上篇介紹了(le)ETOPO和(hé)GTOPO30兩個全球DEM數據産品家族，作爲最早的(de)全球DEM數據産品，受制于當時的(de)數據獲取手段，均采用(yòng)已有數據源彙集編制的(de)生産方法，在高(gāo)程系統一緻性、獲取時間一緻性、分(fēn)辨率、精度評價、更新等幾個方面存在或多(duō)或少的(de)問題。随著(zhe)衛星遙感技術的(de)發展，獲取全球範圍一緻質量的(de)高(gāo)分(fēn)辨率數字高(gāo)程數據成爲可(kě)能。目前應用(yòng)最廣泛的(de)免費高(gāo)分(fēn)辨率全球DEM數據均采用(yòng)衛星遙感技術獲取和(hé)生産，同時，衛星遙感技術也(yě)成爲了(le)生産全球大(dà)區域覆蓋、高(gāo)質量DEM數據的(de)主要數據源獲取技術。本篇和(hé)大(dà)家一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(de)系統類型主要有以下(xià)四種：光(guāng)學立體像對（Stereo Satellite Imagery）、合成孔徑雷達（SyntheticAperture Radar）、雷達測高(gāo)（Radar Altimetry）、激光(guāng)測高(gāo)（Laser Altimetry）

先看光(guāng)學立體像對這一脈

基于光(guāng)學立體像對獲取高(gāo)程數據的(de)衛星遙感系統曆史最爲悠久、也(yě)是目前應用(yòng)最爲廣泛、技術最爲成熟的(de)大(dà)區域DEM數據獲取技術系統。

                             

                        

 

提到光(guāng)學立體像對獲取高(gāo)程數據就不得(de)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(gāo)樂總統帶上巅峰的(de)法國，僅晚于美(měi)國3年于1961年就成立了(le)法國國家太空研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales，簡稱CNES，美(měi)國國家航空航天局，即NASA，于1958年由艾森豪威爾總統主導成立），CNES在1986年發射了(le)SPOT1星，1988年就有研究人(rén)員基于跨軌道SPOT衛星像對數據成果提取了(le)DEM數據。這應該算(suàn)是最早的(de)基于衛星遙感光(guāng)學立體像對技術獲取DEM數據的(de)實踐了(le)，SPOT星座後續相繼有SPOT2、SPOT3、SPOT4、SPOT5、SPOT6以及2014年發射的(de)SPOT7，SPOT系列衛星的(de)數據産品目前由空中客車國防航天公司（Airbus Defence and Space）負責經營，對外提供基于SPOT5衛星的(de)30m分(fēn)辨率全球DEM數據産品Reference3D，AIRBUS作爲全球最重要的(de)衛星遙感數據産品提供商，還提供多(duō)種更高(gāo)分(fēn)辨率的(de)DEM數據産品，具體待下(xià)一篇介紹商業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(de)第一位主角ASTER GDEM，目前應用(yòng)最廣的(de)免費全球DEM數據産品之一，ASTER是傳感器的(de)名字，其全稱爲先進星載熱發射和(hé)反射輻射計（The Advanced Spaceborne Thermal Emission andReflection Radiometer ，簡稱ASTER），于1999年12月(yuè)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(měi)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(de)年代，可(kě)以看出航天領域的(de)發展絕對和(hé)一個國家的(de)整體實力成正比）。ASTER傳感器采集的(de)是15m分(fēn)辨率的(de)同步光(guāng)學立體像對，基于上述光(guāng)學立體像對生産全球DEM數據ASTER Global DEM，即ASTER GDEM。

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

注：

傳統基于衛星光(guāng)學立體像對生産DEM數據，必須提供具有高(gāo)精度水(shuǐ)平和(hé)垂直坐(zuò)标的(de)外部大(dà)地控制點以獲得(de)絕對（地理(lǐ)參考）DEM；否則所獲得(de)的(de)數據都是相對DEM。由于改進了(le)衛星星曆表和(hé)ASTER儀器的(de)傳感器模型的(de)位置信息，ASTER DEM能夠充分(fēn)進行地理(lǐ)定位（具有絕對坐(zuò)标），無需外部控制點。這種方法有力提升了(le)大(dà)量數據的(de)處理(lǐ)效率，能夠滿足全球大(dà)面積DEM數據生産處理(lǐ)的(de)需求。

2011年10月(yuè)中旬，NASA和(hé)METI共同發布了(le)ASTER GDEM v2版本，在v1的(de)基礎之上，新增了(le)26萬光(guāng)學立體像對數據，主要用(yòng)于改善覆蓋範圍、提升數據分(fēn)辨率、提升水(shuǐ)體掩模處理(lǐ)精确度。

2019年8月(yuè)5日，NASA和(hé)METI共同發布了(le)ASTER GDEM v3版本，在v2的(de)基礎之上，新增了(le)36萬光(guāng)學立體像對數據，主要用(yòng)于減少高(gāo)程值空白區域、水(shuǐ)域數值異常。

伴随v3同時發布了(le)一個新的(de)全球數據産品：ASTER水(shuǐ)體數據集（ASTER Water Body Dataset，簡稱ASTWBD），每一幅ASTER GDEM數據都有對應的(de)水(shuǐ)體數據，ASTWBE也(yě)是目前基本能夠覆蓋全球的(de)唯一水(shuǐ)體數據。

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(gāo)程精度方面有顯著提升，建議大(dà)家在應用(yòng)研究中直接使用(yòng)v3版本的(de)ASTER GDEM數據産品。

ASTER GDEM對全球用(yòng)戶免費開放下(xià)載使用(yòng)，目前國内提供的(de)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(de)數據進行研究應用(yòng)。NASA和(hé)METI提供的(de)GDEx（The Global Data Explorer）在2019年8月(yuè)6日已經關閉

 

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

 

ALOS AW3D30産品

  

光(guāng)學立體像對這一脈，除了(le)上面給大(dà)家介紹的(de)老前輩ASTER GDEM，再給大(dà)家介紹一個目前質量非常不錯的(de)新後生，由日本宇宙航空研究所（Japan Aerospace Exploration Agency，簡稱JAXA）打造的(de)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(de)重要組成部分(fēn)，于2006年發射，2011年失去動力和(hé)通(tōng)信。ALOS共搭載了(le)三個傳感器：全色遙感立體測繪儀（PRISM），主要用(yòng)于數字高(gāo)程測繪；先進可(kě)見光(guāng)與近紅外輻射計-2（AVNIR-2），用(yòng)于精确陸地觀測；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傳感器全球區域獲取光(guāng)學立體像對數量分(fēn)布如下(xià)

   

    

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(de)光(guāng)學立體像對數據，同時開發了(le)一個高(gāo)速光(guāng)學立體像對數據處理(lǐ)系統，每天處理(lǐ)2TB數據（2000幅），經過兩年多(duō)完成了(le)全球範圍的(de)數據共計300萬個場景的(de)數據處理(lǐ)和(hé)驗證工作，于2016年對外發布了(le)AW3D産品，全球第一個5m分(fēn)辨率的(de)全球DSM産品（部分(fēn)區域可(kě)提供0.5m、1m、2m、2.5m等不同分(fēn)辨率的(de)DSM數據産品，這個确實牛，值得(de)學習）。

   

 

經過全球範圍驗證，AW3D産品的(de)高(gāo)程誤差全球範圍平均3.4m左右

   

 

AW3D産品是一個商業産品，使用(yòng)是需要付費的(de)，根據日本和(hé)美(měi)國之間的(de)約定全球免費DEM數據産品分(fēn)辨率不得(de)大(dà)于30m（此處爲猜測，目前沒有看到具體的(de)約定條款），采用(yòng)重采樣技術基于AW3D生成了(le)AW3D30，30m分(fēn)辨率的(de)全球DSM産品，向全球用(yòng)戶免費開放下(xià)載使用(yòng)。

   

                         

   

從2016年開始，JAXA每年都會發布一個新版本的(de)AW3D30産品，目前最新的(de)是2019年4月(yuè)發布的(de)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(hé)拼接處理(lǐ)，全球範圍共計172GB左右（如果大(dà)家有需要可(kě)以關注公衆号“空間數據研究所”，不超過一個省的(de)話會直接發給大(dà)家，主要是網絡壓力有點大(dà)），整體效果如下(xià)

       

                        

    

原始數據如下(xià)

    

                            

     

聊完全球免費DEM數據江湖光(guāng)學立體像對一脈的(de)兩大(dà)派系，下(xià)面接著(zhe)和(hé)大(dà)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，目前廣泛用(yòng)于獲取數字高(gāo)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(yǐng)測量（Radargrammetry），SAR幹涉測量（SAR Interferometry）。

雷達攝影(yǐng)測量與光(guāng)學光(guāng)學立體像對類似，利用(yòng)雷達回波成像獲取光(guāng)學立體像對，進而獲取DSM數據，始于20世紀70年代的(de)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(le)ERS-1（The First European Remote Sensing Satellite）,開啓了(le)衛星雷達攝影(yǐng)測量時代。

SAR幹涉測量是一種利用(yòng)雷達返回信号中的(de)相位信息的(de)技術，通(tōng)過測量每個像素的(de)雷達回波之間的(de)相位差，然後執行互相關來生成相位差“圖像”，相位差圖像中的(de)輪廓對應于地形高(gāo)度的(de)輪廓，再結合平台位置和(hé)姿态信息、控制點将相位差轉換爲地形高(gāo)度，最終獲取DEM。SAR幹涉測量通(tōng)常被稱爲IFSAR，也(yě)稱爲InSAR。

2000年2月(yuè)11日，NASA和(hé)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(le)11天的(de)數據采集任務，獲取了(le)全球80％的(de)陸地（北(běi)緯60度和(hé)南(nán)緯56度之間的(de)所有陸地區域）的(de)幹涉數據，随後通(tōng)過SAR幹涉測量法生産了(le)SRTM數據産品，這一項目不僅爲後續基于SAR幹涉測量方法的(de)全球DEM數據生産奠定了(le)至關重要的(de)基礎，同時也(yě)産生了(le)大(dà)名鼎鼎的(de)全球DEM數據SRTM。下(xià)面就給大(dà)家介紹合成孔徑雷達一脈的(de)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）設計開發了(le)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(le)宏大(dà)的(de)數據産品計劃

                        

   

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

随後，NGA開始接手SRTM數據的(de)處理(lǐ)工作，于2006年完成了(le)所有規劃産品的(de)生産，正式對外提供全面的(de)SRTM DEM v2版本數據，根據規定，在美(měi)國領土範圍内免費提供1 arc-second（30m）分(fēn)辨率的(de)SRTM DEM數據，其他(tā)區域可(kě)以免費獲取3 arc-second（90m）和(hé)30arc-second（1000m）分(fēn)辨率的(de)SRTM DEM數據（USA傳統做(zuò)法，占據某一領域最前沿，然後開始打壓其他(tā)國家在該領域的(de)發展，并同時保持自己在該領域的(de)絕對領先）。

爲了(le)繼續保持在全球DEM數據領域的(de)領先，NASA借助最新的(de)項目MEaSUREs （Making Earth System Data Records for Use in Research Environments）著(zhe)手升級SRTM DEM數據産品，這次升級工作又回到JPL手中，JPL接手後先對數據錯誤進行了(le)修正，發布了(le)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(yuè)發布了(le)SRTM Plus即v3版本産品，SRTM Plus所有數據向全球用(yòng)戶免費開放下(xià)載使用(yòng)，包括SRTMGL1、SRTMGL3和(hé)SRTMGL30三種不同的(de)分(fēn)辨率的(de)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(hé)拼接處理(lǐ)，全球範圍共計129GB（如果大(dà)家有需要可(kě)以關注公衆号“空間數據研究所”，不超過一個省的(de)話會直接發給大(dà)家，主要是網絡壓力有點大(dà)），整體效果如下(xià)

  

                         

原始數據如下(xià)

   

                         

  

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(xià)江山，但畢竟是上世紀的(de)技術和(hé)成果了(le)，不僅無法PK ALOS AW3D這樣牛哄哄的(de)産品，甚至面對ASTER GDEM v3這樣的(de)老樹新花都有點有心無力。

首先，德國人(rén)看不下(xià)去了(le)（因爲德國2000年就參與了(le)SRTM項目，在NASA的(de)航天飛機上搭載了(le)X頻段的(de)雷達用(yòng)于獲取高(gāo)分(fēn)辨率的(de)DEM數據，也(yě)算(suàn)是合成孔徑雷達這一脈的(de)老前輩了(le)），于是由德國航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，簡稱DLR）和(hé)EADS Astrium合作，于2010年啓動了(le)TanDEM-X項目，扛起SAR幹涉測量的(de)大(dà)旗，基于TerraSAR-X衛星平台，開啓SAR幹涉測量生成全球DEM數據的(de)新時代。

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

                      

       

雷達測高(gāo)

嚴格來講，雷達測高(gāo)不屬于全球DEM數據這個江湖，因爲雷達測高(gāo)最初設計目标主要用(yòng)于測量海面高(gāo)度和(hé)冰蓋地形。目前也(yě)被用(yòng)于在陸地區域獲取分(fēn)幅高(gāo)程數據。目前應用(yòng)較爲廣泛的(de)雷達測高(gāo)平台有ERS（EuroPean Remote Sensing Sateillte）和(hé)Envisat（2002年發射升空，2012年失去通(tōng)信），平台上的(de)雷達高(gāo)度計儀器收集的(de)數據有力推動了(le)大(dà)面積地形應用(yòng)中雷達測高(gāo)方案的(de)應用(yòng)，鑒于其但提供的(de)高(gāo)垂直精度數據，可(kě)用(yòng)于驗證或檢查其他(tā)大(dà)面積海拔數據集的(de)質量），另外主要用(yòng)于在格陵蘭島（最近特朗普要從丹麥買的(de)那個島）和(hé)南(nán)極洲生成更新高(gāo)質量的(de)DEM。除了(le)陸地地形，雷達高(gāo)度計數據已成功處理(lǐ)用(yòng)于繪制海洋水(shuǐ)深測量圖，這些測深數據已與SRTM30的(de)土地數據合并，生成覆蓋陸地和(hé)海洋的(de)全球高(gāo)程數據集。

激光(guāng)測高(gāo)

和(hé)雷達測高(gāo)一樣，激光(guāng)測高(gāo)也(yě)不屬于全球DEM這個江湖。激光(guāng)測高(gāo)法，通(tōng)常稱爲LiDAR，同樣是一種主動的(de)遙感技術，能夠用(yòng)于獲取厘米級垂直精度的(de)高(gāo)程數據。攜帶地球科學激光(guāng)高(gāo)度計系統（GLAS）的(de)ICESat平台于2003年發射，并在大(dà)部分(fēn)地區收集了(le)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(guāng)測高(gāo)所提供的(de)高(gāo)垂直精度，GLAS的(de)主要任務是收集重複地形測量值以監測極地冰蓋，目前這一任務已成功完成。

ICESat平台獲取的(de)高(gāo)精度高(gāo)程數據目前也(yě)用(yòng)于開發高(gāo)質量的(de)南(nán)極洲DEM數據。除了(le)極地監測的(de)主要任務目标外，ICESat平台獲取的(de)高(gāo)精度高(gāo)程數據已被證明(míng)可(kě)用(yòng)作驗證其他(tā)全球DEM源數據的(de)參考控制數據，特别是SRTM DEM數據産品。

免費全球DEM數據産品綜述

本篇和(hé)大(dà)家分(fēn)享了(le)三個全球DEM數據産品：ASTER GDEM、ALOS AW3D30、SRTM Plus，他(tā)們整體可(kě)以分(fēn)爲兩類：基于衛星遙感光(guāng)學光(guāng)學立體像對技術獲取的(de)全球DEM數據，基于衛星遙感雷達測量技術獲取的(de)全球DEM數據。

 

首先，在具體的(de)研究應用(yòng)過程中，首先需要了(le)解兩類全球DEM數據的(de)特性，然後根據應用(yòng)場景來确定采用(yòng)哪一個全球DEM數據産品。數據空洞可(kě)能是影(yǐng)響DEM使用(yòng)的(de)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(de)地形相互作用(yòng)（從而導緻陰影(yǐng)，縮短或停留）以及水(shuǐ)或沙子等光(guāng)滑表面不能反射足夠的(de)能量造成的(de)。根據具體的(de)應用(yòng)場景區域地貌特征和(hé)對DEM數據連續性的(de)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(de)光(guāng)學立體像對中獲得(de)可(kě)靠高(gāo)程信息的(de)區域，通(tōng)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(gāo)程值中包含樹木(mù)或建築結構的(de)高(gāo)度，不是研究區域的(de)裸地面高(gāo)程，這一點需要特别注意，尤其是在建築物(wù)密集的(de)城(chéng)市區域或樹木(mù)集中的(de)林(lín)區，如果研究應用(yòng)場景需要裸地面高(gāo)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(le)一個GMTED2010，全球多(duō)分(fēn)辨率地形高(gāo)程數據2010模型，上篇已做(zuò)介紹。全球DEM數據介紹（上）

注

目前GPS系統給出的(de)高(gāo)程值均爲大(dà)地高(gāo)，即地面點到GPS系統參考橢球的(de)高(gāo)度值，全球各個國家基本采用(yòng)正高(gāo)或正常高(gāo)作爲高(gāo)程值，因此無法直接使用(yòng)GPS系統獲取可(kě)用(yòng)的(de)高(gāo)程值。

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

  

    

       

計劃通(tōng)過三篇文章(zhāng)來介紹全球DEM數據産品：

上篇 主要介紹DEM的(de)基本概念，高(gāo)程值測量系統與主要組件概念，如高(gāo)程系統、大(dà)地水(shuǐ)準面、正高(gāo)、大(dà)地高(gāo)等内容，高(gāo)程數據精度評價指标，全球DEM數據的(de)緣起和(hé)發展概覽，介紹兩個最早發展的(de)全球DEM數據産品家族：ETOPO系列、GTOPO系列。

中篇 主要介紹其餘免費的(de)全球DEM數據産品，免費全球DEM數據産品的(de)獲取方式介紹，并對所有免費全球DEM數據産品做(zuò)整體對比分(fēn)析。

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

本文轉載自：空間數據研究所         作者： aoimap