上(shàng)篇介紹了(le)ETOPO和GTOPO30兩個(gè)全球DEM數據産品家族，作(zuò)為(wèi)最早的全球DEM數據産品，受制于當時(shí)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(shí)間(jiān)一(yī)緻性、分(fēn)辨率、精度評價、更新(xīn)等幾個(gè)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為(wèi)可能(néng)。目前應用最廣泛的免費高分(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(shí)，衛星遙感技術也(yě)成為(wèi)了(le)生(shēng)産全球大區域覆蓋、高質量DEM數據的主要數據源獲取技術。本篇和大家一(yī)起走進基于衛星遙感技術獲取全球DEM數據這(zhè)個(gè)領域。
四大流派
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(zhè)一(yī)脈
SPOT衛星曆史悠久，二戰後被戴高樂(yuè)總統帶上(shàng)巅峰的法國，僅晚于美國3年于1961年就(jiù)成立了(le)法國國家太空研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales，簡稱CNES，美國國家航空航天局，即NASA，于1958年由艾森豪威爾總統主導成立），CNES在1986年發射了(le)SPOT1星，1988年就(jiù)有研究人(rén)員(yuán)基于跨軌道SPOT衛星像對數據成果提取了(le)DEM數據。這(zhè)應該算(suàn)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(le)，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30m分(fēn)辨率全球DEM數據産品Reference3D，AIRBUS作(zuò)為(wèi)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(shí)再詳細介紹。
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全球DEM數據産品之一(yī)，ASTER是傳感器(qì)的名字，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(yuè)(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(gè)國家的整體(tǐ)實力成正比）。ASTER傳感器(qì)采集的是15m分(fēn)辨率的同步光學立體(tǐ)像對，基于上(shàng)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(yuè)(yuè)28日共同發布了(le)ASTER GDEM v1數據産品，并宣布向全球用戶免費開放(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(shí)間(jiān)完成了(le)ASTERGDEM測試版本數據生(shēng)産處理(lǐ)。
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(le)衛星星曆表和ASTER儀器(qì)的傳感器(qì)模型的位置信息，ASTER DEM能(néng)夠充分(fēn)進行地理(lǐ)定位（具有絕對坐标），無需外部控制點。這(zhè)種方法有力提升了(le)大量數據的處理(lǐ)效率，能(néng)夠滿足全球大面積DEM數據生(shēng)産處理(lǐ)的需求。
2011年10月(yuè)(yuè)中旬，NASA和METI共同發布了(le)ASTER GDEM v2版本，在v1的基礎之上(shàng)，新(xīn)增了(le)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(lǐ)精确度。
2019年8月(yuè)(yuè)5日，NASA和METI共同發布了(le)ASTER GDEM v3版本，在v2的基礎之上(shàng)，新(xīn)增了(le)36萬光學立體(tǐ)像對數據，主要用于減少高程值空白區域、水域數值異常。
伴随v3同時(shí)發布了(le)一(yī)個(gè)新(xīn)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(yě)是目前基本能(néng)夠覆蓋全球的唯一(yī)水體(tǐ)數據。
ASTER GDEM三個(gè)版本基本屬性表如(rú)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(yì)大家在應用研究中直接使用v3版本的ASTER GDEM數據産品。
ASTER GDEM對全球用戶免費開放(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(yì)大家直接下(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(yuè)(yuè)6日已經關(guān)閉
如(rú)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(zhè)個(gè)是一(yī)個(gè)FTP服務(wù)器(qì)，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(gè)文件（沒有官方文檔提到的22912，目前不知原因）,共計373GB，如(rú)果大家有需要可以關(guān)注公衆号“空間(jiān)數據研究所”，不超過一(yī)個(gè)省的話(huà)會直接發給大家，主要是網絡壓力有點大。
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(qì)采集的光學立體(tǐ)像對數據，同時(shí)開發了(le)一(yī)個(gè)高速光學立體(tǐ)像對數據處理(lǐ)系統，每天處理(lǐ)2TB數據（2000幅），經過兩年多完成了(le)全球範圍的數據共計300萬個(gè)場(chǎng)景的數據處理(lǐ)和驗證工作(zuò)，于2016年對外發布了(le)AW3D産品，全球第一(yī)個(gè)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(zhè)個(gè)确實牛，值得學習）。
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)衛星雷達攝影測量時(shí)代。
SAR幹涉測量是一(yī)種利用雷達返回信号中的相位信息的技術，通過測量每個(gè)像素的雷達回波之間(jiān)的相位差，然後執行互相關(guān)來(lái)生(shēng)成相位差“圖像”，相位差圖像中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(yě)稱為(wèi)InSAR。
2000年2月(yuè)(yuè)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(shàng)搭載SIR-C/X-SAR雷達成像設備，進行了(le)11天的數據采集任務(wù)，獲取了(le)全球80％的陸地（北緯60度和南(nán)緯56度之間(jiān)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(le)SRTM數據産品，這(zhè)一(yī)項目不僅為(wèi)後續基于SAR幹涉測量方法的全球DEM數據生(shēng)産奠定了(le)至關(guān)重要的基礎，同時(shí)也(yě)産生(shēng)了(le)大名鼎鼎的全球DEM數據SRTM。下(xià)面就(jiù)給大家介紹合成孔徑雷達一(yī)脈的扛把子(zǐ)SRTMGL。
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）用于處理(lǐ)SRTM數據，并制定了(le)宏大的數據産品計劃
為(wèi)了(le)趕在ASTERGDEM産品發布之前對外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(jiù)發布了(le)SRTM v1版本，雖然隻是完成了(le)部分(fēn)産品，但(dàn)仍然站(zhàn)在了(le)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開始接手SRTM數據的處理(lǐ)工作(zuò)，于2006年完成了(le)所有規劃産品的生(shēng)産，正式對外提供全面的SRTM DEM v2版本數據，根據規定，在美國領土(tǔ)範圍内免費提供1 arc-second（30m）分(fēn)辨率的SRTM DEM數據，其他區域可以免費獲取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(yī)領域最前沿，然後開始打壓其他國家在該領域的發展，并同時(shí)保持自己在該領域的絕對領先）。
為(wèi)了(le)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數據産品，這(zhè)次升級工作(zuò)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，随後發大招，融合ASTER GDEM v2、USGS GMTED2010、USGS NED（National Elevation Dataset）數據，于2015年10月(yuè)(yuè)發布了(le)SRTM Plus即v3版本産品，SRTM Plus所有數據向全球用戶免費開放(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(rú)下(xià)
目前空間(jiān)數據研究所已經完成SRTMGL1 v3全球DSM數據下(xià)載和拼接處理(lǐ)，全球範圍共計129GB（如(rú)果大家有需要可以關(guān)注公衆号“空間(jiān)數據研究所”，不超過一(yī)個(gè)省的話(huà)會直接發給大家，主要是網絡壓力有點大），整體(tǐ)效果如(rú)下(xià)
原始數據如(rú)下(xià)
合成孔徑雷達這(zhè)一(yī)脈由SRTM打下(xià)江山，但(dàn)畢竟是上(shàng)世紀的技術和成果了(le)，不僅無法PK ALOS AW3D這(zhè)樣牛哄哄的産品，甚至面對ASTER GDEM v3這(zhè)樣的老樹新(xīn)花都有點有心無力。
首先，德國人(rén)看不下(xià)去了(le)（因為(wèi)德國2000年就(jiù)參與了(le)SRTM項目，在NASA的航天飛機上(shàng)搭載了(le)X頻段的雷達用于獲取高分(fēn)辨率的DEM數據，也(yě)算(suàn)是合成孔徑雷達這(zhè)一(yī)脈的老前輩了(le)），于是由德國航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，簡稱DLR）和EADS Astrium合作(zuò)，于2010年啓動了(le)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(shēng)成全球DEM數據的新(xīn)時(shí)代。
2007年6月(yuè)(yuè)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(lái)更好(hǎo)(hǎo)的全球DEM數據産品。
嚴格來(lái)講，雷達測高不屬于全球DEM數據這(zhè)個(gè)江湖，因為(wèi)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(yě)被用于在陸地區域獲取分(fēn)幅高程數據。目前應用較為(wèi)廣泛的雷達測高平台有ERS（EuroPean Remote Sensing Sateillte）和Envisat（2002年發射升空，2012年失去通信），平台上(shàng)的雷達高度計儀器(qì)收集的數據有力推動了(le)大面積地形應用中雷達測高方案的應用，鑒于其但(dàn)提供的高垂直精度數據，可用于驗證或檢查其他大面積海拔數據集的質量），另外主要用于在格陵蘭島（最近特朗普要從丹麥買的那個(gè)島）和南(nán)極洲生(shēng)成更新(xīn)高質量的DEM。除了(le)陸地地形，雷達高度計數據已成功處理(lǐ)用于繪制海洋水深測量圖，這(zhè)些(xiē)測深數據已與SRTM30的土(tǔ)地數據合并，生(shēng)成覆蓋陸地和海洋的全球高程數據集。
和雷達測高一(yī)樣，激光測高也(yě)不屬于全球DEM這(zhè)個(gè)江湖。激光測高法，通常稱為(wèi)LiDAR，同樣是一(yī)種主動的遙感技術，能(néng)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)北緯86度）。由于激光測高所提供的高垂直精度，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(zhè)一(yī)任務(wù)已成功完成。
ICESat平台獲取的高精度高程數據目前也(yě)用于開發高質量的南(nán)極洲DEM數據。除了(le)極地監測的主要任務(wù)目标外，ICESat平台獲取的高精度高程數據已被證明可用作(zuò)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。
本篇和大家分(fēn)享了(le)三個(gè)全球DEM數據産品：ASTER GDEM、ALOS AW3D30、SRTM Plus，他們整體(tǐ)可以分(fēn)為(wèi)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，首先需要了(le)解兩類全球DEM數據的特性，然後根據應用場(chǎng)景來(lái)确定采用哪一(yī)個(gè)全球DEM數據産品。數據空洞可能(néng)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(zuò)用（從而導緻陰影，縮短或停留）以及水或沙子(zǐ)等光滑表面不能(néng)反射足夠的能(néng)量造成的。根據具體(tǐ)的應用場(chǎng)景區域地貌特征和對DEM數據連續性的要求來(lái)決策是否可以使用SRTM Plus。
對于ASTER GDEM、ALOS AW3D30來(lái)說(shuō)，數據空洞主要出現(xiàn)在無法從獲取的光學立體(tǐ)像對中獲得可靠高程信息的區域，通常最主要是由于長時(shí)間(jiān)雲層覆蓋導緻。
其次，兩類全球DEM數據都屬于DSM，而非DEM，即高程值中包含樹木或建築結構的高度，不是研究區域的裸地面高程，這(zhè)一(yī)點需要特别注意，尤其是在建築物密集的城市(shì)區域或樹木集中的林區，如(rú)果研究應用場(chǎng)景需要裸地面高程，則這(zhè)兩類全球DEM數據均不能(néng)滿足。因此，USGS才下(xià)定決心搞了(le)一(yī)個(gè)GMTED2010，全球多分(fēn)辨率地形高程數據2010模型，上(shàng)篇已做介紹。全球DEM數據介紹（上(shàng)）
注
最後，就(jiù)三個(gè)免費全球DEM數據産品而言，SRTM Plus具有最好(hǎo)(hǎo)的垂直精度，ASTER GDEM具有最大的覆蓋區域，ALOS AW3D30具有最好(hǎo)(hǎo)的數據現(xiàn)時(shí)性。下(xià)面是關(guān)于三個(gè)免費全球DEM數據的屬性對照表
計劃通過三篇文章來(lái)介紹全球DEM數據産品：
上(shàng)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(rú)高程系統、大地水準面、正高、大地高等内容，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(gè)最早發展的全球DEM數據産品家族：ETOPO系列、GTOPO系列。
中篇 主要介紹其餘免費的全球DEM數據産品，免費全球DEM數據産品的獲取方式介紹，并對所有免費全球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。
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