学术交流 | 全球数字高程产品概述

一、引言

20世纪80年代开始，随着地球系统科学的发展以及全球热点问题的研究，全球数字高程产品需求显著增加，1988年首个全球数字高程产品ETOPO5发布，ETOPO5采用多个国家的数据源融合生成，多数地表高程采用传统的水准或三角测量的方式获取，数据源、精度和质量均不统一。1999年，ASTERGDEM任务启动，开启了星载全球数字高程产品生产的序幕。2000年，SRTM任务的启动，则代表了星载InSAR技术全球测图能力的开端。现阶段应用最为广泛的两项技术即光学立体摄影测量及InSAR技术，其对应的ASTER GDEM、AW3D及SRTM、TanDEM-XDEM也是众多全球数字高程产品中的翘楚。

以下主要对目前最常用的几种全球数字高程产品进行详细介绍，这些产品包括ETOPO、GTOPO30、SRTM、GMTED2010、ASTERGDEM、AW3D30及TanDEM-XDEM。为了便于阅读，此处给出本文中用到的各缩写的对照表（表1）。

表1 本文所用缩写词的中英对照表

缩写

英文全称

中文全称

ADD

Antarctica Digital Database

南极洲数字数据库

AHD

Australian Height Datum

澳大利亚高程基准

ALOS

Advanced Land Observation Satellite

先进的陆地观测卫星

ANUDEM

Australian National University digital elevation model

澳大利亚国立大学数字高程模型

ASTER

The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflec⁃tion Radiometer

先进的星载热发射和反射辐射计

ASTER GDEM

ASTER Global DEM

基于先进的星载热发射和反射辐射计的全球数字高程模型

ASTWBD

ASTER Water Body Dataset

基于先进的星载热发射和反射辐射计的水体数据库

AVNIR

Advanced Visible and Near Infrared Radiometer Type

新型可见光和近红外辐射计

AW3D

ALOS World 3D

基于先进的陆地观测卫星获取的三维世界产品

CE90

Circular Error at 90% Proba⁃bility

90%圆概率误差

CE95

Circular Error at 95% Proba⁃bility

95%圆概率误差

CEP1

Circular Error Probability

圆概率误差

CEP2

Caspian Environment Pro⁃gramme

里海环境规划署

CGIAR-CSI

Consultative Group on Interna⁃tional Agricultural Research， Consortium for Spatial Infor⁃mation

空间信息联盟国际农业研究咨询小组

CIESM

Mediterranean Science Com⁃mission

地中海科学委员会

CVGD28

Canadian Vertical Geodetic Datum 1928

1928 加拿大垂直大地基准

DCW

Digital Chart of the World

世界数字图表

DEM

Digital Elevation Model

数字高程模型

DLR

Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt

德国航空航天中心

JAXA

Japan Aerospace Exploration Agency

日本宇宙航空研究开发机构

DSF

Delta Surface Fill

Delta表面填充

DSM

Digital Surface Model

地球表面模型

DTED

Digital Terrain Elevation Data

数字地形高程数据

DTM

Digital Terrain Models

数字地形模型

EDC

Earth Resources Observation System Data Center

地球资源观测系统数据中心

EGM96

Earth Gravitational Model 1996

1996地球引力模型

EISMINT/SCAR

European Ice Sheet Modeling Initiative/Scientific Committee on Antarctic Research

欧洲冰盖建模倡议/南极研究科学委员会

EOS

Earth Observing System

地球观测系统

ERS

European Remote-Sensing Satellite

欧洲遥感卫星

GDA94

Geocentric Datum of Australia 1994

1994澳大利亚地心基准

GLOBE

Global Land One-kilometer Base Elevation

全球陆地一千米基准高程

GMTED2010

Global Multi-resolution Ter⁃rain Elevation Data 2010

全球多分辨率地势高程数据2010

GRS80

Geodetic Reference System 1980

1980 大地参考系统

GSHHS

Global Self-consistent，Hier⁃archical，High-resolution Shoreline

全球自洽、分层、高分辨率海岸线

IBCAO

International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean

北冰洋国际水深图

ICESat

Ice，Cloud and land Elevation Satellite

冰、云和陆地高程卫星

InSAR

Interferometric SAR

合成孔径雷达干涉

NIMA

National Imagery and Mapping Agency

美国国家成像与测绘局

JODC

Japan Oceanographic Data Center

日本海洋学数据中心

JPL

Jet Propulsion Laboratory

（NASA）喷气推进实验室

LE90

Linear Error at 90% Probability

90%线概率误差

LE95

Linear Error at 95% Probability

95%线概率误差

LEP

Linear Error Probability

线概率误差

LIBSR

Leibniz Institute for Baltic Sea Research

莱布尼茨波罗的海研究所

LPDAAC

Land Processes Distributed Active Archive Center

土地进程分布式活动档案中心

MEaSUREs

Making Earth System Data Re⁃cords for Use in Research En⁃vironments

制作用于研究环境的地球系统数据记录

METI

Ministry of Economy，Trade and Industry

经济产业省

MSL

Mean Sea Level

平均海平面

NAD83

North American Datum of 1983

1983北美基准

NASA

U.S. National Aeronautics and Space Administration

美国国家航空航天局

NAVD88

North American Vertical Datum of 1988

1988北美垂直基准

NED

National Elevation Dataset

国家高程数据库

NGA

National Geospatial-Intelli⁃gence Agency

美国国家地理空间情报局

NGDC

National Geophysical Data Center

美国地球物理数据中心

NGVD29

National Geodetic Vertical Datum of 1929

1929国家大地垂直基准

NMA

National Mapping Agencies

美国国家制图机构

NSIDC

National Snow and Ice Data Center

美国国家冰雪数据中心

ONC

Operational Navigation Chart

业务化航图

PALSAR

Phased Array Type L-band SAR

L 波段相控阵合成孔径雷达

PRISM

Panchromatic Remote Sensing Instruments for Stereo Mapping

全色立体测图传感器

RAMP

Radarsat Antarctic Mapping Project

雷达卫星南极测绘项目

RESTEC

Remote Sensing Technology Centre of Japan

日本遥感技术中心

RMSE

Root Mean Square Error

均方根误差

SAR

Synthetic Aperture Radar

合成孔径雷达

SIO

Scripps Institute of Oceanogra⁃phy

斯克里普斯海洋研究所

SIR-C/X-SAR

Spaceborne Imaging Radar-C/X-band Synthetic Aperture Radar

C 波段星载成像雷达/X波段合成孔径雷达

SLA

Shuttle Laser Altimeter

航天飞机激光测高仪

SRTM

Shuttle Radar Topography Mis⁃sion

航天飞机雷达地形测绘任务

TanDEM-X

TerraSAR-X add-on for Digi⁃tal Elevation Measurements

用于数字高程测量的TerraSAR-X星座

USGS

United States Geological Sur⁃vey

美国地质调查局

WGS84

World Geodetic System 1984

1984世界大地测量系统

二、数字高程产品

1

数字高程产品

地形是指地球表面的高低起伏形态，高程是描述地表起伏形态最基本的几何量，而数字高程数据则是对地形高程信息的数字化表达，在气候、气象、地形地貌、地质灾害、土壤和水文等各方面拥有着广泛的应用。最常用的涵盖数字高程信息的产品模型为DEM、DTM及DSM。

DEM是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，是一组有序数值阵列形式表示地面高程的实体地面模型，其反映的是不包含自然及人工地物在内的“裸地”高程信息。DTM是描述各种地貌特性及自然地理要素、与地面相关的社会经济和人文要素等非地貌特性的数字模型，其地貌特性包含高程及坡度、坡向、坡度变化率等各种地貌因子。DEM是DTM的一个子集，在仅指地形高程数据时两者等价，均表示“裸地”高程信息。而DSM则是包含森林、桥梁、建筑物等自然及人工地物高度的地面高程模型，在DEM的基础上进一步添加了地表地物的高程信息。

2

数字高程产品精度衡量指标

不同的精度指标源自不同的概率统计方法，其应用学科领域也不尽相同。在测绘领域最常用的精度衡量指标为CEP1、LEP及RMSE。CEP1主要用于军事领域，其在弹道学上的定义是以目标点为圆心划一个圆，如果武器命中此圆的概率为50%，则此圆的半径就是圆概率误差。LEP与CEP1定义类似，统计区域是以LEP数值为长度划得线段。测绘领域常用CE90和LE90分别作为平面精度和高程精度的衡量指标，而CE90和LE90的定义是由CEP1和LEP衍生而来。

国内外卫星在发布定位及高程精度时，一般使用CE90和LE90作为精度指标，然而有些研究学者在通过某些参考基准对数据进行质量评价时，通常采用RMSE作为精度指标。为方便进行精度比较，需要对其进行严格的换算，下面将其涉及到的几个常用的精度指标的换算关系制成表2，表3。

表2 平面精度指标对应关系

表3 高程精度指标对应关系

三、全球数字高程产品

1

ETOPO

ETOPO是全球数字高程产品的鼻祖。1988年，美国NGDC将美国、西欧、日本、韩国、澳大利亚和新西兰等多个国家和机构提供的高程及水深数据库汇集并重新编制，发布了最高5′经纬度网格的全球陆地和海洋高程产品ETOPO5，这是第一个被广泛使用的全球高程模型。实际上，ETOPO5在海洋、美国、欧洲、日本及澳大利亚区域提供了真实5′经纬度网格分辨率的数据，而在亚洲、南美洲、加拿大北部和非洲等数据匮乏的地区仅提供了1°经纬度网格分辨率的数据。由于ETOPO5数据产品是通过对已有的数据重新编制而成，因此并没有明确的数据精度。通常情况下，在美国、西欧、日本、韩国、澳大利亚和新西兰地区数据精度最高，其具体精度取决于各数据源。

随后，NGDC于2001年、2006年陆续发布了ETOPO2的两个版本，提供2′经纬度网格的全球陆地和海洋高程，其数据源包括Smith/Sandwell数据库、GLOBE、IBCAO、Caspian Sea Bathymetry、Coastal Relief Model和Great Lakes Gridded Bathymetry。

2008-08NGDC又发布了ETOPO1版本，提供全球范围1′经纬度网格分辨率的陆地和海洋高程，旨在提高ETOPO2v2的分辨率和精度。ETOPO1分为Ice Surface和Bedrock两个版本，两个版本差别在于处理南极洲和Greenland区域数据时，Ice Surface描述的是冰盖层表面的高程，而Bedrock描述的是基岩的高程。相比较以往版本，ETOPO1融合了更多更优的数据集（数据源如表4所示），将其统一至同一水平及垂直基准下，并利用ArcGIS、FME、MB-System和GMT软件对数据和DEM进行质量检验、处理和网格划分，获取最终全球1′的地形模型。

ETOPO是全球数字高程产品的鼻祖。1988年，美国NGDC将美国、西欧、日本、韩国、澳大利亚和新西兰等多个国家和机构提供的高程及水深数据库汇集并重新编制，发布了最高5′经纬度网格的全球陆地和海洋高程产品ETOPO5，这是第一个被广泛使用的全球高程模型。实际上，ETOPO5在海洋、美国、欧洲、日本及澳大利亚区域提供了真实5′经纬度网格分辨率的数据，而在亚洲、南美洲、加拿大北部和非洲等数据匮乏的地区仅提供了1°经纬度网格分辨率的数据。由于ETOPO5数据产品是通过对已有的数据重新编制而成，因此并没有明确的数据精度。通常情况下，在美国、西欧、日本、韩国、澳大利亚和新西兰地区数据精度最高，其具体精度取决于各数据源。

随后，NGDC于2001年、2006年陆续发布了ETOPO2的两个版本，提供2′经纬度网格的全球陆地和海洋高程，其数据源包括Smith/Sandwell数据库、GLOBE、IBCAO、Caspian Sea Bathymetry、Coastal Relief Model和Great Lakes Gridded Bathymetry。

2008-08NGDC又发布了ETOPO1版本，提供全球范围1′经纬度网格分辨率的陆地和海洋高程，旨在提高ETOPO2v2的分辨率和精度。ETOPO1分为Ice Surface和Bedrock两个版本，两个版本差别在于处理南极洲和Greenland区域数据时，Ice Surface描述的是冰盖层表面的高程，而Bedrock描述的是基岩的高程。相比较以往版本，ETOPO1融合了更多更优的数据集（数据源如表4所示），将其统一至同一水平及垂直基准下，并利用ArcGIS、FME、MB-System和GMT软件对数据和DEM进行质量检验、处理和网格划分，获取最终全球1′的地形模型。

表4 ETOPO1数据源

因部分数据源包含地表地物的高程信息，ETOPO1高程数据产品被统一认定为DSM数据产品，且其均采用对已有制图数据重新编制的生产方法生成，统一将其编制至WGS84水平基准和MSL垂直基准下。由于数据的多源性，其并未给出明确的精度指标，全球不同区域的精度依赖于取用的相关数据源的精度。但值得说明的是，ETOPO1提供了完整的全球地形和水深覆盖，是目前可以免费使用的唯一提供海洋高程的全球数字高程产品。

2

GTOPO30

为了满足NASAEOS项目和其他全球变化研究项目的需求，USGSEDC开发了30″经纬度网格分辨率的全球DEM产品GTOPO30。GTOPO30同样采用对已有制图数据重新编制的生产方式，其中每个数据源都需要特定的处理方法和质量保证程序，历经3年，于1996年完成并正式发布。但其仅提供了陆地区域的地表高程，不提供海洋高程。

GTOPO30全球DEM数据源于8个不同的数据库，近80%的陆地区域是基于美国NIMA机构提供的DTED和DCW数据集编制而成，其中DTED数据覆盖率高达65%，其余未被DTED和DCW覆盖的陆地区域则主要源于小比例尺数字制图数据库和中等分辨率的国家DEM数据库。

DTED是水平网格间距为3″的光栅地形数据库，其作为主要数据源聚合到30″的经纬度网格上；DCW是基于1∶100万比例尺ONC系列（ONC是全球覆盖范围最大的比例尺基础地图源的矢量地图数据库，通过ANUDEM程序插值获取格网高程值；剩余未被覆盖的区域则通过小比例尺数字制图数据库和中等分辨率的国家DEM数据库进行补充。数据融合过程中采用加权平均法，每个数据源的权重根据单元格与重叠区域边缘的接近程度确定，以便将不同数据源的高程差异降到最小，并最终将其统一至WGS84水平基准和MSL垂直基准下。

同ETOPO系列数据产品相似，GTOPO30同样采用对已有制图数据重新编制的生产方法，因此并没有给出统一的精度指标。虽然如此，但在使用时可以根据研究区域参考两个主要数据源的精度指标：DTED数据源高程RMSE约为18m，对应LE90为30m，DCW数据源高程RMSE约为93m，对应LE90为160m。Gesch（1998）采用覆盖29°S—29°N区域的365000个SLA点高程数据对GTOPO30进行质量评价，对应研究区的整体高程RMSE约为70m。

3

SRTM

生产一套具有统一数据源、统一质量及统一精度的全球数字高程产品，需要使用全球一致的制图技术，若采用传统的测量方法是非常困难且昂贵的。随着SAR技术的问世，发展了两种基于SAR数据的高程反演方法：SAR立体测量和SAR干涉测量。SRTM任务则很好的诠释了InSAR技术在全球测图中的高效性和经济性。由于SAR信号在桥梁、建筑物等地物表面便会产生回波，其获取的高程数据通常包含地表地物的高程信息，因此SRTM属于DSM数据产品。

SRTM是由NASA、NIMA和DLR共同合作的国际项目，于2000-02-11正式启动，历时11d。其雷达系统采用了1994年航天飞机上成功使用过的SIR-C/X-SAR系统，并配备了两个雷达天线以实现单轨干涉测量，一个位于航天飞机的有效载荷舱内，另一个位于从舱内延伸60m桅杆的末端。SRTM包含C波段和X波段，由于X波段的幅宽较窄，全球覆盖有限，因此最终产品以C波段数据为主，其成像模式为ScanSAR，幅宽为225km，产品覆盖范围为56°S—60°N，约占全球陆地面积的80%，包括1″、3″及30″等不同的经纬度网格分辨率产品。

2003年，NASA JPL发布了第一版SRTM，SRTMv1是由InSAR技术处理后的原始结果组成，这些数据都是未经编辑的，在数据质量方面存在一定的问题，如垂直误差、水域噪声、单像素误差及数据空洞等，这在水域及高海拔地区尤为明显，尽管如此，其仍然站在了基于遥感技术获取全球数字高程数据技术和行业的最前端。2006年，由NMA进行大量编辑工作后发布了SRTMv2版本，又被称为最终版，解决了部分v1版本中存在的问题，整体展现出了良好的水体边界及海岸线，但在部分区域仍存在空洞现象。SRTMv2全分辨率数据产品在美国领土范围内免费提供，但在其他区域仅提供3″及30″分辨率的数据产品。2013-11，LPDAAC借助MEaSUREs项目发布了SRTMv3，即SRTMPlus产品，通过融合ASTERGDEMv2、USGSGMTED2010及USGSNED数据填补了所有空洞，2015-08，NASA开放了SRTMv31″分辨率全球数字高程产品的免费下载通道。此外，CGIAR-CSI采用不同的插值算法和辅助DEM填补空洞数据，在3″分辨率数据产品的基础上发布了SRTMv4.1版本。

SRTM数据产品以WGS84坐标系为水平参考、以EGM96大地水准面为垂直参考，其精度设计指标为：绝对高程精度为LE90优于16m，相对高程精度LE90优于10m；绝对定位精度CE90优于20m，相对定位精度CE90优于15m。然而，实际研究表明，SRTM数据产品绝对高程精度LE90优于9m，是迄今为止在覆盖范围、高程精度、公开程度等各方面综合评价最好的全球数字高程数据。

4

GMTED2010

随着全球各领域研究对高分辨率数字高程数据的需求不断增强，同时新的高程数据获取技术不断涌现，2010年USGS和NGA合作，通过融合11种栅格数据源开发了覆盖90°S—84°N范围的GMTED2010，因采用的数据源包含DSM数据，GMTED2010也被统一认定为DSM数据产品。GMTED2010共包含7.5″、15″及30″共3种经纬度格网分辨率的全球数字高程产品，因数据源限制，在格陵兰岛和南极洲GMTED2010仅提供了30″分辨率的高程数据，其水平基准面参考WGS84坐标系、垂直基准面参考EGM96大地水准面。

GMTED2010是采用具有多坐标系、多基准面和多分辨率特征的11种栅格高程数据源汇编而成，其中NGA提供的1″分辨率的SRTMDTED2为主要数据源，约占陆地面积的69.92%，其数据源的详细信息如下表5所示。

表5 GMTED2010数据源

南极洲及格陵兰岛的高程数据主要通过ERS-1、ICESat激光测高和Geosat雷达测高数据获取。DTED1主要被用作欧亚大陆60°N以北地区数据源，且与NED、SPOT5Reference3D、GEODATA9Version2及GTOPO30共同作为SRTMDTED2的空洞填补数据源（表5），其中GTOPO30数据最后考虑。CDED主要被用作加拿大60°N以北地区的数据源。NED-Alaska主要被用作阿拉斯加60°N以北地区的数据源。

相比较GTOPO30，GMTED2010在每种分辨率下还提供了7种栅格高程产品：最小高程、最大高程、平均高程、中间高程、高程标准偏差、系统统计采样、增强特征曲线。此外，GMTED2010还生成了包含属性字段的详细空间引用元数据，如坐标、投影信息和原始源高程统计信息等，以方便用户通过该元数据快速获取指定区域产品的概览信息。其中许多产品将适用于各种区域和大陆应用，如气候建模、大陆范围内土地覆盖图、提取排水特征进行水文建模、中低分辨率卫星图像数据的几何和辐射校正。

GMTED2010产品的绝对高程精度通过与NGA提供的由光学立体图像提取的全球160万个控制点数据集的空间比较进行质量评价，其中控制点的高程精度LE90优于10m，对应RMSE约为6m，通过与控制点的比较，GMTED2010不同分辨率产品下的绝对高程RMSE如表6所示。若按数据源单独评价，GTOPO30数据源的RMSE值最大，以7.5″分辨率GMTED2010平均高程产品为例，若不考虑GTOPO30数据，其绝对高程精度将由原来的27m提升至21m。

表6 GMTED2010产品精度

不少研究者也对GMTED2010质量进行了相关评价，其结果与上述结论基本一致，且在部分地区单独验证时，高程精度有显著提升。

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ASTERGDEM

基于卫星遥感技术获取全球数字高程数据的系统类型，除了上述SRTM采用的SAR系统外，还包括基于光学立体摄影测量、雷达测高和激光测高的卫星遥感系统，ASTERGDEM则是一类基于光学立体摄影测量获取全球高程的数据产品，严格意义上其数据包含了森林植被、建筑物等地表地物的高程，属于DSM数据产品。

ASTER是一种先进的多光谱成像仪，1999-12搭载NASA的Terra航天器升空。其传感器覆盖了从可见光到热红外的14个波段，具有较高的空间、光谱和辐射分辨率，一个额外的后向近红外波段提供空间分辨率为15m的立体覆盖，用以收集地形数据。基于上述光学立体像对生产了覆盖83°S—83°N范围内所有陆地区域的1″分辨率的数据产品，覆盖率约为全球总陆地面积的99%，ASTERGDEM的水平基准面参考为WGS84坐标系、垂直基准面参考为EGM96大地水准面。

2009-06-28，NASA和METI发布了ASTERGDEMv1数据产品，采用了约126万幅光学立体像对，通过全自动的生产方式，并首创无控制点绝对DSM数据生产方法，完成了第一版GDEM数据生产处理。随后，美日联合验证小组评估了GDEMv1的准确性，其整体绝对高程精度LE95约为20m，水平定位精度CE95约为30m；经研究发现其存在高纬度地区覆盖不足、云污染、水掩膜及一定的伪影等问题，因此只能支撑部分科研应用。

2011-10，NASA和METI在GDEMv1的基础上新增了26万幅光学立体像对数据，生产并发布了ASTERGDEMv2。较GDEMv1，其在覆盖范围、空间分辨率和水体掩膜处理精确度等方面有了明显的提升。同GDEMv1一样，由美日联合验证小组评估的GDEMv2的绝对高程精度LE95约为17m，对应RMSE约为8.7m，Rexer等人对澳大利亚区域的GDEMv2数据进行了单独验证，其精度评价结果与上述结论基本保持一致，RMSE约为8.5m。

2019-08-05，NASA和METI共同发布了ASTERGDEMv3，在GDEMv2的基础上，又新增了36万幅光学立体像对数据，主要用于减少高程值空白区域、水域数值异常，GDEMv3数据在有效覆盖范围、高程精度方面有显著提升。同时，还发布了一个新的全球数据产品：ASTWBD，通过该产品可识别所有水体：海洋、河流和湖泊，每一幅ASTERGDEM数据都会有对应的水体数据。ASTWBD也是目前基本能够覆盖全球的唯一水体数据。

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AW3D30

基于光学立体摄影测量技术手段获取的全球数字高程产品，除了上述提及的ASTERGDEM外，还有ALOS-1提供的具有更高精度和分辨率的全球化DSM数据产品AW3D。

ALOS-1作为日本地球观测卫星计划的重要组成部分，2006-01发射，2011-05JAXA宣布卫星寿命终结，其搭载3种遥感传感器：全色立体测图传感器PRISM、新型可见光和近红外辐射计AVNIR-2、相阵型L-波段合成孔径雷达PALSAR。基于上述PRISM传感器采集的2.5m分辨率的300万幅光学立体像对数据，JAXA生产了覆盖82°S—82°N区域范围的1″分辨率的全球DSM产品AW3D30，并向全球用户免费开放下载使用。AW3D30水平基准面参考GRS80坐标系、垂直基准面参考EGM96大地水准面。

2016-05，JAXA正式发布了第一版30m分辨率的全球化产品AW3D30v1.0，其主要通过对NTTDATA和RESTEC共同发布的5m分辨率的商业化全球DSM数据AW3D产品进行重采样获取。AW3D为全球第一个5m分辨率的全球DSM产品，部分区域可提供0.5m、1m、2m、2.5m等更高分辨率的DSM数据产品。因数据重采样方法不同，AW3D30v1.0包括采用均值和中值重采样获取的两类产品。通过全球范围内5121个检查点对AW3D30v1.0进行精度评估，其绝对高程RMSE约为4.4m，设计精度为5m，在相同分辨率的全球DSM/DEM数据产品中处于领先水平。

2017-03，JAXA发布了补充版AW3D30v1.1，主要通过DSF方法运用已有的DEM数据对60°S—60°N范围内云、雪像素存在的空值进行填充。2018-04，JAXA发布了改进版AW3D30v2.1，其基础为商业版的第二版AW3D产品，针对此产品纠正了来自ICESat参考的绝对偏移误差，并用升级版的定标方法修正卫星轨道上的相对条带误差，运用现有的DEM数据对60°S—60°N范围内云雪像素及水和低相关像素进行了填充，更新了日本的海岸线数据。由于AW3D30v1.1均值采样和中值采样两类产品的差异不大，AW3D30v2.1仅提供了由均值重采样获取的产品。

2019-04，JAXA发布了补充版AW3D30v2.2，运用已有的DEM数据对60°N以北地区进行了数据补充，同时继续完成了云雪像素及水和低质量像素填充、海岸线更新。

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TanDEM-XDEM

相比较光学立体摄影测量，基于InSAR技术的高程反演方法在多云雾雨等恶劣环境条件下拥有着更独特的优势。前面已经介绍了基于InSAR技术一脉的全球数字高程产品SRTM。然而，随着后续全球数字高程产品精度的不断提高，SRTM与之相比略有些无力，于是DLR和EADSAstrium合作，在2010年启动了TanDEM-X项目，重新开启SAR干涉测量生成全球数字高程数据的新时代。

TanDEM-X卫星发射于2010-06，与TerraSAR-X卫星编队飞行，以构建双站SAR干涉模式，去除时间失相干影响，提供高精度的全球数字高程产品：TanDEM-XDEM。与SRTM产品相同，其提供了包含森林植被、地表建筑物等地表地物的高程信息，同样属于DSM数据产品。TerraSAR-X/TanDEM-X于2014年年底完成了包括南极洲在内的主要数据采集任务，其中所有的陆地区域至少两次覆盖，且在山地、沙漠等困难地区至少四次覆盖。2016-09完成了全球高程数据的处理，并发布了覆盖全球范围的0.4″分辨率的标准产品。相比较以往的全球高程数据产品，TanDEM-XDEM是首个以统一精度和无间隙方式获取的全球全覆盖数字高程产品。

随后，基于上述标准产品，通过均值重采样的方法又获取了1″及3″分辨率的全球TanDEM-XDEM产品，并将3″分辨率产品向全球用户免费开放。TanDEM-XDEM以WGS84-G1150坐标系为水平基准参考，同样以其WGS84-G1150椭球面为垂直基准参考。

TanDEM-XDEM的绝对定位精度CE90为10m，绝对高程精度LE90为10m，坡度小于20%时相对高程精度（相对高程精度仅限于0.4″分辨率产品，1″及3″分辨率产品未标定。）LE90为2m、大于20%时为4m。DLR使用全球近1.5千万个ICESat点对TanDEM-XDEM进行实际质量评估，其整体绝对高程精度LE90约为3.5m；除冰、森林覆盖区以及沙漠外，其绝对高程精度LE90达到了0.88m。

根据上文所述，将目前常用的免费公开的全球数字高程产品统计如表7所示。

表7 全球数字高程产品及其主要参数

四、全球数字高程产品综合分析

为了更直观的对比分析不同全球数字高程产品的效果，以位于宁夏回族自治区吴忠市的一座山脉为例进行横向定性对比分析，并将其统一至相同水平基准及垂直基准下开展定量分析。研究区域的详细范围为37.17°N—37.43°N、106.15°E—106.41°E，高程范围约为1250—2650m。以下分别采用常用的1″及3″分辨率的高程数据产品进行对比，方便使用者根据不同的需求选取合适的数据源。

1

1″分辨率数据对比

原始数字高程数据为1″分辨率的产品包括SRTM、ASTERGDEM及AW3D30，对数据源进行镶嵌融合及裁剪处理，并采用GlobalMapper进行地图渲晕处理，其不同产品同图对比如图1所示，3种高分辨率数据产品对地形均能较好地表达。但通过对红框标记区域的细致对比可以发现，在地势地貌的细节信息展示上，AW3D30及ASTERGDEM要略丰富于SRTM。然而ASTERGDEM存在明显的颗粒效应，尤其是相对平坦区域，一些主要的地形细节被颗粒效应所掩盖，难以细致地表达地形起伏。

图1 SRTM、ASTER GDEM、AW3D30 1″分辨率产品对比

由于SRTM是2003年的数据产品，虽然后续不断更新，但是其主要是利用现有数据源填补空洞数据，并未对主要数据源进行更改，因此较ASTERGDEM及AW3D30而言，缺乏一定的实时性。ASTERGDEM获取的数据源虽然较新，但在丘陵及平原地区存在明显的颗粒效应，一定程度上掩盖了真实的地形信息。AW3D30获取的数据源则最新，但是其1″分辨率高程数据是由更高分辨率的数字高程产品采用均值重采样的方式获取，因此可能会出现些许的平滑现象，但整体而言要优于前两者。根据前文所述的产品标称精度，将其统一至LE90精度指标下的绝对高程精度对比如表8所示，其中AW3D30产品精度是三者中最优的。

表8 绝对高程精度LE90对比

为进一步分析三者之间的差异，对其产品高程进行差值（ΔH）处理，并采用最小值、最大值、中值、平均值及标准差指标进行评价分析；此外，还定义了高程差值区间，对其较差分布所在范围比例进行统计分析，结果如表9所示。对比产品高程差值可以发现，AW3D30与SRTM产品高程差异最小，其差值均值仅为1m，且约95%的差值小于10m；相反，ASTERGDEM与前两个产品有着显著的差异，其高程差值小于10m的仅占60%左右。

表9 不同数字高程产品之间的差异

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3″分辨率数据对比

除1″高分辨率的数字高程数据外，最常用的还包括3″分辨率产品，下面针对目前直接发布的3″分辨率产品：SRTM3v2、TanDEM-XDEM及降采样至同等分辨率的ASTERGDEM、AW3D30进行对比分析，其不同产品同图对比如图2所示。

图2 SRTM、ASTER GDEM、AW3D30、TanDEM-X DEM 3″分辨率产品对比

同1″分辨率产品对比，3″分辨率数据存在明显的细节损失现象。从3″分辨率的数字高程数据角度分析，AW3D30及ASTERGDEM在沟壑等地貌细节信息同样较为丰富，略优于SRTM3v2及TanDEM-XDEM数据，而TanDEM-XDEM数据整体更为平滑，ASTERGDEM颗粒效应仍十分明显。

从数据的实时性上看，TanDEM-XDEM和AW3D30的数据最新，并且两者公布的免费产品都有一个共同的特性，都是从更高分辨率产品采用重采样的方式获取。从表8所示的统一精度指标下的高程精度分析，TanDEM-XDEM数据精度要明显优于其余产品，ASTERGDEM数据精度相对最差。

同样，将其不同数据产品统一至WGS84水平基准及以WGS84椭球面为参考的垂直基准下，开展高程数据产品之间的差异分析，其不同评价指标的计算结果如表10所示。对比指标结果发现，TanDEM-XDEM与SRTM产品高程差异最小，高差标准差仅2.35m，且高程差值近100%小于10m；其次差异较小的为TanDEM-XDEM与AW3D30产品、AW3D30与SRTM产品，其高差标准差分别约为3.49m、4.56m，且小于10m的高程差值均能占到93%以上；ASTERGDEM与其余高程数据产品的差异都较大，高差标准差均高于7.5m。从表8所示的标称精度分析，其不同数据产品之间的差异性基本与上述分析一致，而TanDEM-XDEM与SRTM产品差异最小的原因部分可归结于采用了相同的技术手段获取DEM。

鉴于其余数字高程产品的分辨率相对较低，在统一至同一分辨率时，其地势地貌的细节信息将更为模糊，因此从直观分析的角度并不能发现明显差异，当应用低分辨率高程数据时，可将侧重点放在高程精度方面，据此选择合适的数据源。但值得注意的是，GTOPO30是这些数据产品中唯一的表示裸地高程的DTM数据，其余均为包含地表地物高程的DSM数据。

五、结语

本文从全球化各项目研究对全球数字高程产品需求逐渐扩大的研究现状出发，简单介绍了常用的数字高程产品类型及高程数据精度衡量指标，并给出了几种常用的精度指标之间的等价关系；从数据产品获取方式、相关技术研究、产品版本更新及特点的角度出发，详细阐述了目前常用且公开免费的ETOPO、GTOPO30、SRTM、GMTED2010、ASTERGDEM、AW3D30及TanDEM-XDEM全球化数字高程产品；最后以宁夏回族自治区吴忠市一座山脉为例，通过定性及定量对比的方式详细分析了不同产品之间的差异，以便于不同用户根据个人需求选择合适数据产品。

随着星载对地观测技术的不断发展，全球数字高程产品的各种指标也在随之攀升，应用领域已经从最初的全球大面积变化研究逐步拓展到城市甚至局部小面积区域高程相关应用研究，应用行业也从传统的测绘、国土资源管理、气候与大气治理、环境保护拓展到通信网络规划设计、智能交通系统设计、矿产资源、建筑与土木工程设计、减灾防灾、国防与国家安全等领域。另外，全球化的快速推进，也带来了管理视角的变化，中国自然资源的全球化、南北极问题、全球生物圈问题、全球水循环问题等各类全球性事物的参与必然离不开全球性地理信息框架的建设和更新，这对国产的自主可控的数字高程产品提出了迫切的需求。

继资源三号01、02星之后，高分七号卫星已成功发射，中国的测图能力已经从1∶5万跃升至1∶1万。除此之外，高分七号还搭载了面向单点高精度高程测量的激光载荷，可为国产数据提供高程控制。中国以干涉为主任务的陆探一号SAR卫星也即将发射，它面向1∶5万比例尺地形图测绘，可结束中国全境覆盖高程数据，特别是多云多雨地区长期存在的来源不一致、精度不一致、质量不一致的问题，为中国的全球数字高程产品生产获取奠定良好的技术基础。

END

第一作者简介：唐新明，1966年出生，男，研究员，研究方向为摄影测量与航天测绘的研究与应用

来源：《遥感学报》（2021年第1期）

转自：溪流之海洋人生

原标题：《学术交流 | 全球数字高程产品概述》

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