據處理技術(shù)、分辨率、精度、應用領(lǐng)域與市場(chǎng)等多個(gè)方面都有了長(cháng)足發(fā)展。

       生產(chǎn)方法：生產(chǎn)方法從最初的數據編制到目前的基于遙感技術(shù)全球DEM數據快速獲??；

       處理技術(shù)：數據處理技術(shù)從最初的手動(dòng)鑲嵌、分區域重采樣、人工整合到目前的全球無(wú)控制點(diǎn)自動(dòng)化處理；

       分辨率：分辨率從最初的5弧分經(jīng)緯度網(wǎng)格到目前的5m分辨率；精度從最初的無(wú)明確精度指標到目前的優(yōu)于5m LE90；

       應用領(lǐng)域：隨著(zhù)全球DEM數據各種指標的提升，應用區域從最初的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程相關(guān)應用研究，應用行業(yè)也從傳統的測繪、國土資源管理、氣候與大氣治理、環(huán)境保護拓展到通信網(wǎng)絡(luò )規劃設計、智能交通系統設計、礦產(chǎn)資源、建筑與土木工程設計、減災防災、國防與國家安全等領(lǐng)域。人類(lèi)對全球DEM數據的需求將隨著(zhù)信息空間的拓展逐步增強。

       市場(chǎng)：全球DEM數據產(chǎn)品從最初完全由政府組織生產(chǎn)、共享、使用，隨著(zhù)應用領(lǐng)域與規模的發(fā)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，逐步形成了一個(gè)全球DEM數據產(chǎn)品市場(chǎng)，為企業(yè)獲取全球DEM數據提供了非政府渠道。

 

全球DEM數據的鼻祖

ETOPO系列

       ETOPO5是第一個(gè)廣泛使用的全球高程模型，由美國地球物理中心（U.S. National Geophysical Data Center，簡(jiǎn)稱(chēng)NGDC）于1988年發(fā)布。ETOPO5提供5弧分經(jīng)緯度網(wǎng)格的陸地和海洋高程，在美國、歐洲、日本、澳大利亞和海洋區域提供5弧分經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率，亞洲、南美、加拿大北部和非洲等數據不足的地區提供相當于1經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率（5弧分經(jīng)緯度在赤道約為10 Km間距，赤道周長(cháng)40075 Km，360*60 = 21600弧分,5弧分 = 40075/21600*5=9.27 Km）。

       NGDC于2001年、2006年陸續發(fā)布了ETOPO2的兩個(gè)版本，提供5弧分經(jīng)緯度網(wǎng)格的陸地和海洋高程；2008年8月NGDC發(fā)布了ETOPO1版本，提供全球范圍1弧分經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率的陸渡和海洋高程，分為Ice Surface和Bedrock兩個(gè)版本，兩個(gè)版本差別在于處理南極洲和Greenland區域數據時(shí)，Ice Surface給出的是加上冰蓋層之后的高程，Bedrock給出的是巖床的高程。ETOPO1是目前可以免費使用的唯一提供海洋高程的全球DEM數據。

 

 

       ETOPO系列全球DEM數據給出的是基于MSL正常高高程，由于ETOPO系列全球DEM數據采用對已有制圖數據重新編制的生產(chǎn)方法生成，因此沒(méi)有給出明確的精度指標，全球不同區域的精度依賴(lài)于相關(guān)數據源的精度。

 

GTOPO30

       為了滿(mǎn)足EOS和其他全球變化研究項目的需求，20世紀90年代末（1996年完成），美國地質(zhì)調查局（United States Geological Survey，簡(jiǎn)稱(chēng)USGS）開(kāi)發(fā)了全球1Km DEM產(chǎn)品GTOPO30，相當于30弧秒經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率。GTOPO30同樣采用對已有制圖數據重新編制的生產(chǎn)方法，共8個(gè)數據源，由8個(gè)機構參與數據提供、技術(shù)及資金支持，經(jīng)過(guò)三年的合作最終完成。

       主導機構：

       美國地質(zhì)調查局地球資源觀(guān)測和科學(xué)中心（U.S. Geological Survey's Center for Earth Resources Observation and Science，簡(jiǎn)稱(chēng)EROS）

       參與機構：

       美國國家航空航天局（NASA）

       聯(lián)合國環(huán)境規劃署/全球資源信息數據庫（The United Nations Environment Programme /Global Resource Information Database，簡(jiǎn)稱(chēng)UNEP/GRID）

       美國國際開(kāi)發(fā)署（U.S. Agency for International Development，簡(jiǎn)稱(chēng)USAID）

       墨西哥國家地理調查研究所（INEGI）

       日本地理調查研究所（Geographical Survey Institute of Japan，簡(jiǎn)稱(chēng)GSI）

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

       南極研究科學(xué)委員會(huì )（Scientific Committee on Antarctic Research，簡(jiǎn)稱(chēng)SCAR）

       GTOPO30數據80％區域是基于美國國家地理空間情報局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，簡(jiǎn)稱(chēng)NGA)提供的數字地形高程數據（Digital Terrain Elevation Data，簡(jiǎn)稱(chēng)DTED）和世界數字圖表（Digital Chart of the World,簡(jiǎn)稱(chēng)DCW）編制而成。將DTED由3弧秒經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率重采樣到30弧秒經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率。利用網(wǎng)格插值將DCW中的源地形圖（輪廓和點(diǎn)高度）和水文特征數據融合到GTOPO30數據中。

 

 

       GTOPO30自發(fā)布以來(lái)已經(jīng)成為許多大面積應用的首選全球DEM，它也是其他全球DEM數據產(chǎn)品的主要數據源，如全球一公里基礎高程數據（Global Land One-km Base Elevation，簡(jiǎn)稱(chēng)GLOBE）、ETOPO2等全球DEM數據產(chǎn)品。

       GTOPO30只提供陸地區域高程，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數據采用對已有制圖數據重新編制的生產(chǎn)方法生成，因此沒(méi)有給出統一的精度指標，使用時(shí)可以根據對應區域參考兩個(gè)主要數據源的精度指標，DTED在3弧秒經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率時(shí)LE90為30米，DCW在融合到GTOPO30后，在30弧秒經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率時(shí)可信的LE90為160米。

       為了便于數據分發(fā)，GTOPO30將全球數據分為33幅，用戶(hù)可以根據研究區域分幅獲取。

 

 

GMTED2010

       隨著(zhù)全球各領(lǐng)域研究對高分辨率DEM數據的需求不斷增強，同時(shí)新的高程數據獲取技術(shù)不斷涌現，USGS和NGA合作，十年磨一劍，于2010年共同推出了全球多分辨率地形高程數據（Global Multi-resolution Terrain Elevation Data，簡(jiǎn)稱(chēng)GMTED2010），在全球陸地區域提供30弧秒、15弧秒、7.5弧秒三種分辨率DEM數據。（在格陵蘭島和南極洲只提供30弧秒分辨率DEM數據，其他陸地區域均提供相當于1Km、500m、250m分辨率的DEM數據），下圖是GMTED2010全球30弧秒分辨率平均高程數據（-430/8625米）。

 

 

       GMTED2010在GTOPO30的基礎上引入了新的高程數據源，多達11種柵格高程數據源，最主要的數據源NGA SRTM DTED2數據，約占69.92%，1弧秒分辨率，WGS84坐標系統，基于EGM96模型的正常高高程；NGA DTED1數據，約占8.7%，3弧秒分辨率，基于MSL的正常高高程；GMTED2010的數據源及其占比如下表

 

 

       MTED2010數據源的水平分辨率及參考坐標系統如下表

 

 

       MTED2010數據源的垂直分辨率及高程基準面如下表

 

 

       GMTED2010的數據源具有多分辨率、多基準面、多坐標系的特征，NASA和NGA在制作GMTED2010產(chǎn)品時(shí)，除了采用多分辨率外，還建立了包括最小高程、最大高程、平均高程、中間高程、高程標準偏差、系統統計采樣、增強特征曲線(xiàn)的七種高程產(chǎn)品。

       為了便于使用者使用，GMTED2010產(chǎn)品中還包含一份SHP格式的元數據，通過(guò)該元數據可以快速獲取指定區域GMTED2010產(chǎn)品的概覽信息，元數據屬性表如下

 

 

       通過(guò)元數據可以根據區域快速認知GMTED2010數據

 

 

       本文章轉載自微信公眾號：空間數據研究所