上(shàng)篇介紹了ETOPO和GTOPO30兩個(gè)全球DEM數據産品家族，作為(wèi)最早的全球DEM數據産品，受制于當時的數據獲取手段，均采用已有數據源彙集編制的生(shēng)産方法，在高(gāo)程系統一(yī)緻性、獲取時間一(yī)緻性、分辨率、精度評價、更新等幾個(gè)方面存在或多(duō)或少的問題。随著(zhe)衛星遙感技(jì)術(shù)的發展，獲取全球範圍一(yī)緻質量的高(gāo)分辨率數字高(gāo)程數據成為(wèi)可能(néng)。目前應用最廣泛的免費(fèi)高(gāo)分辨率全球DEM數據均采用衛星遙感技(jì)術(shù)獲取和生(shēng)産，同時，衛星遙感技(jì)術(shù)也成為(wèi)了生(shēng)産全球大區域覆蓋、高(gāo)質量DEM數據的主要數據源獲取技(jì)術(shù)。本篇和大家一(yī)起走進基于衛星遙感技(jì)術(shù)獲取全球DEM數據這個(gè)領域。
四大流派
基于衛星遙感技(jì)術(shù)獲取全球DEM數據的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(kàn)光(guāng)學立體像對這一(yī)脈
SPOT衛星曆史悠久，二戰後被戴高(gāo)樂總統帶上(shàng)巅峰的法國(guó)，僅晚于美國(guó)3年(nián)于1961年(nián)就(jiù)成立了法國(guó)國(guó)家太空研究中心（Centre National d’Etudes Spatiales，簡稱CNES，美國(guó)國(guó)家航空航天局，即NASA，于1958年(nián)由艾森豪威爾總統主導成立），CNES在1986年(nián)發射了SPOT1星，1988年(nián)就(jiù)有研究人員(yuán)基于跨軌道SPOT衛星像對數據成果提取了DEM數據。這應該算(suàn)是最早的基于衛星遙感光(guāng)學立體像對技(jì)術(shù)獲取DEM數據的實踐了，SPOT星座後續相(xiàng)繼有SPOT2、SPOT3、SPOT4、SPOT5、SPOT6以及2014年(nián)發射的SPOT7，SPOT系列衛星的數據産品目前由空中客車國(guó)防航天公司（Airbus Defence and Space）負責經營，對外提供基于SPOT5衛星的30m分辨率全球DEM數據産品Reference3D，AIRBUS作為(wèi)全球最重要的衛星遙感數據産品提供商，還(hái)提供多(duō)種更高(gāo)分辨率的DEM數據産品，具體待下(xià)一(yī)篇介紹商業(yè)DEM數據産品時再詳細介紹。
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(fèi)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(nián)12月(yuè)搭載NASAEOS系統旗艦衛星Terra升空，從(cóng)2000年(nián)開(kāi)始回傳數據，ASTER是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、日本經濟産業(yè)省（METI）、日本航天局（Japan Space Systems，成立于1986年(nián)，日本二戰後最輝煌的年(nián)代，可以看(kàn)出航天領域的發展絕對和一(yī)個(gè)國(guó)家的整體實力成正比）。ASTER傳感器(qì)采集的是15m分辨率的同步光(guāng)學立體像對，基于上(shàng)述光(guāng)學立體像對生(shēng)産全球DEM數據ASTER Global DEM，即ASTER GDEM。
NASA和METI于2009年(nián)6月(yuè)28日共同發布了ASTER GDEM v1數據産品，并宣布向全球用戶免費(fèi)開(kāi)放(fàng)下(xià)載使用。ASTER GDEM v1采用全自(zì)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(tōng)過一(yī)年(nián)的時間完成了ASTERGDEM測試版本數據生(shēng)産處理。
注：
傳統基于衛星光(guāng)學立體像對生(shēng)産DEM數據，必須提供具有高(gāo)精度水(shuǐ)平和垂直坐标的外部大地控制點以獲得絕對（地理參考）DEM；否則所獲得的數據都是相(xiàng)對DEM。由于改進了衛星星曆表和ASTER儀器(qì)的傳感器(qì)模型的位置信息，ASTER DEM能(néng)夠充分進行地理定位（具有絕對坐标），無需外部控制點。這種方法有力提升了大量數據的處理效率，能(néng)夠滿足全球大面積DEM數據生(shēng)産處理的需求。
2011年(nián)10月(yuè)中旬，NASA和METI共同發布了ASTER GDEM v2版本，在v1的基礎之上(shàng)，新增了26萬光(guāng)學立體像對數據，主要用于改善覆蓋範圍、提升數據分辨率、提升水(shuǐ)體掩模處理精确度。
2019年(nián)8月(yuè)5日，NASA和METI共同發布了ASTER GDEM v3版本，在v2的基礎之上(shàng)，新增了36萬光(guāng)學立體像對數據，主要用于減少高(gāo)程值空白(bái)區域、水(shuǐ)域數值異常。
伴随v3同時發布了一(yī)個(gè)新的全球數據産品：ASTER水(shuǐ)體數據集（ASTER Water Body Dataset，簡稱ASTWBD），每一(yī)幅ASTER GDEM數據都有對應的水(shuǐ)體數據，ASTWBE也是目前基本能(néng)夠覆蓋全球的唯一(yī)水(shuǐ)體數據。
ASTER GDEM三個(gè)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(fèi)開(kāi)放(fàng)下(xià)載使用，目前國(guó)内提供的下(xià)載源基本都是v1版本數據，建議大家直接下(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(nián)8月(yuè)6日已經關閉
如果需要下(xià)載數據可以直接訪問LD DAAC直接下(xià)載分幅數據包，這個(gè)是一(yī)個(gè)FTP服務器(qì)，注冊後可以直接分幅下(xià)載，然後自(zì)己進行拼接即可。全球範圍一(yī)共22608個(gè)文件(jiàn)（沒有官方文檔提到(dào)的22912，目前不知原因）,共計373GB，如果大家有需要可以關注公衆号“空間數據研究所”，不超過一(yī)個(gè)省的話會(huì)直接發給大家，主要是網絡壓力有點大。
再看(kàn)數據處理部分，JAXA基于PRISM（The Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping）傳感器(qì)采集的光(guāng)學立體像對數據，同時開(kāi)發了一(yī)個(gè)高(gāo)速光(guāng)學立體像對數據處理系統，每天處理2TB數據（2000幅），經過兩年(nián)多(duō)完成了全球範圍的數據共計300萬個(gè)場景的數據處理和驗證工(gōng)作，于2016年(nián)對外發布了AW3D産品，全球第一(yī)個(gè)5m分辨率的全球DSM産品（部分區域可提供0.5m、1m、2m、2.5m等不同分辨率的DSM數據産品，這個(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(jì)術(shù)，目前廣泛用于獲取數字高(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：雷達攝影測量（Radargrammetry），SAR幹涉測量（SAR Interferometry）。
雷達攝影測量與光(guāng)學光(guāng)學立體像對類似，利用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(nián)代的機(jī)載雷達，20世紀80年(nián)代NASA開(kāi)始提供航天成像雷達（Shuttle Imaging Radar，簡稱SIR）數據，20世紀90年(nián)代初歐洲發射了ERS-1（The First European Remote Sensing Satellite）,開(kāi)啓了衛星雷達攝影測量時代。
SAR幹涉測量是一(yī)種利用雷達返回信号中的相(xiàng)位信息的技(jì)術(shù)，通(tōng)過測量每個(gè)像素的雷達回波之間的相(xiàng)位差，然後執行互相(xiàng)關來生(shēng)成相(xiàng)位差“圖像”，相(xiàng)位差圖像中的輪廓對應于地形高(gāo)度的輪廓，再結合平台位置和姿态信息、控制點将相(xiàng)位差轉換為(wèi)地形高(gāo)度，最終獲取DEM。SAR幹涉測量通(tōng)常被稱為(wèi)IFSAR，也稱為(wèi)InSAR。
2000年(nián)2月(yuè)11日，NASA和NGA合作發起航天飛(fēi)機(jī)雷達地形測量任務（The Shuttle Radar Topography Mission，簡稱SRTM），在NASA航天飛(fēi)機(jī)上(shàng)搭載SIR-C/X-SAR雷達成像設備，進行了11天的數據采集任務，獲取了全球80％的陸地（北(běi)緯60度和南(nán)緯56度之間的所有陸地區域）的幹涉數據，随後通(tōng)過SAR幹涉測量法生(shēng)産了SRTM數據産品，這一(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)産奠定了至關重要的基礎，同時也産生(shēng)了大名鼎鼎的全球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SRTMGL。
基于NASA航天飛(fēi)機(jī)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(kāi)發了SRTM數據處理系統GDPS（SRTM Ground Data Processing System，簡稱GDPS）用于處理SRTM數據，并制定了宏大的數據産品計劃
為(wèi)了趕在ASTERGDEM産品發布之前對外公布基于遙感技(jì)術(shù)的全球高(gāo)分辨率DEM數據産品，NASA JPL 2000年(nián)就(jiù)發布了SRTM v1版本，雖然隻是完成了部分産品，但仍然站(zhàn)在了基于遙感技(jì)術(shù)獲取全球DEM數據技(jì)術(shù)和行業(yè)的最前端。
随後，NGA開(kāi)始接手SRTM數據的處理工(gōng)作，于2006年(nián)完成了所有規劃産品的生(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(guó)領土(tǔ)範圍内免費(fèi)提供1 arc-second（30m）分辨率的SRTM DEM數據，其他區域可以免費(fèi)獲取3 arc-second（90m）和30arc-second（1000m）分辨率的SRTM DEM數據（USA傳統做法，占據某一(yī)領域最前沿，然後開(kāi)始打壓其他國(guó)家在該領域的發展，并同時保持自(zì)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借助最新的項目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(gōng)作又(yòu)回到(dào)JPL手中，JPL接手後先對數據錯(cuò)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(nián)10月(yuè)發布了SRTM Plus即v3版本産品，SRTM Plus所有數據向全球用戶免費(fèi)開(kāi)放(fàng)下(xià)載使用，包括SRTMGL1、SRTMGL3和SRTMGL30三種不同的分辨率的全球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)載和拼接處理，全球範圍共計129GB（如果大家有需要可以關注公衆号“空間數據研究所”，不超過一(yī)個(gè)省的話會(huì)直接發給大家，主要是網絡壓力有點大），整體效果如下(xià)
原始數據如下(xià)
合成孔徑雷達這一(yī)脈由SRTM打下(xià)江山，但畢竟是上(shàng)世紀的技(jì)術(shù)和成果了，不僅無法PK ALOS AW3D這樣牛哄哄的産品，甚至面對ASTER GDEM v3這樣的老樹新花都有點有心無力。
首先，德國(guó)人看(kàn)不下(xià)去了（因為(wèi)德國(guó)2000年(nián)就(jiù)參與了SRTM項目，在NASA的航天飛(fēi)機(jī)上(shàng)搭載了X頻段的雷達用于獲取高(gāo)分辨率的DEM數據，也算(suàn)是合成孔徑雷達這一(yī)脈的老前輩了），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，于2010年(nián)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(kāi)啓SAR幹涉測量生(shēng)成全球DEM數據的新時代。
2007年(nián)6月(yuè)15日TerraSAR-X衛星在俄羅斯發射升空，希望TerraSAR-X能(néng)給我們帶來更好的全球DEM數據産品。
嚴格來講，雷達測高(gāo)不屬于全球DEM數據這個(gè)江湖(hú)，因為(wèi)雷達測高(gāo)最初設計目标主要用于測量海面高(gāo)度和冰蓋地形。目前也被用于在陸地區域獲取分幅高(gāo)程數據。目前應用較為(wèi)廣泛的雷達測高(gāo)平台有ERS（EuroPean Remote Sensing Sateillte）和Envisat（2002年(nián)發射升空，2012年(nián)失去通(tōng)信），平台上(shàng)的雷達高(gāo)度計儀器(qì)收集的數據有力推動了大面積地形應用中雷達測高(gāo)方案的應用，鑒于其但提供的高(gāo)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(cóng)丹麥買的那個(gè)島）和南(nán)極洲生(shēng)成更新高(gāo)質量的DEM。除了陸地地形，雷達高(gāo)度計數據已成功處理用于繪制海洋水(shuǐ)深測量圖，這些測深數據已與SRTM30的土(tǔ)地數據合并，生(shēng)成覆蓋陸地和海洋的全球高(gāo)程數據集。
和雷達測高(gāo)一(yī)樣，激光(guāng)測高(gāo)也不屬于全球DEM這個(gè)江湖(hú)。激光(guāng)測高(gāo)法，通(tōng)常稱為(wèi)LiDAR，同樣是一(yī)種主動的遙感技(jì)術(shù)，能(néng)夠用于獲取厘米級垂直精度的高(gāo)程數據。攜帶地球科學激光(guāng)高(gāo)度計系統（GLAS）的ICESat平台于2003年(nián)發射，并在大部分地區收集了LiDAR數據（約70米分辨率），覆蓋全球陸地表面（南(nán)北(běi)緯86度）。由于激光(guāng)測高(gāo)所提供的高(gāo)垂直精度，GLAS的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(yī)任務已成功完成。
ICESat平台獲取的高(gāo)精度高(gāo)程數據目前也用于開(kāi)發高(gāo)質量的南(nán)極洲DEM數據。除了極地監測的主要任務目标外，ICESat平台獲取的高(gāo)精度高(gāo)程數據已被證明可用作驗證其他全球DEM源數據的參考控制數據，特别是SRTM DEM數據産品。
本篇和大家分享了三個(gè)全球DEM數據産品：ASTER GDEM、ALOS AW3D30、SRTM Plus，他們整體可以分為(wèi)兩類：基于衛星遙感光(guāng)學光(guāng)學立體像對技(jì)術(shù)獲取的全球DEM數據，基于衛星遙感雷達測量技(jì)術(shù)獲取的全球DEM數據。
首先，在具體的研究應用過程中，首先需要了解兩類全球DEM數據的特性，然後根據應用場景來确定采用哪一(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(xiàng)互作用（從(cóng)而導緻陰影，縮短或停留）以及水(shuǐ)或沙子等光(guāng)滑表面不能(néng)反射足夠的能(néng)量造成的。根據具體的應用場景區域地貌特征和對DEM數據連續性的要求來決策是否可以使用SRTM Plus。
對于ASTER GDEM、ALOS AW3D30來說，數據空洞主要出現在無法從(cóng)獲取的光(guāng)學立體像對中獲得可靠高(gāo)程信息的區域，通(tōng)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(gāo)程值中包含樹木(mù)或建築結構的高(gāo)度，不是研究區域的裸地面高(gāo)程，這一(yī)點需要特别注意，尤其是在建築物(wù)密集的城(chéng)市(shì)區域或樹木(mù)集中的林區，如果研究應用場景需要裸地面高(gāo)程，則這兩類全球DEM數據均不能(néng)滿足。因此，USGS才下(xià)定決心搞了一(yī)個(gè)GMTED2010，全球多(duō)分辨率地形高(gāo)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(fèi)全球DEM數據産品而言，SRTM Plus具有最好的垂直精度，ASTER GDEM具有最大的覆蓋區域，ALOS AW3D30具有最好的數據現時性。下(xià)面是關于三個(gè)免費(fèi)全球DEM數據的屬性對照(zhào)表
計劃通(tōng)過三篇文章來介紹全球DEM數據産品：
上(shàng)篇 主要介紹DEM的基本概念，高(gāo)程值測量系統與主要組件(jiàn)概念，如高(gāo)程系統、大地水(shuǐ)準面、正高(gāo)、大地高(gāo)等内容，高(gāo)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(fèi)的全球DEM數據産品，免費(fèi)全球DEM數據産品的獲取方式介紹，并對所有免費(fèi)全球DEM數據産品做整體對比分析。
下(xià)篇 主要介紹目前商業(yè)公司提供的全球DEM數據産品，并對所有商業(yè)全球DEM數據産品做整體對比分析。
本文轉載自(zì)：
