人站(zhàn)的高(gāo)度不同，看(kàn)問題的角度便不同，思考問題的方式也不同，看(kàn)到(dào)的風景和最終達到(dào)的人生(shēng)高(gāo)度更是不同。當下(xià)的高(gāo)度到(dào)底有多(duō)高(gāo)？應該怎樣認知自(zì)我站(zhàn)位的高(gāo)度？空間數據研究所帶您一(yī)起認知一(yī)類稱為(wèi)高(gāo)程的數據，山川大地、江河湖(hú)海，地球的每一(yī)寸角落都有其高(gāo)度，讓我們站(zhàn)在這顆星球的高(gāo)度找到(dào)适合自(zì)己的高(gāo)度。
如何定義高(gāo)度？
DEM的概念
數字高(gāo)程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM），利用有序、有限的位置高(gāo)程數值矩陣實現對星球表面高(gāo)程狀态的數字化模拟，是建立數字地形模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM）的基礎。
如何測量高(gāo)度？
高(gāo)程測量的概念
大地水(shuǐ)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論上(shàng)的大地水(shuǐ)準面模型，一(yī)般基于莫洛金斯理論，通(tōng)過長(cháng)期觀測、地球重力場分布測量建立似大地水(shuǐ)準面，地面點沿鉛垂線到(dào)似大地水(shuǐ)準面的距離稱為(wèi)正常高(gāo)。
基于似大地水(shuǐ)準面定義的高(gāo)程系統稱為(wèi)正常高(gāo)系統，我國(guó)目前采用的法定高(gāo)程系統屬于正常高(gāo)系統，美國(guó)采用的是NAVD88正高(gāo)高(gāo)程系統，但軍方和民(mín)用領域推廣的多(duō)為(wèi)基于WGS84坐标系統采用GPS測量的大地高(gāo)（大地高(gāo)指地面點沿通(tōng)過該點的參考橢球面法線到(dào)參考橢球面的距離，是一(yī)個(gè)幾何量）
似大地水(shuǐ)準面的建立涉及到(dào)平均海平面（MSL）觀測确定、水(shuǐ)準原點設置、參考橢球模型選擇、地球重力分布模型建立、高(gāo)精度高(gāo)程控制網建立等多(duō)個(gè)部分，最重要且難度較大的是地球重力分布模型建立。
目前使用較多(duō)的地球重力分布模型EGM2008（Earth Gravitational Model EGM2008）由美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，簡稱NGA)于2008年(nián)發布，EGM2008的網格分辨率達到(dào)5 Arc-Minutes，約為(wèi)9Km。
我國(guó)也建立了多(duō)個(gè)自(zì)主的地球重力分布模型，如WDM89、WDM94等，其中WDM94的網格分辨率達到(dào) 30 Arc-Minutes,約為(wèi)55Km。
地球重力分布模型不僅會(huì)影響大地水(shuǐ)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系到(dào)衛星大地測量的定位精度。下(xià)圖為(wèi)EGM2008模型大地水(shuǐ)準面可視化效果（-106.909/85.824米）
大地水(shuǐ)準面模型
高(gāo)分辨率、高(gāo)精度的大地水(shuǐ)準面模型是開(kāi)展衛星大地測量的基礎，通(tōng)過GPS系統獲取地面點大地高(gāo)（指地面點沿通(tōng)過該點的參考橢球面法線到(dào)參考橢球面的距離，是一(yī)個(gè)幾何量），結合該點大地水(shuǐ)準面高(gāo)程信息，即可計算(suàn)得出該點的正常高(gāo)程值。
CQG2000（Chinese Quasi-Geoid 2000，簡稱CQG2000），我國(guó)最新一(yī)代似大地水(shuǐ)準面成果，覆蓋我國(guó)大陸及其海岸線以外400公裡(lǐ)的區域和南(nán)海諸島及其周圍海域。分辨率較高(gāo)，精度達到(dào)分米級。通(tōng)過全球DEM數據和CQG2000進行計算(suàn)即可獲取國(guó)内指定位置的高(gāo)程值。
DTM是描述包括高(gāo)程在内的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等因子在内的線性和非線性組合的空間分布模型，其中DEM是單項數字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎上(shàng)計算(suàn)生(shēng)成。
如何評價高(gāo)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，如果武器(qì)命中此圓的機(jī)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(gāo)程精度。例如，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(cháng)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）分别作為(wèi)平面精度和高(gāo)程精度的衡量指标，國(guó)内外衛星在發布定位精度時，一(yī)般使用CE90作為(wèi)精度指标。
導航和測繪領域也會(huì)使用相(xiàng)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，幫助使用者了解其水(shuǐ)平和高(gāo)程精度。
了解地球的高(gāo)度
随著(zhe)地球系統科學（Earth System Science）的出現以及越來越多(duō)的研究領域開(kāi)始關注全球變化，全球DEM數據需求在20世紀80年(nián)代顯著增加，1988年(nián)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration ，簡稱NASA）組建地形科學工(gōng)作組，系統性梳理了高(gāo)程數據的科學應用領域，并提出了制作全球DEM數據集的建議。
随著(zhe)NASA地球觀測系統（EOS）的建設并逐步投入使用，進一(yī)步增加了對全球DEM數據的需求，有力推動了全球DEM數據獲取、處理、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(nián)NASA提出的美國(guó)全球變化研究計劃（U.S. Global Change Research Plan，簡稱USGCRP），于1991年(nián)開(kāi)始建立并投入使用，它是由多(duō)顆衛星組成和為(wèi)實行多(duō)學科（大氣、海洋、陸面、生(shēng)物(wù)、化學等）綜合研究，加深對地球系統變化的理解，回答理解全球氣候變化的問題，地球氣候系統是如何變化的，各種地球現象是如何發生(shēng)的，又(yòu)是如何變化的，自(zì)然和人類對全球環境變化的作用，建立人類對地球系統發生(shēng)的各種現象的長(cháng)期監視，改進對全球尺度上(shàng)地球系統各分量及它們間相(xiàng)互作用的理解目的而建立的全球衛星觀測體系。整個(gè)系統包含三個(gè)部分：
2、EOS數據信息系統（Earth Observing System Data and Information System，簡稱EOSDIS）人類所能(néng)構想的最雄心勃勃的數據項目之一(yī)，于1999年(nián)正式上(shàng)線，自(zì) 上(shàng)線以來，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 的新數據并向全球各地的研究人員(yuán)分發 2 TB 的現有信息，支撐全球用戶訪問 2000 多(duō)萬個(gè)文件(jiàn)（包含超過 1 PB 的信息），EOSDIS為(wèi)整個(gè)EOS系統提供了整體框架The Framework，是EOS系統的基石。
3、EOS觀測系統（軌道載體平台、儀器(qì)）
全球DEM數據發展概述
全球DEM數據從(cóng)1988開(kāi)始，經過30餘年(nián)的發展，在生(shēng)産方法、數據處理技(jì)術(shù)、分辨率、精度、應用領域與市(shì)場等多(duō)個(gè)方面都有了長(cháng)足發展。
生(shēng)産方法：生(shēng)産方法從(cóng)最初的數據編制到(dào)目前的基于遙感技(jì)術(shù)全球DEM數據快速獲取；
處理技(jì)術(shù)：數據處理技(jì)術(shù)從(cóng)最初的手動鑲嵌、分區域重采樣、人工(gōng)整合到(dào)目前的全球無控制點自(zì)動化處理；
分辨率：分辨率從(cóng)最初的5弧分經緯度網格到(dào)目前的5m分辨率；精度從(cóng)最初的無明确精度指标到(dào)目前的優于5m LE90；
應用領域：随著(zhe)全球DEM數據各種指标的提升，應用區域從(cóng)最初的全球大面積變化研究逐步拓展到(dào)城(chéng)市(shì)甚至局部小(xiǎo)面積區域高(gāo)程相(xiàng)關應用研究，應用行業(yè)也從(cóng)傳統的測繪、國(guó)土(tǔ)資源管理、氣候與大氣治理、環境保護拓展到(dào)通(tōng)信網絡規劃設計、智能(néng)交通(tōng)系統設計、礦産資源、建築與土(tǔ)木(mù)工(gōng)程設計、減災防災、國(guó)防與國(guó)家安全等領域。人類對全球DEM數據的需求将随著(zhe)信息空間的拓展逐步增強。
市(shì)場：全球DEM數據産品從(cóng)最初完全由政府組織生(shēng)産、共享、使用，随著(zhe)應用領域與規模的發展，先後有多(duō)家公司加入，如AIRBUSDEFENCE AND SPACE、Digital Globe、NTT DATA and Remote Sensing Technology Center of Japan等，逐步形成了一(yī)個(gè)全球DEM數據産品市(shì)場，為(wèi)企業(yè)獲取全球DEM數據提供了非政府渠道。
ETOPO5是第一(yī)個(gè)廣泛使用的全球高(gāo)程模型，由美國(guó)地球物(wù)理中心（U.S. National Geophysical Data Center，簡稱NGDC）于1988年(nián)發布。ETOPO5提供5弧分經緯度網格的陸地和海洋高(gāo)程，在美國(guó)、歐洲、日本、澳大利亞和海洋區域提供5弧分經緯度網格分辨率，亞洲、南(nán)美、加拿大北(běi)部和非洲等數據不足的地區提供相(xiàng)當于1經緯度網格分辨率（5弧分經緯度在赤道約為(wèi)10 Km間距，赤道周長(cháng)40075 Km，360*60 = 21600弧分,5弧分 = 40075/21600*5=9.27 Km）。
NGDC于2001年(nián)、2006年(nián)陸續發布了ETOPO2的兩個(gè)版本，提供5弧分經緯度網格的陸地和海洋高(gāo)程；2008年(nián)8月(yuè)NGDC發布了ETOPO1版本，提供全球範圍1弧分經緯度網格分辨率的陸渡和海洋高(gāo)程，分為(wèi)Ice Surface和Bedrock兩個(gè)版本，兩個(gè)版本差别在于處理南(nán)極洲和Greenland區域數據時，Ice Surface給出的是加上(shàng)冰蓋層之後的高(gāo)程，Bedrock給出的是岩床的高(gāo)程。ETOPO1是目前可以免費(fèi)使用的唯一(yī)提供海洋高(gāo)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(gāo)高(gāo)程，由于ETOPO系列全球DEM數據采用對已有制圖數據重新編制的生(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(xiàng)關數據源的精度。
為(wèi)了滿足EOS和其他全球變化研究項目的需求，20世紀90年(nián)代末（1996年(nián)完成），美國(guó)地質調查局（United States Geological Survey，簡稱USGS）開(kāi)發了全球1Km DEM産品GTOPO30，相(xiàng)當于30弧秒(miǎo)經緯度網格分辨率。GTOPO30同樣采用對已有制圖數據重新編制的生(shēng)産方法，共8個(gè)數據源，由8個(gè)機(jī)構參與數據提供、技(jì)術(shù)及資金支持，經過三年(nián)的合作最終完成。
美國(guó)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(jī)構：
美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）
聯合國(guó)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(guó)國(guó)際開(kāi)發署（U.S. Agency for International Development，簡稱USAID）
墨西(xī)哥國(guó)家地理調查研究所（INEGI）
日本地理調查研究所（Geographical Survey Institute of Japan，簡稱GSI）
新西(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(huì)（Scientific Committee on Antarctic Research，簡稱SCAR）
GTOPO30數據80％區域是基于美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，簡稱NGA)提供的數字地形高(gāo)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)經緯度網格分辨率重采樣到(dào)30弧秒(miǎo)經緯度網格分辨率。利用網格插值将DCW中的源地形圖（輪廓和點高(gāo)度）和水(shuǐ)文特征數據融合到(dào)GTOPO30數據中。
GTOPO30自(zì)發布以來已經成為(wèi)許多(duō)大面積應用的首選全球DEM，它也是其他全球DEM數據産品的主要數據源，如全球一(yī)公裡(lǐ)基礎高(gāo)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(gāo)程，不提供海洋高(gāo)程。GTOPO30提供的高(gāo)程是基于MSL的正常高(gāo)高(gāo)程。
和ETOPO系列相(xiàng)同，GTOPO30全球DEM數據采用對已有制圖數據重新編制的生(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)經緯度網格分辨率時LE90為(wèi)30米，DCW在融合到(dào)GTOPO30後，在30弧秒(miǎo)經緯度網格分辨率時可信的LE90為(wèi)160米。
為(wèi)了便于數據分發，GTOPO30将全球數據分為(wèi)33幅，用戶可以根據研究區域分幅獲取。
随著(zhe)全球各領域研究對高(gāo)分辨率DEM數據的需求不斷增強，同時新的高(gāo)程數據獲取技(jì)術(shù)不斷湧現，USGS和NGA合作，十年(nián)磨一(yī)劍，于2010年(nián)共同推出了全球多(duō)分辨率地形高(gāo)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)三種分辨率DEM數據。（在格陵蘭島和南(nán)極洲隻提供30弧秒(miǎo)分辨率DEM數據，其他陸地區域均提供相(xiàng)當于1Km、500m、250m分辨率的DEM數據），下(xià)圖是GMTED2010全球30弧秒(miǎo)分辨率平均高(gāo)程數據（-430/8625米）。
GMTED2010在GTOPO30的基礎上(shàng)引入了新的高(gāo)程數據源，多(duō)達11種栅格高(gāo)程數據源，最主要的數據源NGA SRTM DTED2數據，約占69.92%，1弧秒(miǎo)分辨率，WGS84坐标系統，基于EGM96模型的正常高(gāo)高(gāo)程；NGA DTED1數據，約占8.7%，3弧秒(miǎo)分辨率，基于MSL的正常高(gāo)高(gāo)程；GMTED2010的數據源及其占比如下(xià)表
MTED2010數據源的水(shuǐ)平分辨率及參考坐标系統如下(xià)表
MTED2010數據源的垂直分辨率及高(gāo)程基準面如下(xià)表
GMTED2010的數據源具有多(duō)分辨率、多(duō)基準面、多(duō)坐标系的特征，NASA和NGA在制作GMTED2010産品時，除了采用多(duō)分辨率外，還(hái)建立了包括最小(xiǎo)高(gāo)程、最大高(gāo)程、平均高(gāo)程、中間高(gāo)程、高(gāo)程标準偏差、系統統計采樣、增強特征曲線的七種高(gāo)程産品。
為(wèi)了便于使用者使用，GMTED2010産品中還(hái)包含一(yī)份SHP格式的元數據，通(tōng)過該元數據可以快速獲取指定區域GMTED2010産品的概覽信息，元數據屬性表如下(xià)
通(tōng)過元數據可以根據區域快速認知GMTED2010數據
本文章轉載自(zì)微信公衆号：
