上篇介紹了ETOPO和GTOPO30兩個全球DEM數據産(chǎn)品家族，作(zuò)為(wèi)最早的全球DEM數據産(chǎn)品，受制于當時的數據獲取手段，均采用(yòng)已有(yǒu)數據源彙集編制的生産(chǎn)方法，在高程系統一緻性、獲取時間一緻性、分(fēn)辨率、精(jīng)度評價、更新(xīn)等幾個方面存在或多(duō)或少的問題。随着衛星遙感技(jì )術的發展，獲取全球範圍一緻質(zhì)量的高分(fēn)辨率數字高程數據成為(wèi)可(kě)能(néng)。目前應用(yòng)最廣泛的免費高分(fēn)辨率全球DEM數據均采用(yòng)衛星遙感技(jì )術獲取和生産(chǎn)，同時，衛星遙感技(jì )術也成為(wèi)了生産(chǎn)全球大區(qū)域覆蓋、高質(zhì)量DEM數據的主要數據源獲取技(jì )術。本篇和大家一起走進基于衛星遙感技(jì )術獲取全球DEM數據這個領域。

四大流派

基于衛星遙感技(jì )術獲取全球DEM數據的系統類型主要有(yǒu)以下四種：光學(xué)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(xué)立體(tǐ)像對這一脈

基于光學(xué)立體(tǐ)像對獲取高程數據的衛星遙感系統曆史最為(wèi)悠久、也是目前應用(yòng)最為(wèi)廣泛、技(jì )術最為(wèi)成熟的大區(qū)域DEM數據獲取技(jì )術系統。

                             

                        

 

提到光學(xué)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(guó)，僅晚于美國(guó)3年于1961年就成立了法國(guó)國(guó)家太空研究中(zhōng)心（Centre National d’Etudes Spatiales，簡稱CNES，美國(guó)國(guó)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年發射了SPOT1星，1988年就有(yǒu)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(tǐ)像對技(jì )術獲取DEM數據的實踐了，SPOT星座後續相繼有(yǒu)SPOT2、SPOT3、SPOT4、SPOT5、SPOT6以及2014年發射的SPOT7，SPOT系列衛星的數據産(chǎn)品目前由空中(zhōng)客車(chē)國(guó)防航天公(gōng)司（Airbus Defence and Space）負責經營，對外提供基于SPOT5衛星的30m分(fēn)辨率全球DEM數據産(chǎn)品Reference3D，AIRBUS作(zuò)為(wèi)全球最重要的衛星遙感數據産(chǎn)品提供商(shāng)，還提供多(duō)種更高分(fēn)辨率的DEM數據産(chǎn)品，具(jù)體(tǐ)待下一篇介紹商(shāng)業DEM數據産(chǎn)品時再詳細介紹。

       

ASTER GDEM産(chǎn)品

    

聊完SPOT，下面介紹本篇的第一位主角ASTER GDEM，目前應用(yòng)最廣的免費全球DEM數據産(chǎn)品之一，ASTER是傳感器的名(míng)字，其全稱為(wèi)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年開始回傳數據，ASTER是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、日本經濟産(chǎn)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(kě)以看出航天領域的發展絕對和一個國(guó)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(xué)立體(tǐ)像對，基于上述光學(xué)立體(tǐ)像對生産(chǎn)全球DEM數據ASTER Global DEM，即ASTER GDEM。

NASA和METI于2009年6月28日共同發布了ASTER GDEM v1數據産(chǎn)品，并宣布向全球用(yòng)戶免費開放下載使用(yòng)。ASTER GDEM v1采用(yòng)全自動的生産(chǎn)方式，并首創無控制點絕對DSM數據生産(chǎn)方法，通過一年的時間完成了ASTERGDEM測試版本數據生産(chǎn)處理(lǐ)。

注：

傳統基于衛星光學(xué)立體(tǐ)像對生産(chǎn)DEM數據，必須提供具(jù)有(yǒu)高精(jīng)度水平和垂直坐(zuò)标的外部大地控制點以獲得絕對（地理(lǐ)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(néng)夠充分(fēn)進行地理(lǐ)定位（具(jù)有(yǒu)絕對坐(zuò)标），無需外部控制點。這種方法有(yǒu)力提升了大量數據的處理(lǐ)效率，能(néng)夠滿足全球大面積DEM數據生産(chǎn)處理(lǐ)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(xīn)增了26萬光學(xué)立體(tǐ)像對數據，主要用(yòng)于改善覆蓋範圍、提升數據分(fēn)辨率、提升水體(tǐ)掩模處理(lǐ)精(jīng)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(xīn)增了36萬光學(xué)立體(tǐ)像對數據，主要用(yòng)于減少高程值空白區(qū)域、水域數值異常。

伴随v3同時發布了一個新(xīn)的全球數據産(chǎn)品：ASTER水體(tǐ)數據集（ASTER Water Body Dataset，簡稱ASTWBD），每一幅ASTER GDEM數據都有(yǒu)對應的水體(tǐ)數據，ASTWBE也是目前基本能(néng)夠覆蓋全球的唯一水體(tǐ)數據。

ASTER GDEM三個版本基本屬性表如下：

 

 

v3版本數據在有(yǒu)效覆蓋範圍，高程精(jīng)度方面有(yǒu)顯著提升，建議大家在應用(yòng)研究中(zhōng)直接使用(yòng)v3版本的ASTER GDEM數據産(chǎn)品。

ASTER GDEM對全球用(yòng)戶免費開放下載使用(yòng)，目前國(guó)内提供的下載源基本都是v1版本數據，建議大家直接下載v3版本的數據進行研究應用(yòng)。NASA和METI提供的GDEx（The Global Data Explorer）在2019年8月6日已經關閉

 

如果需要下載數據可(kě)以直接訪問LD DAAC直接下載分(fēn)幅數據包，這個是一個FTP服務(wù)器，注冊後可(kě)以直接分(fēn)幅下載，然後自己進行拼接即可(kě)。全球範圍一共22608個文(wén)件（沒有(yǒu)官方文(wén)檔提到的22912，目前不知原因）,共計373GB，如果大家有(yǒu)需要可(kě)以關注公(gōng)衆号“空間數據研究所”，不超過一個省的話會直接發給大家，主要是網絡壓力有(yǒu)點大。

 

ALOS AW3D30産(chǎn)品

  

光學(xué)立體(tǐ)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(xīn)後生，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(hěn)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(yòng)于數字高程測繪；先進可(kě)見光與近紅外輻射計-2（AVNIR-2），用(yòng)于精(jīng)确陸地觀測；相控陣型L波段合成孔徑雷達（PALSAR），用(yòng)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(tǐ)像對數量分(fēn)布如下

   

    

再看數據處理(lǐ)部分(fēn)，JAXA基于PRISM（The Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping）傳感器采集的光學(xué)立體(tǐ)像對數據，同時開發了一個高速光學(xué)立體(tǐ)像對數據處理(lǐ)系統，每天處理(lǐ)2TB數據（2000幅），經過兩年多(duō)完成了全球範圍的數據共計300萬個場景的數據處理(lǐ)和驗證工(gōng)作(zuò)，于2016年對外發布了AW3D産(chǎn)品，全球第一個5m分(fēn)辨率的全球DSM産(chǎn)品（部分(fēn)區(qū)域可(kě)提供0.5m、1m、2m、2.5m等不同分(fēn)辨率的DSM數據産(chǎn)品，這個确實牛，值得學(xué)習）。

   

 

經過全球範圍驗證，AW3D産(chǎn)品的高程誤差全球範圍平均3.4m左右

   

 

AW3D産(chǎn)品是一個商(shāng)業産(chǎn)品，使用(yòng)是需要付費的，根據日本和美國(guó)之間的約定全球免費DEM數據産(chǎn)品分(fēn)辨率不得大于30m（此處為(wèi)猜測，目前沒有(yǒu)看到具(jù)體(tǐ)的約定條款），采用(yòng)重采樣技(jì )術基于AW3D生成了AW3D30，30m分(fēn)辨率的全球DSM産(chǎn)品，向全球用(yòng)戶免費開放下載使用(yòng)。

   

                         

   

從2016年開始，JAXA每年都會發布一個新(xīn)版本的AW3D30産(chǎn)品，目前最新(xīn)的是2019年4月發布的AW3D30v2.2，其基本屬性如下。

   

                                                                       

   

目前空間數據研究所已經完成AW3D30全球DSM數據下載和拼接處理(lǐ)，全球範圍共計172GB左右（如果大家有(yǒu)需要可(kě)以關注公(gōng)衆号“空間數據研究所”，不超過一個省的話會直接發給大家，主要是網絡壓力有(yǒu)點大），整體(tǐ)效果如下

       

                        

    

原始數據如下

    

                            

     

聊完全球免費DEM數據江湖(hú)光學(xué)立體(tǐ)像對一脈的兩大派系，下面接着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(jì )術，目前廣泛用(yòng)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(yǒu)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(xué)光學(xué)立體(tǐ)像對類似，利用(yòng)雷達回波成像獲取光學(xué)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）,開啓了衛星雷達攝影測量時代。

SAR幹涉測量是一種利用(yòng)雷達返回信号中(zhōng)的相位信息的技(jì )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為(wèi)地形高度，最終獲取DEM。SAR幹涉測量通常被稱為(wèi)IFSAR，也稱為(wèi)InSAR。

2000年2月11日，NASA和NGA合作(zuò)發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雷達成像設備，進行了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(yǒu)陸地區(qū)域）的幹涉數據，随後通過SAR幹涉測量法生産(chǎn)了SRTM數據産(chǎn)品，這一項目不僅為(wèi)後續基于SAR幹涉測量方法的全球DEM數據生産(chǎn)奠定了至關重要的基礎，同時也産(chǎn)生了大名(míng)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産(chǎn)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）設計開發了SRTM數據處理(lǐ)系統GDPS（SRTM Ground Data Processing System，簡稱GDPS）用(yòng)于處理(lǐ)SRTM數據，并制定了宏大的數據産(chǎn)品計劃

                        

   

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

随後，NGA開始接手SRTM數據的處理(lǐ)工(gōng)作(zuò)，于2006年完成了所有(yǒu)規劃産(chǎn)品的生産(chǎn)，正式對外提供全面的SRTM DEM v2版本數據，根據規定，在美國(guó)領土範圍内免費提供1 arc-second（30m）分(fēn)辨率的SRTM DEM數據，其他(tā)區(qū)域可(kě)以免費獲取3 arc-second（90m）和30arc-second（1000m）分(fēn)辨率的SRTM DEM數據（USA傳統做法，占據某一領域最前沿，然後開始打壓其他(tā)國(guó)家在該領域的發展，并同時保持自己在該領域的絕對領先）。

為(wèi)了繼續保持在全球DEM數據領域的領先，NASA借助最新(xīn)的項目MEaSUREs （Making Earth System Data Records for Use in Research Environments）着手升級SRTM DEM數據産(chǎn)品，這次升級工(gōng)作(zuò)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(chǎn)品，SRTM Plus所有(yǒu)數據向全球用(yòng)戶免費開放下載使用(yòng)，包括SRTMGL1、SRTMGL3和SRTMGL30三種不同的分(fēn)辨率的全球DEM數據産(chǎn)品，其基本屬性如下

                                                                

    

目前空間數據研究所已經完成SRTMGL1 v3全球DSM數據下載和拼接處理(lǐ)，全球範圍共計129GB（如果大家有(yǒu)需要可(kě)以關注公(gōng)衆号“空間數據研究所”，不超過一個省的話會直接發給大家，主要是網絡壓力有(yǒu)點大），整體(tǐ)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(shān)，但畢竟是上世紀的技(jì )術和成果了，不僅無法PK ALOS AW3D這樣牛哄哄的産(chǎn)品，甚至面對ASTER GDEM v3這樣的老樹新(xīn)花(huā)都有(yǒu)點有(yǒu)心無力。

首先，德(dé)國(guó)人看不下去了（因為(wèi)德(dé)國(guó)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(yòng)于獲取高分(fēn)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(dé)國航空航天中(zhōng)心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，簡稱DLR）和EADS Astrium合作(zuò)，于2010年啓動了TanDEM-X項目，扛起SAR幹涉測量的大旗，基于TerraSAR-X衛星平台，開啓SAR幹涉測量生成全球DEM數據的新(xīn)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(néng)給我們帶來更好的全球DEM數據産(chǎn)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(hú)，因為(wèi)雷達測高最初設計目标主要用(yòng)于測量海面高度和冰蓋地形。目前也被用(yòng)于在陸地區(qū)域獲取分(fēn)幅高程數據。目前應用(yòng)較為(wèi)廣泛的雷達測高平台有(yǒu)ERS（EuroPean Remote Sensing Sateillte）和Envisat（2002年發射升空，2012年失去通信），平台上的雷達高度計儀器收集的數據有(yǒu)力推動了大面積地形應用(yòng)中(zhōng)雷達測高方案的應用(yòng)，鑒于其但提供的高垂直精(jīng)度數據，可(kě)用(yòng)于驗證或檢查其他(tā)大面積海拔數據集的質(zhì)量），另外主要用(yòng)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(xīn)高質(zhì)量的DEM。除了陸地地形，雷達高度計數據已成功處理(lǐ)用(yòng)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這個江湖(hú)。激光測高法，通常稱為(wèi)LiDAR，同樣是一種主動的遙感技(jì )術，能(néng)夠用(yòng)于獲取厘米級垂直精(jīng)度的高程數據。攜帶地球科(kē)學(xué)激光高度計系統（GLAS）的ICESat平台于2003年發射，并在大部分(fēn)地區(qū)收集了LiDAR數據（約70米分(fēn)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(jīng)度，GLAS的主要任務(wù)是收集重複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平台獲取的高精(jīng)度高程數據目前也用(yòng)于開發高質(zhì)量的南極洲DEM數據。除了極地監測的主要任務(wù)目标外，ICESat平台獲取的高精(jīng)度高程數據已被證明可(kě)用(yòng)作(zuò)驗證其他(tā)全球DEM源數據的參考控制數據，特别是SRTM DEM數據産(chǎn)品。

免費全球DEM數據産(chǎn)品綜述

本篇和大家分(fēn)享了三個全球DEM數據産(chǎn)品：ASTER GDEM、ALOS AW3D30、SRTM Plus，他(tā)們整體(tǐ)可(kě)以分(fēn)為(wèi)兩類：基于衛星遙感光學(xué)光學(xué)立體(tǐ)像對技(jì )術獲取的全球DEM數據，基于衛星遙感雷達測量技(jì )術獲取的全球DEM數據。

 

首先，在具(jù)體(tǐ)的研究應用(yòng)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(yòng)場景來确定采用(yòng)哪一個全球DEM數據産(chǎn)品。數據空洞可(kě)能(néng)是影響DEM使用(yòng)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(zuò)用(yòng)（從而導緻陰影，縮短或停留）以及水或沙子等光滑表面不能(néng)反射足夠的能(néng)量造成的。根據具(jù)體(tǐ)的應用(yòng)場景區(qū)域地貌特征和對DEM數據連續性的要求來決策是否可(kě)以使用(yòng)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(xué)立體(tǐ)像對中(zhōng)獲得可(kě)靠高程信息的區(qū)域，通常最主要是由于長(cháng)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)包含樹木(mù)或建築結構的高度，不是研究區(qū)域的裸地面高程，這一點需要特别注意，尤其是在建築物(wù)密集的城市區(qū)域或樹木(mù)集中(zhōng)的林區(qū)，如果研究應用(yòng)場景需要裸地面高程，則這兩類全球DEM數據均不能(néng)滿足。因此，USGS才下定決心搞了一個GMTED2010，全球多(duō)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為(wèi)大地高，即地面點到GPS系統參考橢球的高度值，全球各個國(guó)家基本采用(yòng)正高或正常高作(zuò)為(wèi)高程值，因此無法直接使用(yòng)GPS系統獲取可(kě)用(yòng)的高程值。

最後，就三個免費全球DEM數據産(chǎn)品而言，SRTM Plus具(jù)有(yǒu)最好的垂直精(jīng)度，ASTER GDEM具(jù)有(yǒu)最大的覆蓋區(qū)域，ALOS AW3D30具(jù)有(yǒu)最好的數據現時性。下面是關于三個免費全球DEM數據的屬性對照表

  

    

       

計劃通過三篇文(wén)章來介紹全球DEM數據産(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、大地高等内容，高程數據精(jīng)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(chǎn)品家族：ETOPO系列、GTOPO系列。

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

下篇 主要介紹目前商(shāng)業公(gōng)司提供的全球DEM數據産(chǎn)品，并對所有(yǒu)商(shāng)業全球DEM數據産(chǎn)品做整體(tǐ)對比分(fēn)析。

本文(wén)轉載自：空間數據研究所         作(zuò)者： aoimap