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(shēng)高度更是不同。當下(xià)的高度到底有多高？應該怎樣認知(zhī)自我(wǒ)站位的高度？空間數據研究所帶您一(yī)起認知(zhī)一(yī)類稱爲高程的數據，山川大(dà)地、江河湖海，地球的每一(yī)寸角落都有其高度，讓我(wǒ)們站在這顆星球的高度找到适合自己的高度。

如何定義高度？

DEM的概念

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

 

 

如何測量高度？

高程測量的概念

       高程測量指确定地面點高程的測量過程。地面點的高程一(yī)般是指該點沿鉛垂線方向到大(dà)地水準面的距離(lí)，又(yòu)稱海拔或絕對高程，測繪學中(zhōng)稱爲正高。高程測量首先需要建立大(dà)地水準面。（指與平均海水面重合并延伸到大(dà)陸内部的水準面，是正高的基準面。）

似大(dà)地水準面

       大(dà)地水準面是一(yī)個重力等位面，因爲地球密度的非均勻性引起的重力異常導緻無法獲取理論上的大(dà)地水準面模型，一(yī)般基于莫洛金斯理論，通過長期觀測、地球重力場分(fēn)布測量建立似大(dà)地水準面，地面點沿鉛垂線到似大(dà)地水準面的距離(lí)稱爲正常高。

高程系統

       基于似大(dà)地水準面定義的高程系統稱爲正常高系統，我(wǒ)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，但軍方和民用領域推廣的多爲基于WGS84坐标系統采用GPS測量的大(dà)地高（大(dà)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(lí)，是一(yī)個幾何量）

地球重力分(fēn)布模型

       似大(dà)地水準面的建立涉及到平均海平面（MSL）觀測确定、水準原點設置、參考橢球模型選擇、地球重力分(fēn)布模型建立、高精度高程控制網建立等多個部分(fēn)，最重要且難度較大(dà)的是地球重力分(fēn)布模型建立。

       目前使用較多的地球重力分(fēn)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年發布，EGM2008的網格分(fēn)辨率達到5 Arc-Minutes，約爲9Km。

       我(wǒ)國也建立了多個自主的地球重力分(fēn)布模型，如WDM89、WDM94等，其中(zhōng)WDM94的網格分(fēn)辨率達到 30 Arc-Minutes,約爲55Km。

       地球重力分(fēn)布模型不僅會影響大(dà)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系到衛星大(dà)地測量的定位精度。下(xià)圖爲EGM2008模型大(dà)地水準面可視化效果（-106.909/85.824米）

 

 

大(dà)地水準面模型

       随着航天技術的發展，基于星載平台的地球觀測系統越來越強大(dà)，使得建立高精度的大(dà)地水準面模型成爲可能，各國家或地區基于高精度GPS控制網、區域海平面觀測成果、地球重力分(fēn)布模型建立高分(fēn)辨率、高精度的大(dà)地水準面模型，如美國最新發布的GEOID2012、我(wǒ)國最新發布的CQG2000等。大(dà)地水準面是地球重力分(fēn)布模型的一(yī)個等位面。

衛星大(dà)地測量正常高程值

       高分(fēn)辨率、高精度的大(dà)地水準面模型是開(kāi)展衛星大(dà)地測量的基礎，通過GPS系統獲取地面點大(dà)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(lí)，是一(yī)個幾何量），結合該點大(dà)地水準面高程信息，即可計算得出該點的正常高程值。

       注：

       CQG2000（Chinese Quasi-Geoid 2000，簡稱CQG2000），我(wǒ)國最新一(yī)代似大(dà)地水準面成果，覆蓋我(wǒ)國大(dà)陸及其海岸線以外(wài)400公裏的區域和南(nán)海諸島及其周圍海域。分(fēn)辨率較高，精度達到分(fēn)米級。通過全球DEM數據和CQG2000進行計算即可獲取國内指定位置的高程值。

       DTM是描述包括高程在内的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等因子在内的線性和非線性組合的空間分(fēn)布模型，其中(zhōng)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(shēng)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）主要用于軍事領域，其在彈道學上的定義是以目标爲圓心劃一(yī)個圓，如果武器命中(zhōng)此圓的機率至少爲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(yī)個線性範圍，一(yī)般用于表示絕對高程精度。例如，某測量點的垂直精度爲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(xià)降，估計的真實值位于該垂直線的中(zhōng)心點。

       測繪領域常用CE90（Circular Error at 90% Probability）和LE90(Linear Error at 90% Probability）分(fēn)别作爲平面精度和高程精度的衡量指标，國内外(wài)衛星在發布定位精度時，一(yī)般使用CE90作爲精度指标。

       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）作爲精度衡量指标。

       DEM數據産品一(yī)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

       随着地球系統科學（Earth System Science）的出現以及越來越多的研究領域開(kāi)始關注全球變化，全球DEM數據需求在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(gōng)作組，系統性梳理了高程數據的科學應用領域，并提出了制作全球DEM數據集的建議。

       随着NASA地球觀測系統（EOS）的建設并逐步投入使用，進一(yī)步增加了對全球DEM數據的需求，有力推動了全球DEM數據獲取、處理、應用等各研究領域的發展。

       注：

       地球觀測系統（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(kāi)始建立并投入使用，它是由多顆衛星組成和爲實行多學科（大(dà)氣、海洋、陸面、生(shēng)物(wù)、化學等）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題，地球氣候系統是如何變化的，各種地球現象是如何發生(shēng)的，又(yòu)是如何變化的，自然和人類對全球環境變化的作用，建立人類對地球系統發生(shēng)的各種現象的長期監視，改進對全球尺度上地球系統各分(fēn)量及它們間相互作用的理解目的而建立的全球衛星觀測體(tǐ)系。整個系統包含三個部分(fēn)：

       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）人類所能構想的最雄心勃勃的數據項目之一(yī)，于1999年正式上線，自 上線以來，EOSDIS已成爲全球最大(dà)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(yuán)分(fēn)發 2 TB 的現有信息，支撐全球用戶訪問 2000 多萬個文件（包含超過 1 PB 的信息），EOSDIS爲整個EOS系統提供了整體(tǐ)框架The Framework，是EOS系統的基石。

       3、EOS觀測系統（軌道載體(tǐ)平台、儀器）

全球DEM數據發展概述

       全球DEM數據從1988開(kāi)始，經過30餘年的發展，在生(shēng)産方法、數據處理技術、分(fēn)辨率、精度、應用領域與市場等多個方面都有了長足發展。

       生(shēng)産方法：生(shēng)産方法從最初的數據編制到目前的基于遙感技術全球DEM數據快速獲取；

       處理技術：數據處理技術從最初的手動鑲嵌、分(fēn)區域重采樣、人工(gōng)整合到目前的全球無控制點自動化處理；

       分(fēn)辨率：分(fēn)辨率從最初的5弧分(fēn)經緯度網格到目前的5m分(fēn)辨率；精度從最初的無明确精度指标到目前的優于5m LE90；

       應用領域：随着全球DEM數據各種指标的提升，應用區域從最初的全球大(dà)面積變化研究逐步拓展到城市甚至局部小(xiǎo)面積區域高程相關應用研究，應用行業也從傳統的測繪、國土資(zī)源管理、氣候與大(dà)氣治理、環境保護拓展到通信網絡規劃設計、智能交通系統設計、礦産資(zī)源、建築與土木工(gōng)程設計、減災防災、國防與國家安全等領域。人類對全球DEM數據的需求将随着信息空間的拓展逐步增強。

       市場：全球DEM數據産品從最初完全由政府組織生(shēng)産、共享、使用，随着應用領域與規模的發展，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，逐步形成了一(yī)個全球DEM數據産品市場，爲企業獲取全球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(yī)個廣泛使用的全球高程模型，由美國地球物(wù)理中(zhōng)心（U.S. National Geophysical Data Center，簡稱NGDC）于1988年發布。ETOPO5提供5弧分(fēn)經緯度網格的陸地和海洋高程，在美國、歐洲、日本、澳大(dà)利亞和海洋區域提供5弧分(fēn)經緯度網格分(fēn)辨率，亞洲、南(nán)美、加拿大(dà)北(běi)部和非洲等數據不足的地區提供相當于1經緯度網格分(fēn)辨率（5弧分(fēn)經緯度在赤道約爲10 Km間距，赤道周長40075 Km，360*60 = 21600弧分(fēn),5弧分(fēn) = 40075/21600*5=9.27 Km）。

       NGDC于2001年、2006年陸續發布了ETOPO2的兩個版本，提供5弧分(fēn)經緯度網格的陸地和海洋高程；2008年8月NGDC發布了ETOPO1版本，提供全球範圍1弧分(fēn)經緯度網格分(fēn)辨率的陸渡和海洋高程，分(fēn)爲Ice Surface和Bedrock兩個版本，兩個版本差别在于處理南(nán)極洲和Greenland區域數據時，Ice Surface給出的是加上冰蓋層之後的高程，Bedrock給出的是岩床的高程。ETOPO1是目前可以免費(fèi)使用的唯一(yī)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(shēng)産方法生(shēng)成，因此沒有給出明确的精度指标，全球不同區域的精度依賴于相關數據源的精度。

 

GTOPO30

       爲了滿足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(kāi)發了全球1Km DEM産品GTOPO30，相當于30弧秒經緯度網格分(fēn)辨率。GTOPO30同樣采用對已有制圖數據重新編制的生(shēng)産方法，共8個數據源，由8個機構參與數據提供、技術及資(zī)金支持，經過三年的合作最終完成。

       主導機構：

       美國地質調查局地球資(zī)源觀測和科學中(zhōng)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）

       聯合國環境規劃署/全球資(zī)源信息數據庫（The United Nations Environment Programme /Global Resource Information Database，簡稱UNEP/GRID）

       美國國際開(kāi)發署（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(nán)極研究科學委員(yuán)會（Scientific Committee on Antarctic Research，簡稱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，簡稱NGA)提供的數字地形高程數據（Digital Terrain Elevation Data，簡稱DTED）和世界數字圖表（Digital Chart of the World,簡稱DCW）編制而成。将DTED由3弧秒經緯度網格分(fēn)辨率重采樣到30弧秒經緯度網格分(fēn)辨率。利用網格插值将DCW中(zhōng)的源地形圖（輪廓和點高度）和水文特征數據融合到GTOPO30數據中(zhōng)。

 

 

       GTOPO30自發布以來已經成爲許多大(dà)面積應用的首選全球DEM，它也是其他全球DEM數據産品的主要數據源，如全球一(yī)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(shēng)産方法生(shēng)成，因此沒有給出統一(yī)的精度指标，使用時可以根據對應區域參考兩個主要數據源的精度指标，DTED在3弧秒經緯度網格分(fēn)辨率時LE90爲30米，DCW在融合到GTOPO30後，在30弧秒經緯度網格分(fēn)辨率時可信的LE90爲160米。

       爲了便于數據分(fēn)發，GTOPO30将全球數據分(fēn)爲33幅，用戶可以根據研究區域分(fēn)幅獲取。

 

 

GMTED2010

       随着全球各領域研究對高分(fēn)辨率DEM數據的需求不斷增強，同時新的高程數據獲取技術不斷湧現，USGS和NGA合作，十年磨一(yī)劍，于2010年共同推出了全球多分(fēn)辨率地形高程數據（Global Multi-resolution Terrain Elevation Data，簡稱GMTED2010），在全球陸地區域提供30弧秒、15弧秒、7.5弧秒三種分(fēn)辨率DEM數據。（在格陵蘭島和南(nán)極洲隻提供30弧秒分(fēn)辨率DEM數據，其他陸地區域均提供相當于1Km、500m、250m分(fēn)辨率的DEM數據），下(xià)圖是GMTED2010全球30弧秒分(fēn)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種栅格高程數據源，最主要的數據源NGA SRTM DTED2數據，約占69.92%，1弧秒分(fēn)辨率，WGS84坐标系統，基于EGM96模型的正常高高程；NGA DTED1數據，約占8.7%，3弧秒分(fēn)辨率，基于MSL的正常高高程；GMTED2010的數據源及其占比如下(xià)表

 

 

       MTED2010數據源的水平分(fēn)辨率及參考坐标系統如下(xià)表

 

 

       MTED2010數據源的垂直分(fēn)辨率及高程基準面如下(xià)表

 

 

       GMTED2010的數據源具有多分(fēn)辨率、多基準面、多坐标系的特征，NASA和NGA在制作GMTED2010産品時，除了采用多分(fēn)辨率外(wài)，還建立了包括最小(xiǎo)高程、最大(dà)高程、平均高程、中(zhōng)間高程、高程标準偏差、系統統計采樣、增強特征曲線的七種高程産品。

       爲了便于使用者使用，GMTED2010産品中(zhōng)還包含一(yī)份SHP格式的元數據，通過該元數據可以快速獲取指定區域GMTED2010産品的概覽信息，元數據屬性表如下(xià)

 

 

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

 

 

       本文章轉載自微信公衆号：空間數據研究所