人站的高度不同，看問題的角度便不同，思考問題的方式也不同，看到的風(fēng)景和最終達(dá)到的人生高度更是不同。當(dāng)下的高度到底有多高？應(yīng)該怎樣認(rèn)知自我站位的高度？空間數(shù)據(jù)研究所帶您一起認(rèn)知一類稱為高程的數(shù)據(jù)，山川大地、江河湖海，地球的每一寸角落都有其高度，讓我們站在這顆星球的高度找到適合自己的高度。
如何定義高度？
DEM的概念
數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM），利用有序、有限的位置高程數(shù)值矩陣實(shí)現(xiàn)對星球表面高程狀態(tài)的數(shù)字化模擬，是建立數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM）的基礎(chǔ)。
如何測量高度？
高程測量的概念
大地水準(zhǔn)面是一個重力等位面，因?yàn)榈厍蛎芏鹊姆蔷鶆蛐砸鸬闹亓Ξ惓?dǎo)致無法獲取理論上的大地水準(zhǔn)面模型，一般基于莫洛金斯理論，通過長期觀測、地球重力場分布測量建立似大地水準(zhǔn)面，地面點(diǎn)沿鉛垂線到似大地水準(zhǔn)面的距離稱為正常高。
基于似大地水準(zhǔn)面定義的高程系統(tǒng)稱為正常高系統(tǒng)，我國目前采用的法定高程系統(tǒng)屬于正常高系統(tǒng)，美國采用的是NAVD88正高高程系統(tǒng)，但軍方和民用領(lǐng)域推廣的多為基于WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)采用GPS測量的大地高（大地高指地面點(diǎn)沿通過該點(diǎn)的參考橢球面法線到參考橢球面的距離，是一個幾何量）
似大地水準(zhǔn)面的建立涉及到平均海平面（MSL）觀測確定、水準(zhǔn)原點(diǎn)設(shè)置、參考橢球模型選擇、地球重力分布模型建立、高精度高程控制網(wǎng)建立等多個部分，最重要且難度較大的是地球重力分布模型建立。
目前使用較多的地球重力分布模型EGM2008（Earth Gravitational Model EGM2008）由美國國家地理空間情報局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，簡稱NGA)于2008年發(fā)布，EGM2008的網(wǎng)格分辨率達(dá)到5 Arc-Minutes，約為9Km。
我國也建立了多個自主的地球重力分布模型，如WDM89、WDM94等，其中WDM94的網(wǎng)格分辨率達(dá)到 30 Arc-Minutes,約為55Km。
地球重力分布模型不僅會影響大地水準(zhǔn)面的建立，更是衛(wèi)星精密定軌的基礎(chǔ)，而衛(wèi)星定軌的精度直接關(guān)系到衛(wèi)星大地測量的定位精度。下圖為EGM2008模型大地水準(zhǔn)面可視化效果（-106.909/85.824米）
大地水準(zhǔn)面模型
高分辨率、高精度的大地水準(zhǔn)面模型是開展衛(wèi)星大地測量的基礎(chǔ)，通過GPS系統(tǒng)獲取地面點(diǎn)大地高（指地面點(diǎn)沿通過該點(diǎn)的參考橢球面法線到參考橢球面的距離，是一個幾何量），結(jié)合該點(diǎn)大地水準(zhǔn)面高程信息，即可計算得出該點(diǎn)的正常高程值。
CQG2000（Chinese Quasi-Geoid 2000，簡稱CQG2000），我國最新一代似大地水準(zhǔn)面成果，覆蓋我國大陸及其海岸線以外400公里的區(qū)域和南海諸島及其周圍海域。分辨率較高，精度達(dá)到分米級。通過全球DEM數(shù)據(jù)和CQG2000進(jìn)行計算即可獲取國內(nèi)指定位置的高程值。
DTM是描述包括高程在內(nèi)的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等因子在內(nèi)的線性和非線性組合的空間分布模型，其中DEM是單項數(shù)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(chǔ)上計算生成。
如何評價高度？
圓概率誤差（Circular Error Probability,簡稱CEP）主要用于軍事領(lǐng)域，其在彈道學(xué)上的定義是以目標(biāo)為圓心劃一個圓，如果武器命中此圓的機(jī)率至少為50%，則此圓的半徑就是圓概率誤差。
性誤差概率(Linear Error Probability，簡稱LEP)，是一個線性范圍，一般用于表示絕對高程精度。例如，某測量點(diǎn)的垂直精度為1米 LE90，表示該測量點(diǎn)的90%的測量值沿1米長度的垂直線下降，估計的真實(shí)值位于該垂直線的中心點(diǎn)。
測繪領(lǐng)域常用CE90（Circular Error at 90% Probability）和LE90(Linear Error at 90% Probability）分別作為平面精度和高程精度的衡量指標(biāo)，國內(nèi)外衛(wèi)星在發(fā)布定位精度時，一般使用CE90作為精度指標(biāo)。
導(dǎo)航和測繪領(lǐng)域也會使用相對于獨(dú)立參考地面控制測量的均方根誤差（Root Mean Square Error，簡稱RMSE）作為精度衡量指標(biāo)。
DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品一般都給出對應(yīng)的CE90、LE90值或垂直精度RMSE值，幫助使用者了解其水平和高程精度。
了解地球的高度
隨著地球系統(tǒng)科學(xué)（Earth System Science）的出現(xiàn)以及越來越多的研究領(lǐng)域開始關(guān)注全球變化，全球DEM數(shù)據(jù)需求在20世紀(jì)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(xué)工作組，系統(tǒng)性梳理了高程數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，并提出了制作全球DEM數(shù)據(jù)集的建議。
隨著NASA地球觀測系統(tǒng)（EOS）的建設(shè)并逐步投入使用，進(jìn)一步增加了對全球DEM數(shù)據(jù)的需求，有力推動了全球DEM數(shù)據(jù)獲取、處理、應(yīng)用等各研究領(lǐng)域的發(fā)展。
地球觀測系統(tǒng)（Earth Observing System，簡稱EOS），始于1980年NASA提出的美國全球變化研究計劃（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(wèi)星組成和為實(shí)行多學(xué)科（大氣、海洋、陸面、生物、化學(xué)等）綜合研究，加深對地球系統(tǒng)變化的理解，回答理解全球氣候變化的問題，地球氣候系統(tǒng)是如何變化的，各種地球現(xiàn)象是如何發(fā)生的，又是如何變化的，自然和人類對全球環(huán)境變化的作用，建立人類對地球系統(tǒng)發(fā)生的各種現(xiàn)象的長期監(jiān)視，改進(jìn)對全球尺度上地球系統(tǒng)各分量及它們間相互作用的理解目的而建立的全球衛(wèi)星觀測體系。整個系統(tǒng)包含三個部分：
2、EOS數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)（Earth Observing System Data and Information System，簡稱EOSDIS）人類所能構(gòu)想的最雄心勃勃的數(shù)據(jù)項目之一，于1999年正式上線，自 上線以來，EOSDIS已成為全球最大和最活躍的數(shù)據(jù)存儲庫，每天接收 3 TB 的新數(shù)據(jù)并向全球各地的研究人員分發(fā) 2 TB 的現(xiàn)有信息，支撐全球用戶訪問 2000 多萬個文件（包含超過 1 PB 的信息），EOSDIS為整個EOS系統(tǒng)提供了整體框架The Framework，是EOS系統(tǒng)的基石。
3、EOS觀測系統(tǒng)（軌道載體平臺、儀器）
全球DEM數(shù)據(jù)發(fā)展概述
全球DEM數(shù)據(jù)從1988開始，經(jīng)過30余年的發(fā)展，在生產(chǎn)方法、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、分辨率、精度、應(yīng)用領(lǐng)域與市場等多個方面都有了長足發(fā)展。
生產(chǎn)方法：生產(chǎn)方法從最初的數(shù)據(jù)編制到目前的基于遙感技術(shù)全球DEM數(shù)據(jù)快速獲取；
處理技術(shù)：數(shù)據(jù)處理技術(shù)從最初的手動鑲嵌、分區(qū)域重采樣、人工整合到目前的全球無控制點(diǎn)自動化處理；
分辨率：分辨率從最初的5弧分經(jīng)緯度網(wǎng)格到目前的5m分辨率；精度從最初的無明確精度指標(biāo)到目前的優(yōu)于5m LE90；
應(yīng)用領(lǐng)域：隨著全球DEM數(shù)據(jù)各種指標(biāo)的提升，應(yīng)用區(qū)域從最初的全球大面積變化研究逐步拓展到城市甚至局部小面積區(qū)域高程相關(guān)應(yīng)用研究，應(yīng)用行業(yè)也從傳統(tǒng)的測繪、國土資源管理、氣候與大氣治理、環(huán)境保護(hù)拓展到通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計、智能交通系統(tǒng)設(shè)計、礦產(chǎn)資源、建筑與土木工程設(shè)計、減災(zāi)防災(zāi)、國防與國家安全等領(lǐng)域。人類對全球DEM數(shù)據(jù)的需求將隨著信息空間的拓展逐步增強(qiáng)。
市場：全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品從最初完全由政府組織生產(chǎn)、共享、使用，隨著應(yīng)用領(lǐng)域與規(guī)模的發(fā)展，先后有多家公司加入，如AIRBUSDEFENCE AND SPACE、Digital Globe、NTT DATA and Remote Sensing Technology Center of Japan等，逐步形成了一個全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品市場，為企業(yè)獲取全球DEM數(shù)據(jù)提供了非政府渠道。
ETOPO5是第一個廣泛使用的全球高程模型，由美國地球物理中心（U.S. National Geophysical Data Center，簡稱NGDC）于1988年發(fā)布。ETOPO5提供5弧分經(jīng)緯度網(wǎng)格的陸地和海洋高程，在美國、歐洲、日本、澳大利亞和海洋區(qū)域提供5弧分經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率，亞洲、南美、加拿大北部和非洲等數(shù)據(jù)不足的地區(qū)提供相當(dāng)于1經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率（5弧分經(jīng)緯度在赤道約為10 Km間距，赤道周長40075 Km，360*60 = 21600弧分,5弧分 = 40075/21600*5=9.27 Km）。
NGDC于2001年、2006年陸續(xù)發(fā)布了ETOPO2的兩個版本，提供5弧分經(jīng)緯度網(wǎng)格的陸地和海洋高程；2008年8月NGDC發(fā)布了ETOPO1版本，提供全球范圍1弧分經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率的陸渡和海洋高程，分為Ice Surface和Bedrock兩個版本，兩個版本差別在于處理南極洲和Greenland區(qū)域數(shù)據(jù)時，Ice Surface給出的是加上冰蓋層之后的高程，Bedrock給出的是巖床的高程。ETOPO1是目前可以免費(fèi)使用的唯一提供海洋高程的全球DEM數(shù)據(jù)。
ETOPO系列全球DEM數(shù)據(jù)給出的是基于MSL正常高高程，由于ETOPO系列全球DEM數(shù)據(jù)采用對已有制圖數(shù)據(jù)重新編制的生產(chǎn)方法生成，因此沒有給出明確的精度指標(biāo)，全球不同區(qū)域的精度依賴于相關(guān)數(shù)據(jù)源的精度。
為了滿足EOS和其他全球變化研究項目的需求，20世紀(jì)90年代末（1996年完成），美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，簡稱USGS）開發(fā)了全球1Km DEM產(chǎn)品GTOPO30，相當(dāng)于30弧秒經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率。GTOPO30同樣采用對已有制圖數(shù)據(jù)重新編制的生產(chǎn)方法，共8個數(shù)據(jù)源，由8個機(jī)構(gòu)參與數(shù)據(jù)提供、技術(shù)及資金支持，經(jīng)過三年的合作最終完成。
美國地質(zhì)調(diào)查局地球資源觀測和科學(xué)中心（U.S. Geological Survey's Center for Earth Resources Observation and Science，簡稱EROS）
參與機(jī)構(gòu)：
美國國家航空航天局（NASA）
聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署/全球資源信息數(shù)據(jù)庫（The United Nations Environment Programme /Global Resource Information Database，簡稱UNEP/GRID）
美國國際開發(fā)署（U.S. Agency for International Development，簡稱USAID）
墨西哥國家地理調(diào)查研究所（INEGI）
日本地理調(diào)查研究所（Geographical Survey Institute of Japan，簡稱GSI）
新西蘭Manaaki Whenua陸地保護(hù)研究所（Manaaki Whenua Landcare Research of New Zealand）
南極研究科學(xué)委員會（Scientific Committee on Antarctic Research，簡稱SCAR）
GTOPO30數(shù)據(jù)80％區(qū)域是基于美國國家地理空間情報局(U.S. National Geospatial-Intelligence Agency，簡稱NGA)提供的數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)（Digital Terrain Elevation Data，簡稱DTED）和世界數(shù)字圖表（Digital Chart of the World,簡稱DCW）編制而成。將DTED由3弧秒經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率重采樣到30弧秒經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率。利用網(wǎng)格插值將DCW中的源地形圖（輪廓和點(diǎn)高度）和水文特征數(shù)據(jù)融合到GTOPO30數(shù)據(jù)中。
GTOPO30自發(fā)布以來已經(jīng)成為許多大面積應(yīng)用的首選全球DEM，它也是其他全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品的主要數(shù)據(jù)源，如全球一公里基礎(chǔ)高程數(shù)據(jù)（Global Land One-km Base Elevation，簡稱GLOBE）、ETOPO2等全球DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品。
GTOPO30只提供陸地區(qū)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(shù)據(jù)采用對已有制圖數(shù)據(jù)重新編制的生產(chǎn)方法生成，因此沒有給出統(tǒng)一的精度指標(biāo)，使用時可以根據(jù)對應(yīng)區(qū)域參考兩個主要數(shù)據(jù)源的精度指標(biāo)，DTED在3弧秒經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率時LE90為30米，DCW在融合到GTOPO30后，在30弧秒經(jīng)緯度網(wǎng)格分辨率時可信的LE90為160米。
為了便于數(shù)據(jù)分發(fā)，GTOPO30將全球數(shù)據(jù)分為33幅，用戶可以根據(jù)研究區(qū)域分幅獲取。
隨著全球各領(lǐng)域研究對高分辨率DEM數(shù)據(jù)的需求不斷增強(qiáng)，同時新的高程數(shù)據(jù)獲取技術(shù)不斷涌現(xiàn)，USGS和NGA合作，十年磨一劍，于2010年共同推出了全球多分辨率地形高程數(shù)據(jù)（Global Multi-resolution Terrain Elevation Data，簡稱GMTED2010），在全球陸地區(qū)域提供30弧秒、15弧秒、7.5弧秒三種分辨率DEM數(shù)據(jù)。（在格陵蘭島和南極洲只提供30弧秒分辨率DEM數(shù)據(jù)，其他陸地區(qū)域均提供相當(dāng)于1Km、500m、250m分辨率的DEM數(shù)據(jù)），下圖是GMTED2010全球30弧秒分辨率平均高程數(shù)據(jù)（-430/8625米）。
GMTED2010在GTOPO30的基礎(chǔ)上引入了新的高程數(shù)據(jù)源，多達(dá)11種柵格高程數(shù)據(jù)源，最主要的數(shù)據(jù)源NGA SRTM DTED2數(shù)據(jù)，約占69.92%，1弧秒分辨率，WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，基于EGM96模型的正常高高程；NGA DTED1數(shù)據(jù)，約占8.7%，3弧秒分辨率，基于MSL的正常高高程；GMTED2010的數(shù)據(jù)源及其占比如下表
MTED2010數(shù)據(jù)源的水平分辨率及參考坐標(biāo)系統(tǒng)如下表
MTED2010數(shù)據(jù)源的垂直分辨率及高程基準(zhǔn)面如下表
GMTED2010的數(shù)據(jù)源具有多分辨率、多基準(zhǔn)面、多坐標(biāo)系的特征，NASA和NGA在制作GMTED2010產(chǎn)品時，除了采用多分辨率外，還建立了包括最小高程、最大高程、平均高程、中間高程、高程標(biāo)準(zhǔn)偏差、系統(tǒng)統(tǒng)計采樣、增強(qiáng)特征曲線的七種高程產(chǎn)品。
為了便于使用者使用，GMTED2010產(chǎn)品中還包含一份SHP格式的元數(shù)據(jù)，通過該元數(shù)據(jù)可以快速獲取指定區(qū)域GMTED2010產(chǎn)品的概覽信息，元數(shù)據(jù)屬性表如下
通過元數(shù)據(jù)可以根據(jù)區(qū)域快速認(rèn)知GMTED2010數(shù)據(jù)
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