上篇介紹了ETOPO和GTOPO30兩個(gè)全球DEM數據產(chǎn)品家族，作為最早的全球DEM數據產(chǎn)品，受制于當時(shí)的數據獲取手段，均采用已有數據源匯集編制的生產(chǎn)方法，在高程系統一致性、獲取時(shí)間一致性、分辨率、精度評價(jià)、更新等幾個(gè)方面存在或多或少的問(wèn)題。隨著(zhù)衛星遙感技術(shù)的發(fā)展，獲取全球范圍一致質(zhì)量的高分辨率數字高程數據成為可能。目前應用最廣泛的免費高分辨率全球DEM數據均采用衛星遙感技術(shù)獲取和生產(chǎn)，同時(shí)，衛星遙感技術(shù)也成為了生產(chǎn)全球大區域覆蓋、高質(zhì)量DEM數據的主要數據源獲取技術(shù)。本篇和大家一起走進(jìn)基于衛星遙感技術(shù)獲取全球DEM數據這個(gè)領(lǐng)域。

四大流派

基于衛星遙感技術(shù)獲取全球DEM數據的系統類(lèi)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（Radar Altimetry）、激光測高（Laser Altimetry）

先看光學(xué)立體像對這一脈

基于光學(xué)立體像對獲取高程數據的衛星遙感系統歷史最為悠久、也是目前應用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的大區域DEM數據獲取技術(shù)系統。

                             

                        

 

提到光學(xué)立體像對獲取高程數據就不得不提起SPOT（Systeme Probatoire d’Observation de la Terre，簡(jiǎn)稱(chēng)SPOT，即地球觀(guān)測系統）。

     

SPOT衛星

     

SPOT衛星歷史悠久，二戰后被戴高樂(lè )總統帶上巔峰的法國，僅晚于美國3年于1961年就成立了法國國家太空研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales，簡(jiǎn)稱(chēng)CNES，美國國家航空航天局，即NASA，于1958年由艾森豪威爾總統主導成立），CNES在1986年發(fā)射了SPOT1星，1988年就有研究人員基于跨軌道SPOT衛星像對數據成果提取了DEM數據。這應該算是最早的基于衛星遙感光學(xué)立體像對技術(shù)獲取DEM數據的實(shí)踐了，SPOT星座后續相繼有SPOT2、SPOT3、SPOT4、SPOT5、SPOT6以及2014年發(fā)射的SPOT7，SPOT系列衛星的數據產(chǎn)品目前由空中客車(chē)國防航天公司（Airbus Defence and Space）負責經(jīng)營(yíng)，對外提供基于SPOT5衛星的30m分辨率全球DEM數據產(chǎn)品Reference3D，AIRBUS作為全球最重要的衛星遙感數據產(chǎn)品提供商，還提供多種更高分辨率的DEM數據產(chǎn)品，具體待下一篇介紹商業(yè)DEM數據產(chǎn)品時(shí)再詳細介紹。

       

ASTER GDEM產(chǎn)品

    

聊完SPOT，下面介紹本篇的第一位主角ASTER GDEM，目前應用最廣的免費全球DEM數據產(chǎn)品之一，ASTER是傳感器的名字，其全稱(chēng)為先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射計（The Advanced Spaceborne Thermal Emission andReflection Radiometer ，簡(jiǎn)稱(chēng)ASTER），于1999年12月搭載NASAEOS系統旗艦衛星Terra升空，從2000年開(kāi)始回傳數據，ASTER是由美國國家航空航天局（NASA）、日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）、日本航天局（Japan Space Systems，成立于1986年，日本二戰后最輝煌的年代，可以看出航天領(lǐng)域的發(fā)展絕對和一個(gè)國家的整體實(shí)力成正比）。ASTER傳感器采集的是15m分辨率的同步光學(xué)立體像對，基于上述光學(xué)立體像對生產(chǎn)全球DEM數據ASTER Global DEM，即ASTER GDEM。

NASA和METI于2009年6月28日共同發(fā)布了ASTER GDEM v1數據產(chǎn)品，并宣布向全球用戶(hù)免費開(kāi)放下載使用。ASTER GDEM v1采用全自動(dòng)的生產(chǎn)方式，并首創(chuàng )無(wú)控制點(diǎn)絕對DSM數據生產(chǎn)方法，通過(guò)一年的時(shí)間完成了ASTERGDEM測試版本數據生產(chǎn)處理。

注：

傳統基于衛星光學(xué)立體像對生產(chǎn)DEM數據，必須提供具有高精度水平和垂直坐標的外部大地控制點(diǎn)以獲得絕對（地理參考）DEM；否則所獲得的數據都是相對DEM。由于改進(jìn)了衛星星歷表和ASTER儀器的傳感器模型的位置信息，ASTER DEM能夠充分進(jìn)行地理定位（具有絕對坐標），無(wú)需外部控制點(diǎn)。這種方法有力提升了大量數據的處理效率，能夠滿(mǎn)足全球大面積DEM數據生產(chǎn)處理的需求。

2011年10月中旬，NASA和METI共同發(fā)布了ASTER GDEM v2版本，在v1的基礎之上，新增了26萬(wàn)光學(xué)立體像對數據，主要用于改善覆蓋范圍、提升數據分辨率、提升水體掩模處理精確度。

2019年8月5日，NASA和METI共同發(fā)布了ASTER GDEM v3版本，在v2的基礎之上，新增了36萬(wàn)光學(xué)立體像對數據，主要用于減少高程值空白區域、水域數值異常。

伴隨v3同時(shí)發(fā)布了一個(gè)新的全球數據產(chǎn)品：ASTER水體數據集（ASTER Water Body Dataset，簡(jiǎn)稱(chēng)ASTWBD），每一幅ASTER GDEM數據都有對應的水體數據，ASTWBE也是目前基本能夠覆蓋全球的唯一水體數據。

ASTER GDEM三個(gè)版本基本屬性表如下：

 

 

v3版本數據在有效覆蓋范圍，高程精度方面有顯著(zhù)提升，建議大家在應用研究中直接使用v3版本的ASTER GDEM數據產(chǎn)品。

ASTER GDEM對全球用戶(hù)免費開(kāi)放下載使用，目前國內提供的下載源基本都是v1版本數據，建議大家直接下載v3版本的數據進(jìn)行研究應用。NASA和METI提供的GDEx（The Global Data Explorer）在2019年8月6日已經(jīng)關(guān)閉

 

如果需要下載數據可以直接訪(fǎng)問(wèn)LD DAAC直接下載分幅數據包，這個(gè)是一個(gè)FTP服務(wù)器，注冊后可以直接分幅下載，然后自己進(jìn)行拼接即可。全球范圍一共22608個(gè)文件（沒(méi)有官方文檔提到的22912，目前不知原因）,共計373GB，如果大家有需要可以關(guān)注公眾號“空間數據研究所”，不超過(guò)一個(gè)省的話(huà)會(huì )直接發(fā)給大家，主要是網(wǎng)絡(luò )壓力有點(diǎn)大。

 

ALOS AW3D30產(chǎn)品

  

光學(xué)立體像對這一脈，除了上面給大家介紹的老前輩ASTER GDEM，再給大家介紹一個(gè)目前質(zhì)量非常不錯的新后生，由日本宇宙航空研究所（Japan Aerospace Exploration Agency，簡(jiǎn)稱(chēng)JAXA）打造的AW3D30，AW3D30背景很深。

  

先看數據采集部分，ALOS（Advanced Land Observation Satellite）是日本地球觀(guān)測衛星計劃的重要組成部分，于2006年發(fā)射，2011年失去動(dòng)力和通信。ALOS共搭載了三個(gè)傳感器：全色遙感立體測繪儀（PRISM），主要用于數字高程測繪；先進(jìn)可見(jiàn)光與近紅外輻射計-2（AVNIR-2），用于精確陸地觀(guān)測；相控陣型L波段合成孔徑雷達（PALSAR），用于全天時(shí)全天候陸地觀(guān)測。

   

  

PRISM傳感器全球區域獲取光學(xué)立體像對數量分布如下

   

    

再看數據處理部分，JAXA基于PRISM（The Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping）傳感器采集的光學(xué)立體像對數據，同時(shí)開(kāi)發(fā)了一個(gè)高速光學(xué)立體像對數據處理系統，每天處理2TB數據（2000幅），經(jīng)過(guò)兩年多完成了全球范圍的數據共計300萬(wàn)個(gè)場(chǎng)景的數據處理和驗證工作，于2016年對外發(fā)布了AW3D產(chǎn)品，全球第一個(gè)5m分辨率的全球DSM產(chǎn)品（部分區域可提供0.5m、1m、2m、2.5m等不同分辨率的DSM數據產(chǎn)品，這個(gè)確實(shí)牛，值得學(xué)習）。

   

 

經(jīng)過(guò)全球范圍驗證，AW3D產(chǎn)品的高程誤差全球范圍平均3.4m左右

   

 

AW3D產(chǎn)品是一個(gè)商業(yè)產(chǎn)品，使用是需要付費的，根據日本和美國之間的約定全球免費DEM數據產(chǎn)品分辨率不得大于30m（此處為猜測，目前沒(méi)有看到具體的約定條款），采用重采樣技術(shù)基于A(yíng)W3D生成了AW3D30，30m分辨率的全球DSM產(chǎn)品，向全球用戶(hù)免費開(kāi)放下載使用。

   

                         

   

從2016年開(kāi)始，JAXA每年都會(huì )發(fā)布一個(gè)新版本的AW3D30產(chǎn)品，目前最新的是2019年4月發(fā)布的AW3D30v2.2，其基本屬性如下。

   

                                                                       

   

目前空間數據研究所已經(jīng)完成AW3D30全球DSM數據下載和拼接處理，全球范圍共計172GB左右（如果大家有需要可以關(guān)注公眾號“空間數據研究所”，不超過(guò)一個(gè)省的話(huà)會(huì )直接發(fā)給大家，主要是網(wǎng)絡(luò )壓力有點(diǎn)大），整體效果如下

       

                        

    

原始數據如下

    

                            

     

聊完全球免費DEM數據江湖光學(xué)立體像對一脈的兩大派系，下面接著(zhù)和大家聊合成孔徑雷達這一脈。

   

合成孔徑雷達

合成孔徑雷達（SyntheticAperture Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)SAR），屬于一種微波成像雷達，是一種主動(dòng)遙感技術(shù)，目前廣泛用于獲取數字高程數據?；诤铣煽讖嚼走_雷達數據提取DEM數據主要有兩種方法：雷達攝影測量（Radargrammetry），SAR干涉測量（SAR Interferometry）。

雷達攝影測量與光學(xué)光學(xué)立體像對類(lèi)似，利用雷達回波成像獲取光學(xué)立體像對，進(jìn)而獲取DSM數據，始于20世紀70年代的機載雷達，20世紀80年代NASA開(kāi)始提供航天成像雷達（Shuttle Imaging Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)SIR）數據，20世紀90年代初歐洲發(fā)射了ERS-1（The First European Remote Sensing Satellite）,開(kāi)啟了衛星雷達攝影測量時(shí)代。

SAR干涉測量是一種利用雷達返回信號中的相位信息的技術(shù)，通過(guò)測量每個(gè)像素的雷達回波之間的相位差，然后執行互相關(guān)來(lái)生成相位差“圖像”，相位差圖像中的輪廓對應于地形高度的輪廓，再結合平臺位置和姿態(tài)信息、控制點(diǎn)將相位差轉換為地形高度，最終獲取DEM。SAR干涉測量通常被稱(chēng)為IFSAR，也稱(chēng)為InSAR。

2000年2月11日，NASA和NGA合作發(fā)起航天飛機雷達地形測量任務(wù)（The Shuttle  Radar Topography Mission，簡(jiǎn)稱(chēng)SRTM），在NASA航天飛機上搭載SIR-C/X-SAR雷達成像設備，進(jìn)行了11天的數據采集任務(wù)，獲取了全球80％的陸地（北緯60度和南緯56度之間的所有陸地區域）的干涉數據，隨后通過(guò)SAR干涉測量法生產(chǎn)了SRTM數據產(chǎn)品，這一項目不僅為后續基于SAR干涉測量方法的全球DEM數據生產(chǎn)奠定了至關(guān)重要的基礎，同時(shí)也產(chǎn)生了大名鼎鼎的全球DEM數據SRTM。下面就給大家介紹合成孔徑雷達一脈的扛把子SRTMGL。

   

SRTMGL產(chǎn)品

基于NASA航天飛機雷達成像設備獲取原始數據后，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗室（Jet Propulsion Laboratory，簡(jiǎn)稱(chēng)JPL）設計開(kāi)發(fā)了SRTM數據處理系統GDPS（SRTM Ground Data Processing System，簡(jiǎn)稱(chēng)GDPS）用于處理SRTM數據，并制定了宏大的數據產(chǎn)品計劃

                        

   

為了趕在A(yíng)STERGDEM產(chǎn)品發(fā)布之前對外公布基于遙感技術(shù)的全球高分辨率DEM數據產(chǎn)品，NASA JPL 2000年就發(fā)布了SRTM v1版本，雖然只是完成了部分產(chǎn)品，但仍然站在了基于遙感技術(shù)獲取全球DEM數據技術(shù)和行業(yè)的最前端。

隨后，NGA開(kāi)始接手SRTM數據的處理工作，于2006年完成了所有規劃產(chǎn)品的生產(chǎn)，正式對外提供全面的SRTM DEM v2版本數據，根據規定，在美國領(lǐng)土范圍內免費提供1 arc-second（30m）分辨率的SRTM DEM數據，其他區域可以免費獲取3 arc-second（90m）和30arc-second（1000m）分辨率的SRTM DEM數據（USA傳統做法，占據某一領(lǐng)域最前沿，然后開(kāi)始打壓其他國家在該領(lǐng)域的發(fā)展，并同時(shí)保持自己在該領(lǐng)域的絕對領(lǐng)先）。

為了繼續保持在全球DEM數據領(lǐng)域的領(lǐng)先，NASA借助最新的項目MEaSUREs （Making Earth System Data Records for Use in Research Environments）著(zhù)手升級SRTM DEM數據產(chǎn)品，這次升級工作又回到JPL手中，JPL接手后先對數據錯誤進(jìn)行了修正，發(fā)布了v2.1版本，隨后發(fā)大招，融合ASTER GDEM v2、USGS GMTED2010、USGS NED（National Elevation Dataset）數據，于2015年10月發(fā)布了SRTM Plus即v3版本產(chǎn)品，SRTM Plus所有數據向全球用戶(hù)免費開(kāi)放下載使用，包括SRTMGL1、SRTMGL3和SRTMGL30三種不同的分辨率的全球DEM數據產(chǎn)品，其基本屬性如下

                                                                

    

目前空間數據研究所已經(jīng)完成SRTMGL1 v3全球DSM數據下載和拼接處理，全球范圍共計129GB（如果大家有需要可以關(guān)注公眾號“空間數據研究所”，不超過(guò)一個(gè)省的話(huà)會(huì )直接發(fā)給大家，主要是網(wǎng)絡(luò )壓力有點(diǎn)大），整體效果如下

  

                         

原始數據如下

   

                         

  

X頻段陸地合成孔徑雷達衛星

合成孔徑雷達這一脈由SRTM打下江山，但畢竟是上世紀的技術(shù)和成果了，不僅無(wú)法PK ALOS AW3D這樣牛哄哄的產(chǎn)品，甚至面對ASTER GDEM v3這樣的老樹(shù)新花都有點(diǎn)有心無(wú)力。

首先，德國人看不下去了（因為德國2000年就參與了SRTM項目，在NASA的航天飛機上搭載了X頻段的雷達用于獲取高分辨率的DEM數據，也算是合成孔徑雷達這一脈的老前輩了），于是由德國航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，簡(jiǎn)稱(chēng)DLR）和EADS Astrium合作，于2010年啟動(dòng)了TanDEM-X項目，扛起SAR干涉測量的大旗，基于TerraSAR-X衛星平臺，開(kāi)啟SAR干涉測量生成全球DEM數據的新時(shí)代。

2007年6月15日TerraSAR-X衛星在俄羅斯發(fā)射升空，希望TerraSAR-X能給我們帶來(lái)更好的全球DEM數據產(chǎn)品。

                      

       

雷達測高

嚴格來(lái)講，雷達測高不屬于全球DEM數據這個(gè)江湖，因為雷達測高最初設計目標主要用于測量海面高度和冰蓋地形。目前也被用于在陸地區域獲取分幅高程數據。目前應用較為廣泛的雷達測高平臺有ERS（EuroPean Remote Sensing Sateillte）和Envisat（2002年發(fā)射升空，2012年失去通信），平臺上的雷達高度計儀器收集的數據有力推動(dòng)了大面積地形應用中雷達測高方案的應用，鑒于其但提供的高垂直精度數據，可用于驗證或檢查其他大面積海拔數據集的質(zhì)量），另外主要用于在格陵蘭島（最近特朗普要從丹麥買(mǎi)的那個(gè)島）和南極洲生成更新高質(zhì)量的DEM。除了陸地地形，雷達高度計數據已成功處理用于繪制海洋水深測量圖，這些測深數據已與SRTM30的土地數據合并，生成覆蓋陸地和海洋的全球高程數據集。

激光測高

和雷達測高一樣，激光測高也不屬于全球DEM這個(gè)江湖。激光測高法，通常稱(chēng)為L(cháng)iDAR，同樣是一種主動(dòng)的遙感技術(shù)，能夠用于獲取厘米級垂直精度的高程數據。攜帶地球科學(xué)激光高度計系統（GLAS）的ICESat平臺于2003年發(fā)射，并在大部分地區收集了LiDAR數據（約70米分辨率），覆蓋全球陸地表面（南北緯86度）。由于激光測高所提供的高垂直精度，GLAS的主要任務(wù)是收集重復地形測量值以監測極地冰蓋，目前這一任務(wù)已成功完成。

ICESat平臺獲取的高精度高程數據目前也用于開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的南極洲DEM數據。除了極地監測的主要任務(wù)目標外，ICESat平臺獲取的高精度高程數據已被證明可用作驗證其他全球DEM源數據的參考控制數據，特別是SRTM DEM數據產(chǎn)品。

免費全球DEM數據產(chǎn)品綜述

本篇和大家分享了三個(gè)全球DEM數據產(chǎn)品：ASTER GDEM、ALOS AW3D30、SRTM Plus，他們整體可以分為兩類(lèi)：基于衛星遙感光學(xué)光學(xué)立體像對技術(shù)獲取的全球DEM數據，基于衛星遙感雷達測量技術(shù)獲取的全球DEM數據。

 

首先，在具體的研究應用過(guò)程中，首先需要了解兩類(lèi)全球DEM數據的特性，然后根據應用場(chǎng)景來(lái)確定采用哪一個(gè)全球DEM數據產(chǎn)品。數據空洞可能是影響DEM使用的主要特性。

對于SRTM Plus而言，數據空洞主要是由于雷達信號與陡峭的地形相互作用（從而導致陰影，縮短或停留）以及水或沙子等光滑表面不能反射足夠的能量造成的。根據具體的應用場(chǎng)景區域地貌特征和對DEM數據連續性的要求來(lái)決策是否可以使用SRTM Plus。

對于A(yíng)STER GDEM、ALOS AW3D30來(lái)說(shuō)，數據空洞主要出現在無(wú)法從獲取的光學(xué)立體像對中獲得可靠高程信息的區域，通常最主要是由于長(cháng)時(shí)間云層覆蓋導致。

其次，兩類(lèi)全球DEM數據都屬于DSM，而非DEM，即高程值中包含樹(shù)木或建筑結構的高度，不是研究區域的裸地面高程，這一點(diǎn)需要特別注意，尤其是在建筑物密集的城市區域或樹(shù)木集中的林區，如果研究應用場(chǎng)景需要裸地面高程，則這兩類(lèi)全球DEM數據均不能滿(mǎn)足。因此，USGS才下定決心搞了一個(gè)GMTED2010，全球多分辨率地形高程數據2010模型，上篇已做介紹。全球DEM數據介紹（上）

注

目前GPS系統給出的高程值均為大地高，即地面點(diǎn)到GPS系統參考橢球的高度值，全球各個(gè)國家基本采用正高或正常高作為高程值，因此無(wú)法直接使用GPS系統獲取可用的高程值。

最后，就三個(gè)免費全球DEM數據產(chǎn)品而言，SRTM Plus具有最好的垂直精度，ASTER GDEM具有最大的覆蓋區域，ALOS AW3D30具有最好的數據現時(shí)性。下面是關(guān)于三個(gè)免費全球DEM數據的屬性對照表

  

    

       

計劃通過(guò)三篇文章來(lái)介紹全球DEM數據產(chǎn)品：

上篇 主要介紹DEM的基本概念，高程值測量系統與主要組件概念，如高程系統、大地水準面、正高、大地高等內容，高程數據精度評價(jià)指標，全球DEM數據的緣起和發(fā)展概覽，介紹兩個(gè)最早發(fā)展的全球DEM數據產(chǎn)品家族：ETOPO系列、GTOPO系列。

中篇 主要介紹其余免費的全球DEM數據產(chǎn)品，免費全球DEM數據產(chǎn)品的獲取方式介紹，并對所有免費全球DEM數據產(chǎn)品做整體對比分析。

下篇 主要介紹目前商業(yè)公司提供的全球DEM數據產(chǎn)品，并對所有商業(yè)全球DEM數據產(chǎn)品做整體對比分析。

本文轉載自：空間數據研究所         作者： aoimap