人(rén)站(zhàn)的高度不同，看問題的角度便不同，思考問題的方式也(yě)不同，看到的風(fēng)景和最終達到的人(rén)生(shēng)高度更是不同。當下(xià)的高度到底有多高？應該怎樣認知自我站(zhàn)位的高度？空間(jiān)數據研究所帶您一(yī)起認知一(yī)類稱為(wèi)高程的數據，山川大地、江河(hé)湖海，地球的每一(yī)寸角落都有其高度，讓我們站(zhàn)在這(zhè)顆星球的高度找到适合自己的高度。
如(rú)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(xiàn)對星球表面高程狀态的數字化(huà)模拟，是建立數字地形模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM）的基礎。
如(rú)何測量高度？
高程測量的概念
大地水準面是一(yī)個(gè)重力等位面，因為(wèi)地球密度的非均勻性引起的重力異常導緻無法獲取理(lǐ)論上(shàng)的大地水準面模型，一(yī)般基于莫洛金(jīn)斯理(lǐ)論，通過長期觀測、地球重力場(chǎng)分(fēn)布測量建立似大地水準面，地面點沿鉛垂線到似大地水準面的距離稱為(wèi)正常高。
基于似大地水準面定義的高程系統稱為(wèi)正常高系統，我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(dàn)軍方和民(mín)用領域推廣的多為(wèi)基于WGS84坐标系統采用GPS測量的大地高（大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，是一(yī)個(gè)幾何量）
似大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(gè)部分(fēn)，最重要且難度較大的是地球重力分(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(lǐ)空間(jiān)情報(bào)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，約為(wèi)9Km。
我國也(yě)建立了(le)多個(gè)自主的地球重力分(fēn)布模型，如(rú)WDM89、WDM94等，其中WDM94的網格分(fēn)辨率達到 30 Arc-Minutes,約為(wèi)55Km。
地球重力分(fēn)布模型不僅會影響大地水準面的建立，更是衛星精密定軌的基礎，而衛星定軌的精度直接關(guān)系到衛星大地測量的定位精度。下(xià)圖為(wèi)EGM2008模型大地水準面可視(shì)化(huà)效果（-106.909/85.824米）
大地水準面模型
高分(fēn)辨率、高精度的大地水準面模型是開展衛星大地測量的基礎，通過GPS系統獲取地面點大地高（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，是一(yī)個(gè)幾何量），結合該點大地水準面高程信息，即可計算(suàn)得出該點的正常高程值。
CQG2000（Chinese Quasi-Geoid 2000，簡稱CQG2000），我國最新(xīn)一(yī)代似大地水準面成果，覆蓋我國大陸及其海岸線以外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(suàn)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(zǐ)，如(rú)坡度、坡向、坡度變化(huà)率等因子(zǐ)在内的線性和非線性組合的空間(jiān)分(fēn)布模型，其中DEM是單項數字地貌模型，其他如(rú)坡度、坡向及坡度變化(huà)率等地貌特性可在DEM的基礎上(shàng)計算(suàn)生(shēng)成。
如(rú)何評價高度？
圓概率誤差（Circular Error Probability,簡稱CEP）主要用于軍事(shì)領域，其在彈道學上(shàng)的定義是以目标為(wèi)圓心劃一(yī)個(gè)圓，如(rú)果武器(qì)命中此圓的機率至少為(wèi)50%，則此圓的半徑就(jiù)是圓概率誤差。
性誤差概率(Linear Error Probability，簡稱LEP)，是一(yī)個(gè)線性範圍，一(yī)般用于表示絕對高程精度。例如(rú)，某測量點的垂直精度為(wèi)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(zuò)為(wèi)平面精度和高程精度的衡量指标，國内外衛星在發布定位精度時(shí)，一(yī)般使用CE90作(zuò)為(wèi)精度指标。
導航和測繪領域也(yě)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(zuò)為(wèi)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(le)解其水平和高程精度。
了(le)解地球的高度
随着地球系統科學（Earth System Science）的出現(xiàn)以及越來(lái)越多的研究領域開始關(guān)注全球變化(huà)，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）組建地形科學工作(zuò)組，系統性梳理(lǐ)了(le)高程數據的科學應用領域，并提出了(le)制作(zuò)全球DEM數據集的建議(yì)。
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(le)對全球DEM數據的需求，有力推動了(le)全球DEM數據獲取、處理(lǐ)、應用等各研究領域的發展。
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(huà)研究計劃（U.S. Global Change Research Plan，簡稱USGCRP），于1991年開始建立并投入使用，它是由多顆衛星組成和為(wèi)實行多學科（大氣、海洋、陸面、生(shēng)物、化(huà)學等）綜合研究，加深對地球系統變化(huà)的理(lǐ)解，回答(dá)理(lǐ)解全球氣候變化(huà)的問題，地球氣候系統是如(rú)何變化(huà)的，各種地球現(xiàn)象是如(rú)何發生(shēng)的，又是如(rú)何變化(huà)的，自然和人(rén)類對全球環境變化(huà)的作(zuò)用，建立人(rén)類對地球系統發生(shēng)的各種現(xiàn)象的長期監視(shì)，改進對全球尺度上(shàng)地球系統各分(fēn)量及它們間(jiān)相互作(zuò)用的理(lǐ)解目的而建立的全球衛星觀測體(tǐ)系。整個(gè)系統包含三個(gè)部分(fēn)：
2、EOS數據信息系統（Earth Observing System Data and Information System，簡稱EOSDIS）人(rén)類所能(néng)構想的最雄心勃勃的數據項目之一(yī)，于1999年正式上(shàng)線，自 上(shàng)線以來(lái)，EOSDIS已成為(wèi)全球最大和最活躍的數據存儲庫，每天接收 3 TB 的新(xīn)數據并向全球各地的研究人(rén)員(yuán)分(fēn)發 2 TB 的現(xiàn)有信息，支撐全球用戶訪問 2000 多萬個(gè)文件（包含超過 1 PB 的信息），EOSDIS為(wèi)整個(gè)EOS系統提供了(le)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(qì)）
全球DEM數據發展概述
全球DEM數據從1988開始，經過30餘年的發展，在生(shēng)産方法、數據處理(lǐ)技術、分(fēn)辨率、精度、應用領域與市(shì)場(chǎng)等多個(gè)方面都有了(le)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(kuài)速獲取；
處理(lǐ)技術：數據處理(lǐ)技術從最初的手動鑲嵌、分(fēn)區域重采樣、人(rén)工整合到目前的全球無控制點自動化(huà)處理(lǐ)；
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面積變化(huà)研究逐步拓展到城市(shì)甚至局部小面積區域高程相關(guān)應用研究，應用行業也(yě)從傳統的測繪、國土(tǔ)資源管理(lǐ)、氣候與大氣治理(lǐ)、環境保護拓展到通信網絡規劃設計、智能(néng)交通系統設計、礦産資源、建築與土(tǔ)木工程設計、減災防災、國防與國家安全等領域。人(rén)類對全球DEM數據的需求将随着信息空間(jiān)的拓展逐步增強。
市(shì)場(chǎng)：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(rú)AIRBUSDEFENCE AND SPACE、Digital Globe、NTT DATA and Remote Sensing Technology Center of Japan等，逐步形成了(le)一(yī)個(gè)全球DEM數據産品市(shì)場(chǎng)，為(wèi)企業獲取全球DEM數據提供了(le)非政府渠道。
ETOPO5是第一(yī)個(gè)廣泛使用的全球高程模型，由美國地球物理(lǐ)中心（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、加拿大北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)經緯度在赤道約為(wèi)10 Km間(jiān)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(le)ETOPO2的兩個(gè)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(yuè)(yuè)NGDC發布了(le)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)為(wèi)Ice Surface和Bedrock兩個(gè)版本，兩個(gè)版本差别在于處理(lǐ)南(nán)極洲和Greenland區域數據時(shí)，Ice Surface給出的是加上(shàng)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(xīn)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(guān)數據源的精度。
為(wèi)了(le)滿足EOS和其他全球變化(huà)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）開發了(le)全球1Km DEM産品GTOPO30，相當于30弧秒(miǎo)經緯度網格分(fēn)辨率。GTOPO30同樣采用對已有制圖數據重新(xīn)編制的生(shēng)産方法，共8個(gè)數據源，由8個(gè)機構參與數據提供、技術及資金(jīn)支持，經過三年的合作(zuò)最終完成。
美國地質調查局地球資源觀測和科學中心（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/全球資源信息數據庫（The United Nations Environment Programme /Global Resource Information Database，簡稱UNEP/GRID）
美國國際開發署（U.S. Agency for International Development，簡稱USAID）
墨西(xī)哥國家地理(lǐ)調查研究所（INEGI）
日本地理(lǐ)調查研究所（Geographical Survey Institute of Japan，簡稱GSI）
新(xīn)西(xī)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(lǐ)空間(jiān)情報(bào)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(miǎo)經緯度網格分(fēn)辨率重采樣到30弧秒(miǎo)經緯度網格分(fēn)辨率。利用網格插值将DCW中的源地形圖（輪廓和點高度）和水文特征數據融合到GTOPO30數據中。
GTOPO30自發布以來(lái)已經成為(wèi)許多大面積應用的首選全球DEM，它也(yě)是其他全球DEM數據産品的主要數據源，如(rú)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(xīn)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(shí)可以根據對應區域參考兩個(gè)主要數據源的精度指标，DTED在3弧秒(miǎo)經緯度網格分(fēn)辨率時(shí)LE90為(wèi)30米，DCW在融合到GTOPO30後，在30弧秒(miǎo)經緯度網格分(fēn)辨率時(shí)可信的LE90為(wèi)160米。
為(wèi)了(le)便于數據分(fēn)發，GTOPO30将全球數據分(fēn)為(wèi)33幅，用戶可以根據研究區域分(fēn)幅獲取。
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(shí)新(xīn)的高程數據獲取技術不斷湧現(xiàn)，USGS和NGA合作(zuò)，十年磨一(yī)劍，于2010年共同推出了(le)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(miǎo)、15弧秒(miǎo)、7.5弧秒(miǎo)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(miǎo)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(miǎo)分(fēn)辨率平均高程數據（-430/8625米）。
GMTED2010在GTOPO30的基礎上(shàng)引入了(le)新(xīn)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(miǎo)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(miǎo)分(fēn)辨率，基于MSL的正常高高程；GMTED2010的數據源及其占比如(rú)下(xià)表
MTED2010數據源的水平分(fēn)辨率及參考坐标系統如(rú)下(xià)表
MTED2010數據源的垂直分(fēn)辨率及高程基準面如(rú)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(zuò)GMTED2010産品時(shí)，除了(le)采用多分(fēn)辨率外，還建立了(le)包括最小高程、最大高程、平均高程、中間(jiān)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。
為(wèi)了(le)便于使用者使用，GMTED2010産品中還包含一(yī)份SHP格式的元數據，通過該元數據可以快(kuài)速獲取指定區域GMTED2010産品的概覽信息，元數據屬性表如(rú)下(xià)
通過元數據可以根據區域快(kuài)速認知GMTED2010數據
本文章轉載自微信公衆号：
