上篇介紹了ETOPO和GTOPO30兩個全球DEM數據産品家族，作爲最早的全球DEM數據産品，受制于當時的數據獲取手段，均采用已有數據源彙集編制的生(shēng)産方法，在高程系統一(yī)緻性、獲取時間一(yī)緻性、分(fēn)辨率、精度評價、更新等幾個方面存在或多或少的問題。随着衛星遙感技術的發展，獲取全球範圍一(yī)緻質量的高分(fēn)辨率數字高程數據成爲可能。目前應用最廣泛的免費(fèi)高分(fēn)辨率全球DEM數據均采用衛星遙感技術獲取和生(shēng)産，同時，衛星遙感技術也成爲了生(shēng)産全球大(dà)區域覆蓋、高質量DEM數據的主要數據源獲取技術。本篇和大(dà)家一(yī)起走進基于衛星遙感技術獲取全球DEM數據這個領域。

四大(dà)流派

基于衛星遙感技術獲取全球DEM數據的系統類型主要有以下(xià)四種：光學立體(tǐ)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）

先看光學立體(tǐ)像對這一(yī)脈

基于光學立體(tǐ)像對獲取高程數據的衛星遙感系統曆史最爲悠久、也是目前應用最爲廣泛、技術最爲成熟的大(dà)區域DEM數據獲取技術系統。

                             

                        

 

提到光學立體(tǐ)像對獲取高程數據就不得不提起SPOT（Systeme Probatoire d’Observation de la Terre，簡稱SPOT，即地球觀測系統）。

     

SPOT衛星

     

SPOT衛星曆史悠久，二戰後被戴高樂總統帶上巅峰的法國，僅晚于美國3年于1961年就成立了法國國家太空研究中(zhōng)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(sēn)豪威爾總統主導成立），CNES在1986年發射了SPOT1星，1988年就有研究人員(yuán)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立體(tǐ)像對技術獲取DEM數據的實踐了，SPOT星座後續相繼有SPOT2、SPOT3、SPOT4、SPOT5、SPOT6以及2014年發射的SPOT7，SPOT系列衛星的數據産品目前由空中(zhōng)客車(chē)國防航天公司（Airbus Defence and Space）負責經營，對外(wài)提供基于SPOT5衛星的30m分(fēn)辨率全球DEM數據産品Reference3D，AIRBUS作爲全球最重要的衛星遙感數據産品提供商(shāng)，還提供多種更高分(fēn)辨率的DEM數據産品，具體(tǐ)待下(xià)一(yī)篇介紹商(shāng)業DEM數據産品時再詳細介紹。

       

ASTER GDEM産品

    

聊完SPOT，下(xià)面介紹本篇的第一(yī)位主角ASTER GDEM，目前應用最廣的免費(fèi)全球DEM數據産品之一(yī)，ASTER是傳感器的名字，其全稱爲先進星載熱發射和反射輻射計（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）、日本經濟産業省（METI）、日本航天局（Japan Space Systems，成立于1986年，日本二戰後最輝煌的年代，可以看出航天領域的發展絕對和一(yī)個國家的整體(tǐ)實力成正比）。ASTER傳感器采集的是15m分(fēn)辨率的同步光學立體(tǐ)像對，基于上述光學立體(tǐ)像對生(shēng)産全球DEM數據ASTER Global DEM，即ASTER GDEM。

NASA和METI于2009年6月28日共同發布了ASTER GDEM v1數據産品，并宣布向全球用戶免費(fèi)開(kāi)放(fàng)下(xià)載使用。ASTER GDEM v1采用全自動的生(shēng)産方式，并首創無控制點絕對DSM數據生(shēng)産方法，通過一(yī)年的時間完成了ASTERGDEM測試版本數據生(shēng)産處理。

注：

傳統基于衛星光學立體(tǐ)像對生(shēng)産DEM數據，必須提供具有高精度水平和垂直坐标的外(wài)部大(dà)地控制點以獲得絕對（地理參考）DEM；否則所獲得的數據都是相對DEM。由于改進了衛星星曆表和ASTER儀器的傳感器模型的位置信息，ASTER DEM能夠充分(fēn)進行地理定位（具有絕對坐标），無需外(wài)部控制點。這種方法有力提升了大(dà)量數據的處理效率，能夠滿足全球大(dà)面積DEM數據生(shēng)産處理的需求。

2011年10月中(zhōng)旬，NASA和METI共同發布了ASTER GDEM v2版本，在v1的基礎之上，新增了26萬光學立體(tǐ)像對數據，主要用于改善覆蓋範圍、提升數據分(fēn)辨率、提升水體(tǐ)掩模處理精确度。

2019年8月5日，NASA和METI共同發布了ASTER GDEM v3版本，在v2的基礎之上，新增了36萬光學立體(tǐ)像對數據，主要用于減少高程值空白(bái)區域、水域數值異常。

伴随v3同時發布了一(yī)個新的全球數據産品：ASTER水體(tǐ)數據集（ASTER Water Body Dataset，簡稱ASTWBD），每一(yī)幅ASTER GDEM數據都有對應的水體(tǐ)數據，ASTWBE也是目前基本能夠覆蓋全球的唯一(yī)水體(tǐ)數據。

ASTER GDEM三個版本基本屬性表如下(xià)：

 

 

v3版本數據在有效覆蓋範圍，高程精度方面有顯著提升，建議大(dà)家在應用研究中(zhōng)直接使用v3版本的ASTER GDEM數據産品。

ASTER GDEM對全球用戶免費(fèi)開(kāi)放(fàng)下(xià)載使用，目前國内提供的下(xià)載源基本都是v1版本數據，建議大(dà)家直接下(xià)載v3版本的數據進行研究應用。NASA和METI提供的GDEx（The Global Data Explorer）在2019年8月6日已經關閉

 

如果需要下(xià)載數據可以直接訪問LD DAAC直接下(xià)載分(fēn)幅數據包，這個是一(yī)個FTP服務器，注冊後可以直接分(fēn)幅下(xià)載，然後自己進行拼接即可。全球範圍一(yī)共22608個文件（沒有官方文檔提到的22912，目前不知(zhī)原因）,共計373GB，如果大(dà)家有需要可以關注公衆号“空間數據研究所”，不超過一(yī)個省的話(huà)會直接發給大(dà)家，主要是網絡壓力有點大(dà)。

 

ALOS AW3D30産品

  

光學立體(tǐ)像對這一(yī)脈，除了上面給大(dà)家介紹的老前輩ASTER GDEM，再給大(dà)家介紹一(yī)個目前質量非常不錯的新後生(shēng)，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。

  

先看數據采集部分(fēn)，ALOS（Advanced Land Observation Satellite）是日本地球觀測衛星計劃的重要組成部分(fēn)，于2006年發射，2011年失去(qù)動力和通信。ALOS共搭載了三個傳感器：全色遙感立體(tǐ)測繪儀（PRISM），主要用于數字高程測繪；先進可見光與近紅外(wài)輻射計-2（AVNIR-2），用于精确陸地觀測；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傳感器全球區域獲取光學立體(tǐ)像對數量分(fēn)布如下(xià)

   

    

再看數據處理部分(fēn)，JAXA基于PRISM（The Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping）傳感器采集的光學立體(tǐ)像對數據，同時開(kāi)發了一(yī)個高速光學立體(tǐ)像對數據處理系統，每天處理2TB數據（2000幅），經過兩年多完成了全球範圍的數據共計300萬個場景的數據處理和驗證工(gōng)作，于2016年對外(wài)發布了AW3D産品，全球第一(yī)個5m分(fēn)辨率的全球DSM産品（部分(fēn)區域可提供0.5m、1m、2m、2.5m等不同分(fēn)辨率的DSM數據産品，這個确實牛，值得學習）。

   

 

經過全球範圍驗證，AW3D産品的高程誤差全球範圍平均3.4m左右

   

 

AW3D産品是一(yī)個商(shāng)業産品，使用是需要付費(fèi)的，根據日本和美國之間的約定全球免費(fèi)DEM數據産品分(fēn)辨率不得大(dà)于30m（此處爲猜測，目前沒有看到具體(tǐ)的約定條款），采用重采樣技術基于AW3D生(shēng)成了AW3D30，30m分(fēn)辨率的全球DSM産品，向全球用戶免費(fèi)開(kāi)放(fàng)下(xià)載使用。

   

                         

   

從2016年開(kāi)始，JAXA每年都會發布一(yī)個新版本的AW3D30産品，目前最新的是2019年4月發布的AW3D30v2.2，其基本屬性如下(xià)。

   

                                                                       

   

目前空間數據研究所已經完成AW3D30全球DSM數據下(xià)載和拼接處理，全球範圍共計172GB左右（如果大(dà)家有需要可以關注公衆号“空間數據研究所”，不超過一(yī)個省的話(huà)會直接發給大(dà)家，主要是網絡壓力有點大(dà)），整體(tǐ)效果如下(xià)

       

                        

    

原始數據如下(xià)

    

                            

     

聊完全球免費(fèi)DEM數據江湖光學立體(tǐ)像對一(yī)脈的兩大(dà)派系，下(xià)面接着和大(dà)家聊合成孔徑雷達這一(yī)脈。

   

合成孔徑雷達

合成孔徑雷達（SyntheticAperture Radar，簡稱SAR），屬于一(yī)種微波成像雷達，是一(yī)種主動遙感技術，目前廣泛用于獲取數字高程數據。基于合成孔徑雷達雷達數據提取DEM數據主要有兩種方法：雷達攝影測量（Radargrammetry），SAR幹涉測量（SAR Interferometry）。

雷達攝影測量與光學光學立體(tǐ)像對類似，利用雷達回波成像獲取光學立體(tǐ)像對，進而獲取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，簡稱SIR）數據，20世紀90年代初歐洲發射了ERS-1（The First European Remote Sensing Satellite）,開(kāi)啓了衛星雷達攝影測量時代。

SAR幹涉測量是一(yī)種利用雷達返回信号中(zhōng)的相位信息的技術，通過測量每個像素的雷達回波之間的相位差，然後執行互相關來生(shēng)成相位差“圖像”，相位差圖像中(zhōng)的輪廓對應于地形高度的輪廓，再結合平台位置和姿态信息、控制點将相位差轉換爲地形高度，最終獲取DEM。SAR幹涉測量通常被稱爲IFSAR，也稱爲InSAR。

2000年2月11日，NASA和NGA合作發起航天飛機雷達地形測量任務（The Shuttle  Radar Topography Mission，簡稱SRTM），在NASA航天飛機上搭載SIR-C/X-SAR雷達成像設備，進行了11天的數據采集任務，獲取了全球80％的陸地（北(běi)緯60度和南(nán)緯56度之間的所有陸地區域）的幹涉數據，随後通過SAR幹涉測量法生(shēng)産了SRTM數據産品，這一(yī)項目不僅爲後續基于SAR幹涉測量方法的全球DEM數據生(shēng)産奠定了至關重要的基礎，同時也産生(shēng)了大(dà)名鼎鼎的全球DEM數據SRTM。下(xià)面就給大(dà)家介紹合成孔徑雷達一(yī)脈的扛把子SRTMGL。

   

SRTMGL産品

基于NASA航天飛機雷達成像設備獲取原始數據後，NASA噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，簡稱JPL）設計開(kāi)發了SRTM數據處理系統GDPS（SRTM Ground Data Processing System，簡稱GDPS）用于處理SRTM數據，并制定了宏大(dà)的數據産品計劃

                        

   

爲了趕在ASTERGDEM産品發布之前對外(wài)公布基于遙感技術的全球高分(fēn)辨率DEM數據産品，NASA JPL 2000年就發布了SRTM v1版本，雖然隻是完成了部分(fēn)産品，但仍然站在了基于遙感技術獲取全球DEM數據技術和行業的最前端。

随後，NGA開(kāi)始接手SRTM數據的處理工(gōng)作，于2006年完成了所有規劃産品的生(shēng)産，正式對外(wài)提供全面的SRTM DEM v2版本數據，根據規定，在美國領土範圍内免費(fèi)提供1 arc-second（30m）分(fēn)辨率的SRTM DEM數據，其他區域可以免費(fèi)獲取3 arc-second（90m）和30arc-second（1000m）分(fēn)辨率的SRTM DEM數據（USA傳統做法，占據某一(yī)領域最前沿，然後開(kāi)始打壓其他國家在該領域的發展，并同時保持自己在該領域的絕對領先）。

爲了繼續保持在全球DEM數據領域的領先，NASA借助最新的項目MEaSUREs （Making Earth System Data Records for Use in Research Environments）着手升級SRTM DEM數據産品，這次升級工(gōng)作又(yòu)回到JPL手中(zhōng)，JPL接手後先對數據錯誤進行了修正，發布了v2.1版本，随後發大(dà)招，融合ASTER GDEM v2、USGS GMTED2010、USGS NED（National Elevation Dataset）數據，于2015年10月發布了SRTM Plus即v3版本産品，SRTM Plus所有數據向全球用戶免費(fèi)開(kāi)放(fàng)下(xià)載使用，包括SRTMGL1、SRTMGL3和SRTMGL30三種不同的分(fēn)辨率的全球DEM數據産品，其基本屬性如下(xià)

                                                                

    

目前空間數據研究所已經完成SRTMGL1 v3全球DSM數據下(xià)載和拼接處理，全球範圍共計129GB（如果大(dà)家有需要可以關注公衆号“空間數據研究所”，不超過一(yī)個省的話(huà)會直接發給大(dà)家，主要是網絡壓力有點大(dà)），整體(tǐ)效果如下(xià)

  

                         

原始數據如下(xià)

   

                         

  

X頻(pín)段陸地合成孔徑雷達衛星

合成孔徑雷達這一(yī)脈由SRTM打下(xià)江山，但畢竟是上世紀的技術和成果了，不僅無法PK ALOS AW3D這樣牛哄哄的産品，甚至面對ASTER GDEM v3這樣的老樹(shù)新花都有點有心無力。

首先，德國人看不下(xià)去(qù)了（因爲德國2000年就參與了SRTM項目，在NASA的航天飛機上搭載了X頻(pín)段的雷達用于獲取高分(fēn)辨率的DEM數據，也算是合成孔徑雷達這一(yī)脈的老前輩了），于是由德國航空航天中(zhōng)心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，簡稱DLR）和EADS Astrium合作，于2010年啓動了TanDEM-X項目，扛起SAR幹涉測量的大(dà)旗，基于TerraSAR-X衛星平台，開(kāi)啓SAR幹涉測量生(shēng)成全球DEM數據的新時代。

2007年6月15日TerraSAR-X衛星在俄羅斯發射升空，希望TerraSAR-X能給我(wǒ)們帶來更好的全球DEM數據産品。

                      

       

雷達測高

嚴格來講，雷達測高不屬于全球DEM數據這個江湖，因爲雷達測高最初設計目标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(fēn)幅高程數據。目前應用較爲廣泛的雷達測高平台有ERS（EuroPean Remote Sensing Sateillte）和Envisat（2002年發射升空，2012年失去(qù)通信），平台上的雷達高度計儀器收集的數據有力推動了大(dà)面積地形應用中(zhōng)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(dà)面積海拔數據集的質量），另外(wài)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(nán)極洲生(shēng)成更新高質量的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(shēng)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(yī)樣，激光測高也不屬于全球DEM這個江湖。激光測高法，通常稱爲LiDAR，同樣是一(yī)種主動的遙感技術，能夠用于獲取厘米級垂直精度的高程數據。攜帶地球科學激光高度計系統（GLAS）的ICESat平台于2003年發射，并在大(dà)部分(fēn)地區收集了LiDAR數據（約70米分(fēn)辨率），覆蓋全球陸地表面（南(nán)北(běi)緯86度）。由于激光測高所提供的高垂直精度，GLAS的主要任務是收集重複地形測量值以監測極地冰蓋，目前這一(yī)任務已成功完成。

ICESat平台獲取的高精度高程數據目前也用于開(kāi)發高質量的南(nán)極洲DEM數據。除了極地監測的主要任務目标外(wài)，ICESat平台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，特别是SRTM DEM數據産品。

免費(fèi)全球DEM數據産品綜述

本篇和大(dà)家分(fēn)享了三個全球DEM數據産品：ASTER GDEM、ALOS AW3D30、SRTM Plus，他們整體(tǐ)可以分(fēn)爲兩類：基于衛星遙感光學光學立體(tǐ)像對技術獲取的全球DEM數據，基于衛星遙感雷達測量技術獲取的全球DEM數據。

 

首先，在具體(tǐ)的研究應用過程中(zhōng)，首先需要了解兩類全球DEM數據的特性，然後根據應用場景來确定采用哪一(yī)個全球DEM數據産品。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号與陡峭的地形相互作用（從而導緻陰影，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(tǐ)的應用場景區域地貌特征和對DEM數據連續性的要求來決策是否可以使用SRTM Plus。

對于ASTER GDEM、ALOS AW3D30來說，數據空洞主要出現在無法從獲取的光學立體(tǐ)像對中(zhōng)獲得可靠高程信息的區域，通常最主要是由于長時間雲層覆蓋導緻。

其次，兩類全球DEM數據都屬于DSM，而非DEM，即高程值中(zhōng)包含樹(shù)木或建築結構的高度，不是研究區域的裸地面高程，這一(yī)點需要特别注意，尤其是在建築物(wù)密集的城市區域或樹(shù)木集中(zhōng)的林區，如果研究應用場景需要裸地面高程，則這兩類全球DEM數據均不能滿足。因此，USGS才下(xià)定決心搞了一(yī)個GMTED2010，全球多分(fēn)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爲大(dà)地高，即地面點到GPS系統參考橢球的高度值，全球各個國家基本采用正高或正常高作爲高程值，因此無法直接使用GPS系統獲取可用的高程值。

最後，就三個免費(fèi)全球DEM數據産品而言，SRTM Plus具有最好的垂直精度，ASTER GDEM具有最大(dà)的覆蓋區域，ALOS AW3D30具有最好的數據現時性。下(xià)面是關于三個免費(fèi)全球DEM數據的屬性對照表

  

    

       

計劃通過三篇文章來介紹全球DEM數據産品：

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(dà)地水準面、正高、大(dà)地高等内容，高程數據精度評價指标，全球DEM數據的緣起和發展概覽，介紹兩個最早發展的全球DEM數據産品家族：ETOPO系列、GTOPO系列。

中(zhōng)篇 主要介紹其餘免費(fèi)的全球DEM數據産品，免費(fèi)全球DEM數據産品的獲取方式介紹，并對所有免費(fèi)全球DEM數據産品做整體(tǐ)對比分(fēn)析。

下(xià)篇 主要介紹目前商(shāng)業公司提供的全球DEM數據産品，并對所有商(shāng)業全球DEM數據産品做整體(tǐ)對比分(fēn)析。

本文轉載自：空間數據研究所         作者： aoimap