人站的高度不同，看問題的角度便不同，思考問題的方式也不同，看到的風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(shù)據(jù)研究所帶您一起認知一類稱為高程的數(shù)據(jù)，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(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM），利用有序、有限的位置高程數(shù)值矩陣實現(xiàn)對星球表面高程狀態(tài)的數(shù)字化模擬，是建立數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM）的基礎。
如何測量高度？
高程測量的概念
大地水準面是一個重力等位面，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，通過長期觀測、地球重力場分布測量建立似大地水準面，地面點沿鉛垂線到似大地水準面的距離稱為正常高。
基于似大地水準面定義的高程系統(tǒng)稱為正常高系統(tǒng)，我國目前采用的法定高程系統(tǒng)屬于正常高系統(tǒng)，美國采用的是NAVD88正高高程系統(tǒng)，但軍方和民用領域推廣的多為基于WGS84坐標系統(tǒng)采用GPS測量的大地高（大地高指地面點沿通過該點的參考橢球面法線到參考橢球面的距離，是一個幾何量）
似大地水準面的建立涉及到平均海平面（MSL）觀測確定、水準原點設置、參考橢球模型選擇、地球重力分布模型建立、高精度高程控制網建立等多個部分，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，簡稱NGA)于2008年發(fā)布，EGM2008的網格分辨率達到5 Arc-Minutes，約為9Km。
我國也建立了多個自主的地球重力分布模型，如WDM89、WDM94等，其中WDM94的網格分辨率達到 30 Arc-Minutes,約為55Km。
地球重力分布模型不僅會影響大地水準面的建立，更是衛(wèi)星精密定軌的基礎，而衛(wèi)星定軌的精度直接關系到衛(wèi)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
高分辨率、高精度的大地水準面模型是開展衛(wèi)星大地測量的基礎，通過GPS系統(tǒng)獲取地面點大地高（指地面點沿通過該點的參考橢球面法線到參考橢球面的距離，是一個幾何量），結合該點大地水準面高程信息，即可計算得出該點的正常高程值。
CQG2000（Chinese Quasi-Geoid 2000，簡稱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以外400公里的區(qū)域和南海諸島及其周圍海域。分辨率較高，精度達到分米級。通過全球DEM數(shù)據(jù)和CQG2000進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性和非線性組合的空間分布模型，其中DEM是單項數(shù)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。
如何評價高度？
圓概率誤差（Circular Error Probability,簡稱CEP）主要用于軍事領域，其在彈道學上的定義是以目標為圓心劃一個圓，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，簡稱LEP)，是一個線性范圍，一般用于表示絕對高程精度。例如，某測量點的垂直精度為1米 LE90，表示該測量點的90%的測量值沿1米長度的垂直線下降，估計的真實值位于該垂直線的中心點。
測繪領域常用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(wèi)星在發(fā)布定位精度時，一般使用CE90作為精度指標。
導航和測繪領域也會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，簡稱RMSE）作為精度衡量指標。
DEM數(shù)據(jù)產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
隨著地球系統(tǒng)科學（Earth System Science）的出現(xiàn)以及越來越多的研究領域開始關注全球變化，全球DEM數(shù)據(jù)需求在20世紀80年代顯著增加，1988年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration ，簡稱NASA）組建地形科學工作組，系統(tǒng)性梳理了高程數(shù)據(jù)的科學應用領域，并提出了制作全球DEM數(shù)據(jù)集的建議。
隨著NASA地球觀測系統(tǒng)（EOS）的建設并逐步投入使用，進一步增加了對全球DEM數(shù)據(jù)的需求，有力推動了全球DEM數(shù)據(jù)獲取、處理、應用等各研究領域的發(fā)展。
地球觀測系統(tǒng)（Earth Observing System，簡稱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，簡稱USGCRP），于1991年開始建立并投入使用，它是由多顆衛(wèi)星組成和為實行多學科（大氣、海洋、陸面、生物、化學等）綜合研究，加深對地球系統(tǒng)變化的理解，回答理解全球氣候變化的問題，地球氣候系統(tǒng)是如何變化的，各種地球現(xiàn)象是如何發(fā)生的，又是如何變化的，自然和人類對全球環(huán)境變化的作用，建立人類對地球系統(tǒng)發(fā)生的各種現(xiàn)象的長期監(jiān)視，改進對全球尺度上地球系統(tǒng)各分量及它們間相互作用的理解目的而建立的全球衛(wèi)星觀測體系。整個系統(tǒng)包含三個部分：
2、EOS數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)（Earth Observing System Data and Information System，簡稱EOSDIS）人類所能構想的最雄心勃勃的數(shù)據(jù)項目之一，于1999年正式上線，自 上線以來，EOSDIS已成為全球最大和最活躍的數(shù)據(jù)存儲庫，每天接收 3 TB 的新數(shù)據(jù)并向全球各地的研究人員分發(fā) 2 TB 的現(xiàn)有信息，支撐全球用戶訪問 2000 多萬個文件（包含超過 1 PB 的信息），EOSDIS為整個EOS系統(tǒng)提供了整體框架The Framework，是EOS系統(tǒng)的基石。
3、EOS觀測系統(tǒng)（軌道載體平臺、儀器）
全球DEM數(shù)據(jù)發(fā)展概述
全球DEM數(shù)據(jù)從1988開始，經過30余年的發(fā)展，在生產方法、數(shù)據(jù)處理技術、分辨率、精度、應用領域與市場等多個方面都有了長足發(fā)展。
生產方法：生產方法從最初的數(shù)據(jù)編制到目前的基于遙感技術全球DEM數(shù)據(jù)快速獲??；
處理技術：數(shù)據(jù)處理技術從最初的手動鑲嵌、分區(qū)域重采樣、人工整合到目前的全球無控制點自動化處理；
分辨率：分辨率從最初的5弧分經緯度網格到目前的5m分辨率；精度從最初的無明確精度指標到目前的優(yōu)于5m LE90；
應用領域：隨著全球DEM數(shù)據(jù)各種指標的提升，應用區(qū)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(qū)域高程相關應用研究，應用行業(yè)也從傳統(tǒng)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絡規(guī)劃設計、智能交通系統(tǒng)設計、礦產資源、建筑與土木工程設計、減災防災、國防與國家安全等領域。人類對全球DEM數(shù)據(jù)的需求將隨著信息空間的拓展逐步增強。
市場：全球DEM數(shù)據(jù)產品從最初完全由政府組織生產、共享、使用，隨著應用領域與規(guī)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，逐步形成了一個全球DEM數(shù)據(jù)產品市場，為企業(yè)獲取全球DEM數(shù)據(jù)提供了非政府渠道。
ETOPO5是第一個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，簡稱NGDC）于1988年發(fā)布。ETOPO5提供5弧分經緯度網格的陸地和海洋高程，在美國、歐洲、日本、澳大利亞和海洋區(qū)域提供5弧分經緯度網格分辨率，亞洲、南美、加拿大北部和非洲等數(shù)據(jù)不足的地區(qū)提供相當于1經緯度網格分辨率（5弧分經緯度在赤道約為10 Km間距，赤道周長40075 Km，360*60 = 21600弧分,5弧分 = 40075/21600*5=9.27 Km）。
NGDC于2001年、2006年陸續(xù)發(fā)布了ETOPO2的兩個版本，提供5弧分經緯度網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弧分經緯度網格分辨率的陸渡和海洋高程，分為Ice Surface和Bedrock兩個版本，兩個版本差別在于處理南極洲和Greenland區(qū)域數(shù)據(jù)時，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(shù)據(jù)。
ETOPO系列全球DEM數(shù)據(jù)給出的是基于MSL正常高高程，由于ETOPO系列全球DEM數(shù)據(jù)采用對已有制圖數(shù)據(jù)重新編制的生產方法生成，因此沒有給出明確的精度指標，全球不同區(qū)域的精度依賴于相關數(shù)據(jù)源的精度。
為了滿足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），美國地質調查局（United States Geological Survey，簡稱USGS）開發(fā)了全球1Km DEM產品GTOPO30，相當于30弧秒經緯度網格分辨率。GTOPO30同樣采用對已有制圖數(shù)據(jù)重新編制的生產方法，共8個數(shù)據(jù)源，由8個機構參與數(shù)據(jù)提供、技術及資金支持，經過三年的合作最終完成。
美國地質調查局地球資源觀測和科學中心（U.S. Geological Survey's Center for Earth Resources Observation and Science，簡稱EROS）
參與機構：
美國國家航空航天局（NASA）
聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署/全球資源信息數(shù)據(jù)庫（The United Nations Environment Programme /Global Resource Information Database，簡稱UNEP/GRID）
美國國際開發(fā)署（U.S. Agency for International Development，簡稱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，簡稱GSI）
新西蘭Manaaki Whenua陸地保護研究所（Manaaki Whenua Landcare Research of New Zealand）
南極研究科學委員會（Scientific Committee on Antarctic Research，簡稱SCAR）
GTOPO30數(shù)據(jù)80％區(qū)域是基于美國國家地理空間情報局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，簡稱NGA)提供的數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)（Digital Terrain Elevation Data，簡稱DTED）和世界數(shù)字圖表（Digital Chart of the World,簡稱DCW）編制而成。將DTED由3弧秒經緯度網格分辨率重采樣到30弧秒經緯度網格分辨率。利用網格插值將DCW中的源地形圖（輪廓和點高度）和水文特征數(shù)據(jù)融合到GTOPO30數(shù)據(jù)中。
GTOPO30自發(fā)布以來已經成為許多大面積應用的首選全球DEM，它也是其他全球DEM數(shù)據(jù)產品的主要數(shù)據(jù)源，如全球一公里基礎高程數(shù)據(jù)（Global Land One-km Base Elevation，簡稱GLOBE）、ETOPO2等全球DEM數(shù)據(jù)產品。
GTOPO30只提供陸地區(qū)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(shù)據(jù)采用對已有制圖數(shù)據(jù)重新編制的生產方法生成，因此沒有給出統(tǒng)一的精度指標，使用時可以根據(jù)對應區(qū)域參考兩個主要數(shù)據(jù)源的精度指標，DTED在3弧秒經緯度網格分辨率時LE90為30米，DCW在融合到GTOPO30后，在30弧秒經緯度網格分辨率時可信的LE90為160米。
為了便于數(shù)據(jù)分發(fā)，GTOPO30將全球數(shù)據(jù)分為33幅，用戶可以根據(jù)研究區(qū)域分幅獲取。
隨著全球各領域研究對高分辨率DEM數(shù)據(jù)的需求不斷增強，同時新的高程數(shù)據(jù)獲取技術不斷涌現(xiàn)，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(shù)據(jù)（Global Multi-resolution Terrain Elevation Data，簡稱GMTED2010），在全球陸地區(qū)域提供30弧秒、15弧秒、7.5弧秒三種分辨率DEM數(shù)據(jù)。（在格陵蘭島和南極洲只提供30弧秒分辨率DEM數(shù)據(jù)，其他陸地區(qū)域均提供相當于1Km、500m、250m分辨率的DEM數(shù)據(jù)），下圖是GMTED2010全球30弧秒分辨率平均高程數(shù)據(jù)（-430/8625米）。
GMTED2010在GTOPO30的基礎上引入了新的高程數(shù)據(jù)源，多達11種柵格高程數(shù)據(jù)源，最主要的數(shù)據(jù)源NGA SRTM DTED2數(shù)據(jù)，約占69.92%，1弧秒分辨率，WGS84坐標系統(tǒng)，基于EGM96模型的正常高高程；NGA DTED1數(shù)據(jù)，約占8.7%，3弧秒分辨率，基于MSL的正常高高程；GMTED2010的數(shù)據(jù)源及其占比如下表
MTED2010數(shù)據(jù)源的水平分辨率及參考坐標系統(tǒng)如下表
MTED2010數(shù)據(jù)源的垂直分辨率及高程基準面如下表
GMTED2010的數(shù)據(jù)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產品時，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(tǒng)統(tǒng)計采樣、增強特征曲線的七種高程產品。
為了便于使用者使用，GMTED2010產品中還包含一份SHP格式的元數(shù)據(jù)，通過該元數(shù)據(jù)可以快速獲取指定區(qū)域GMTED2010產品的概覽信息，元數(shù)據(jù)屬性表如下
通過元數(shù)據(jù)可以根據(jù)區(qū)域快速認知GMTED2010數(shù)據(jù)
本文章轉載自微信公眾號：
