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上篇介紹了ETOPO和GTOPO30兩個全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品家族，作為最早的全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，受制于當時的數(shù)據(jù)獲取手段，均采用已有數(shù)據(jù)源匯集編制的生產(chǎn)方法，在高程系統(tǒng)一致性、獲取時間一致性、分辨率、精度評價、更新等幾個方面存在或多或少的問題。隨著衛(wèi)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(shù)字高程數(shù)據(jù)成為可能。目前應(yīng)用最廣泛的免費高分辨率全球DEM數(shù)據(jù)均采用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取和生產(chǎn)，同時，衛(wèi)星遙感技術(shù)也成為了生產(chǎn)全球大區(qū)域覆蓋、高質(zhì)量DEM數(shù)據(jù)的主要數(shù)據(jù)源獲取技術(shù)。本篇和大家一起走進基于衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取全球DEM數(shù)據(jù)這個領(lǐng)域。

四大流派

基于衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取全球DEM數(shù)據(jù)的系統(tǒng)類型主要有以下四種：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(shù)據(jù)的衛(wèi)星遙感系統(tǒng)歷史最為悠久、也是目前應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的大區(qū)域DEM數(shù)據(jù)獲取技術(shù)系統(tǒng)。

                             

                        

 

提到光學(xué)立體像對獲取高程數(shù)據(jù)就不得不提起SPOT（Systeme Probatoire d’Observation de la Terre，簡稱SPOT，即地球觀測系統(tǒng)）。

     

SPOT衛(wèi)星

     

SPOT衛(wèi)星歷史悠久，二戰(zhàn)后被戴高樂總統(tǒng)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，簡稱CNES，美國國家航空航天局，即NASA，于1958年由艾森豪威爾總統(tǒng)主導(dǎo)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(wèi)星像對數(shù)據(jù)成果提取了DEM數(shù)據(jù)。這應(yīng)該算是最早的基于衛(wèi)星遙感光學(xué)立體像對技術(shù)獲取DEM數(shù)據(jù)的實踐了，SPOT星座后續(xù)相繼有SPOT2、SPOT3、SPOT4、SPOT5、SPOT6以及2014年發(fā)射的SPOT7，SPOT系列衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品目前由空中客車國防航天公司（Airbus Defence and Space）負責經(jīng)營，對外提供基于SPOT5衛(wèi)星的30m分辨率全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品Reference3D，AIRBUS作為全球最重要的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供商，還提供多種更高分辨率的DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，具體待下一篇介紹商業(yè)DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品時再詳細介紹。

       

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(yīng)用最廣的免費全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品之一，ASTER是傳感器的名字，其全稱為先進星載熱發(fā)射和反射輻射計（The Advanced Spaceborne Thermal Emission andReflection Radiometer ，簡稱ASTER），于1999年12月搭載NASAEOS系統(tǒng)旗艦衛(wèi)星Terra升空，從2000年開始回傳數(shù)據(jù)，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(zhàn)后最輝煌的年代，可以看出航天領(lǐng)域的發(fā)展絕對和一個國家的整體實力成正比）。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)產(chǎn)品，并宣布向全球用戶免費開放下載使用。ASTER GDEM v1采用全自動的生產(chǎn)方式，并首創(chuàng)無控制點絕對DSM數(shù)據(jù)生產(chǎn)方法，通過一年的時間完成了ASTERGDEM測試版本數(shù)據(jù)生產(chǎn)處理。

注：

傳統(tǒng)基于衛(wèi)星光學(xué)立體像對生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)，必須提供具有高精度水平和垂直坐標的外部大地控制點以獲得絕對（地理參考）DEM；否則所獲得的數(shù)據(jù)都是相對DEM。由于改進了衛(wèi)星星歷表和ASTER儀器的傳感器模型的位置信息，ASTER DEM能夠充分進行地理定位（具有絕對坐標），無需外部控制點。這種方法有力提升了大量數(shù)據(jù)的處理效率，能夠滿足全球大面積DEM數(shù)據(jù)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(chǔ)之上，新增了26萬光學(xué)立體像對數(shù)據(jù)，主要用于改善覆蓋范圍、提升數(shù)據(jù)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(chǔ)之上，新增了36萬光學(xué)立體像對數(shù)據(jù)，主要用于減少高程值空白區(qū)域、水域數(shù)值異常。

伴隨v3同時發(fā)布了一個新的全球數(shù)據(jù)產(chǎn)品：ASTER水體數(shù)據(jù)集（ASTER Water Body Dataset，簡稱ASTWBD），每一幅ASTER GDEM數(shù)據(jù)都有對應(yīng)的水體數(shù)據(jù)，ASTWBE也是目前基本能夠覆蓋全球的唯一水體數(shù)據(jù)。

ASTER GDEM三個版本基本屬性表如下：

 

 

v3版本數(shù)據(jù)在有效覆蓋范圍，高程精度方面有顯著提升，建議大家在應(yīng)用研究中直接使用v3版本的ASTER GDEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

ASTER GDEM對全球用戶免費開放下載使用，目前國內(nèi)提供的下載源基本都是v1版本數(shù)據(jù)，建議大家直接下載v3版本的數(shù)據(jù)進行研究應(yīng)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(shù)據(jù)可以直接訪問LD DAAC直接下載分幅數(shù)據(jù)包，這個是一個FTP服務(wù)器，注冊后可以直接分幅下載，然后自己進行拼接即可。全球范圍一共22608個文件（沒有官方文檔提到的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(shù)據(jù)研究所”，不超過一個省的話會直接發(fā)給大家，主要是網(wǎng)絡(luò)壓力有點大。

 

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，簡稱JAXA）打造的AW3D30，AW3D30背景很深。

  

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

   

  

PRISM傳感器全球區(qū)域獲取光學(xué)立體像對數(shù)量分布如下

   

    

再看數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，同時開發(fā)了一個高速光學(xué)立體像對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，每天處理2TB數(shù)據(jù)（2000幅），經(jīng)過兩年多完成了全球范圍的數(shù)據(jù)共計300萬個場景的數(shù)據(jù)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5m分辨率的全球DSM產(chǎn)品（部分區(qū)域可提供0.5m、1m、2m、2.5m等不同分辨率的DSM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，這個確實牛，值得學(xué)習）。

   

 

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

   

 

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

   

                         

   

從2016年開始，JAXA每年都會發(fā)布一個新版本的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(shù)據(jù)研究所已經(jīng)完成AW3D30全球DSM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)研究所”，不超過一個省的話會直接發(fā)給大家，主要是網(wǎng)絡(luò)壓力有點大），整體效果如下

       

                        

    

原始數(shù)據(jù)如下

    

                            

     

聊完全球免費DEM數(shù)據(jù)江湖光學(xué)立體像對一脈的兩大派系，下面接著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，簡稱SAR），屬于一種微波成像雷達，是一種主動遙感技術(shù)，目前廣泛用于獲取數(shù)字高程數(shù)據(jù)。基于合成孔徑雷達雷達數(shù)據(jù)提取DEM數(shù)據(jù)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)立體像對類似，利用雷達回波成像獲取光學(xué)立體像對，進而獲取DSM數(shù)據(jù)，始于20世紀70年代的機載雷達，20世紀80年代NASA開始提供航天成像雷達（Shuttle Imaging Radar，簡稱SIR）數(shù)據(jù)，20世紀90年代初歐洲發(fā)射了ERS-1（The First European Remote Sensing Satellite）,開啟了衛(wèi)星雷達攝影測量時代。

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)，通過測量每個像素的雷達回波之間的相位差，然后執(zhí)行互相關(guān)來生成相位差“圖像”，相位差圖像中的輪廓對應(yīng)于地形高度的輪廓，再結(jié)合平臺位置和姿態(tài)信息、控制點將相位差轉(zhuǎn)換為地形高度，最終獲取DEM。SAR干涉測量通常被稱為IFSAR，也稱為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，簡稱SRTM），在NASA航天飛機上搭載SIR-C/X-SAR雷達成像設(shè)備，進行了11天的數(shù)據(jù)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(qū)域）的干涉數(shù)據(jù)，隨后通過SAR干涉測量法生產(chǎn)了SRTM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，這一項目不僅為后續(xù)基于SAR干涉測量方法的全球DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)奠定了至關(guān)重要的基礎(chǔ)，同時也產(chǎn)生了大名鼎鼎的全球DEM數(shù)據(jù)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(shè)備獲取原始數(shù)據(jù)后，NASA噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，簡稱JPL）設(shè)計開發(fā)了SRTM數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)GDPS（SRTM Ground Data Processing System，簡稱GDPS）用于處理SRTM數(shù)據(jù)，并制定了宏大的數(shù)據(jù)產(chǎn)品計劃

                        

   

為了趕在ASTERGDEM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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)技術(shù)和行業(yè)的最前端。

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

為了繼續(xù)保持在全球DEM數(shù)據(jù)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）著手升級SRTM DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，這次升級工作又回到JPL手中，JPL接手后先對數(shù)據(jù)錯誤進行了修正，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(shù)據(jù)，于2015年10月發(fā)布了SRTM Plus即v3版本產(chǎn)品，SRTM Plus所有數(shù)據(jù)向全球用戶免費開放下載使用，包括SRTMGL1、SRTMGL3和SRTMGL30三種不同的分辨率的全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其基本屬性如下

                                                                

    

目前空間數(shù)據(jù)研究所已經(jīng)完成SRTMGL1 v3全球DSM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)研究所”，不超過一個省的話會直接發(fā)給大家，主要是網(wǎng)絡(luò)壓力有點大），整體效果如下

  

                         

原始數(shù)據(jù)如下

   

                         

  

X頻段陸地合成孔徑雷達衛(wèi)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這樣的老樹新花都有點有心無力。

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(shù)據(jù)，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，簡稱DLR）和EADS Astrium合作，于2010年啟動了TanDEM-X項目，扛起SAR干涉測量的大旗，基于TerraSAR-X衛(wèi)星平臺，開啟SAR干涉測量生成全球DEM數(shù)據(jù)的新時代。

2007年6月15日TerraSAR-X衛(wèi)星在俄羅斯發(fā)射升空，希望TerraSAR-X能給我們帶來更好的全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

                      

       

雷達測高

嚴格來講，雷達測高不屬于全球DEM數(shù)據(jù)這個江湖，因為雷達測高最初設(shè)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(qū)域獲取分幅高程數(shù)據(jù)。目前應(yīng)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(shù)據(jù)有力推動了大面積地形應(yīng)用中雷達測高方案的應(yīng)用，鑒于其但提供的高垂直精度數(shù)據(jù)，可用于驗證或檢查其他大面積海拔數(shù)據(jù)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的那個島）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(shù)據(jù)已成功處理用于繪制海洋水深測量圖，這些測深數(shù)據(jù)已與SRTM30的土地數(shù)據(jù)合并，生成覆蓋陸地和海洋的全球高程數(shù)據(jù)集。

激光測高

和雷達測高一樣，激光測高也不屬于全球DEM這個江湖。激光測高法，通常稱為LiDAR，同樣是一種主動的遙感技術(shù)，能夠用于獲取厘米級垂直精度的高程數(shù)據(jù)。攜帶地球科學(xué)激光高度計系統(tǒng)（GLAS）的ICESat平臺于2003年發(fā)射，并在大部分地區(qū)收集了LiDAR數(shù)據(jù)（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(fù)地形測量值以監(jiān)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(shù)據(jù)目前也用于開發(fā)高質(zhì)量的南極洲D(zhuǎn)EM數(shù)據(jù)。除了極地監(jiān)測的主要任務(wù)目標外，ICESat平臺獲取的高精度高程數(shù)據(jù)已被證明可用作驗證其他全球DEM源數(shù)據(jù)的參考控制數(shù)據(jù)，特別是SRTM DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

免費全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品綜述

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

 

首先，在具體的研究應(yīng)用過程中，首先需要了解兩類全球DEM數(shù)據(jù)的特性，然后根據(jù)應(yīng)用場景來確定采用哪一個全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品。數(shù)據(jù)空洞可能是影響DEM使用的主要特性。

對于SRTM Plus而言，數(shù)據(jù)空洞主要是由于雷達信號與陡峭的地形相互作用（從而導(dǎo)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(jù)具體的應(yīng)用場景區(qū)域地貌特征和對DEM數(shù)據(jù)連續(xù)性的要求來決策是否可以使用SRTM Plus。

對于ASTER GDEM、ALOS AW3D30來說，數(shù)據(jù)空洞主要出現(xiàn)在無法從獲取的光學(xué)立體像對中獲得可靠高程信息的區(qū)域，通常最主要是由于長時間云層覆蓋導(dǎo)致。

其次，兩類全球DEM數(shù)據(jù)都屬于DSM，而非DEM，即高程值中包含樹木或建筑結(jié)構(gòu)的高度，不是研究區(qū)域的裸地面高程，這一點需要特別注意，尤其是在建筑物密集的城市區(qū)域或樹木集中的林區(qū)，如果研究應(yīng)用場景需要裸地面高程，則這兩類全球DEM數(shù)據(jù)均不能滿足。因此，USGS才下定決心搞了一個GMTED2010，全球多分辨率地形高程數(shù)據(jù)2010模型，上篇已做介紹。全球DEM數(shù)據(jù)介紹（上）

注

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

最后，就三個免費全球DEM數(shù)據(jù)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(qū)域，ALOS AW3D30具有最好的數(shù)據(jù)現(xiàn)時性。下面是關(guān)于三個免費全球DEM數(shù)據(jù)的屬性對照表

  

    

       

計劃通過三篇文章來介紹全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品：

上篇 主要介紹DEM的基本概念，高程值測量系統(tǒng)與主要組件概念，如高程系統(tǒng)、大地水準面、正高、大地高等內(nèi)容，高程數(shù)據(jù)精度評價指標，全球DEM數(shù)據(jù)的緣起和發(fā)展概覽，介紹兩個最早發(fā)展的全球DEM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)產(chǎn)品，免費全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品的獲取方式介紹，并對所有免費全球DEM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)產(chǎn)品，并對所有商業(yè)全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品做整體對比分析。

本文轉(zhuǎn)載自：空間數(shù)據(jù)研究所         作者： aoimap