SRTM、ASTER、ALOS、TanDEM-X等常用免费数字高程模型（DEM）基本信息汇总

背景：数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）泛指数字地形模型（DTM，Digital Terrain Model）和数字表面模型（DSM，Digital Surface Model）【1】。DTM反映的是裸地表高程，及不包括地上植被、建筑物等，而DSM表示的是带植被、建筑物等的地表高程。示意见下图。目前DEM已被广泛应用于水文模拟、地质灾害研究等方面。诸多机构已提供了覆盖全球范围的免费DEM数据，包括SRTM GL3，SRTM GL1，NASADEM，ASTER GDEM V3，AW3D30，TanDEM-X等。以上数据除了数据发布机构外，存在许多其它机构也在提供数据下载服务，而大部分机构对于数据的参数、精度等并无详细说明。许多数据用户对数据的精度、来源、生产过程、适用范围等并不清楚，存在拿来就用的情况。基于此，本文对目前常用的免费DEM数据的数据源、基本参数，生产过程进行了较为系统的梳理，并通过某区域对几种数据进行了初步对比，为数据用户根据自己使用目的选择合适的数据做参考。

数据介绍：本文选用目前常用的免费DEM数据，数据水平分辨率在30m~90m范围，数据基本信息见下表。

（1）SRTM数据
SRTM（The Shuttle Radar Topography Mission）为美国航天航空局（NASA，National Aeronautics and Space Administration），美国国家地理空间情报局（NGA，National Geospatial-Intelligence Agency）和德国航空太空中心（DLR，Deutsches Zentrum fu¨ r Luft- und Raumfahrt, the German space agency ）合作项目【2】。该项目的目标为获取北纬60°到南纬56°所有陆域的数字高程模型，产品空间分辨率为1弧秒×1弧秒，绝对高误差（linear vertical absolute height error）小于16m，相对高误差（linear vertical relative height error）小于10m，水平绝对误差（circular absolute geolocation error）小于20m，水平相对误差（circular relative geolocation error）小于15m。（以上所有误差指标均在90%置信水平下，与美国国家地图精度标准，NMAS，National Map Accuracy Standards一致）。

SRTM通过奋进号航天飞机搭载的C波段合成孔径雷达（NASA的JPL负责）和X波段合成孔径雷达（DLR负责）获取数据。C波段雷达覆盖范围更广，但精度相对低，X波段雷达覆盖范围小但分辨率及信噪比相对较高。NASA的产品数据由C波段合成孔径雷达数据制作，X波段合成孔径雷达数据仅用于验证；DLR根据X波段雷达数据也制作了DEM产品。奋进号航天飞机于2000年2月11日于肯尼迪航天中心发射升空，轨道高233km，倾角57°，雷达在轨工作222.4小时，C波段雷达完成了目标工作区域99.96%的覆盖率，X波段雷达覆盖了目标工作区域的40%。SRTM装置如下图[3]所示，航天飞机机仓内搭载了一组C波段及X波段雷达（既可以发射也可以接收微波），通过一条60m长的Mast，在Mast外端搭载了一组C波段及X波段微波接收天线。通过机载合成孔径雷达发射微波，由机载雷达天线及Mast外端天线接收地面反射微波，通过二者相位差分析得到地表高程。

C波段雷达覆盖范围如下图（a）所示，X波段雷达覆盖范围如下图（b）所示【3】。

SRTM数据根据使用雷达的不同可分为SRTM X-SAR数据和SRTM-C数据。SRTM X-SAR数据【4】由德国DLR制作提供，数据可通过EOWEB下载。SRTM-C数据由NASA制作提供，具有3个版本，各版本更新情况见下图【5】，目前最新为version 3，该版本采用ASTER GDEM2，USGS GMTED2010或USGS NED数据对空值进行了处理。

SRTM-C version 3又包括了空间分辨率为1弧秒的SRTM GL1 V003数据和空间分辨率为3弧秒的SRTM GL3 V003数据，其中3弧秒的数据有1弧秒的数据平均得到，可以通过LP DAAC下载。以上三种数据下载链接如下：
SRTM X-SAR : https://eoweb.dlr.de/egp/ (注册后就能免费下载）；
SRTM GL1 V003: https://lpdaac.usgs.gov/products/srtmgl1v003/
SRTM GL3 V003: https://lpdaac.usgs.gov/products/srtmgl3v003/

（2）NASADEM_HGT V001数据
NASADEM_HGT V001数据【6】由NASA JPL于2019年1月首次发布，并于2020年1月发布了更新版本。制作该数据的目标是改善SRTM DEM数据精度及覆盖范围（减少空值）。该数据采用优化的处理算法处理SRTM原始雷达数据，并引入了ICESat GLAS（Ice,Cloud,and Land Elevation Satellite Geoscience Laser Altimeter System）和ASTER（Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)数据。根据用户手册，其精度应相对SRTM DEM更优。该数据空间分辨率为1弧度（30m）。可通过LP DAAC下载，下载链接如下：
NASADEM_HGT V001：https://lpdaac.usgs.gov/products/nasadem_hgtv001/

（3）ASTER GDEM数据
ASTER GDEM数据由1999年12月18日发射升空的Terra卫星【7】搭载的ASTER（Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer）仪器拍摄的ASTER Level 1A立体影像处理得到。Terra（前称EOS/AM-1）任务是NASA的ESE（Earth Science Enterprise）项目中的一项联合地球观测任务，该项目由美国、日本和加拿大联合实施。美国提供卫星发射及由NASA开发的CERES, MISR, MODIS仪器，日本提供ASTER，加拿大提供MOPITT。Terra设计使用寿命为6年。

ASTER GDEM数据目前有三个版本【8】，最新的版本为ASTER GDEM V003。相较于V002版本，V003版本采用的无云影像数量由1.5百万增加至1.88百万景，将河流和湖泊分开处理，最小水体检测范围由1km2缩小至0.2km2。ASTER GDEM V003采用的影像成像时间在2000\3\1~2013\11\30之间，空间分辨率为1弧度（30 m)，日本范围内经过验证高程误差标准差为12.1m，可通过LP DAAC下载，下载链接如下：
ASTER GDEM V003: https://lpdaac.usgs.gov/products/astgtmv003/

（4）ALOS数据
AW3D30（ALOS World 3D）DEM数据由日本太空发展署（JAXA，Japan Aerospace Exploration Agency）研制的ALOS卫星【9】搭载的PRISM（Panochromatic Remote-Sensing Instrument for Stereo Mapping）仪器拍摄的立体影像制作。ALOS（Advanced Land Observing Satellite）卫星发射于2006年1月24日，轨道高691.65 km，倾角98.16°，该卫星设计使用寿命为3年，目标寿命为5年。ALOS由于电力故障于2011年4月退役。卫星发射目标为提供能够生产1:25000比例尺地图的高分辨率数据，观测水平分辨率为2.5m，垂直经度为3~5m。

JAXA根据2006~2011年ALOS PRISM立体影像数据制作了全球2.5m/5m/30m分辨率的DEM产品。其中2.5m和5m为收费产品可在https://www.aw3d.jp/en/about/ 购买。30m为免费产品，由2.5m/5m分辨率数据制作得到【10】，可通过 https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/index.htm 注册后下载。

值得提出的是目前网上提到ALOS 12.5m DEM数据，部分称ALOS PALSAR 12.5m DEM数据，可从NASA ASF（Alaska Satellite Facility）ASF Data Search https://search.asf.alaska.edu/#/ 下载。但事实上ALOS卫星DEM数据是由PRISM拍摄的立体影像制作的，搭载的PALSAR（Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar）主要用于获取正射影像【11】。NASA ASF提供的ALOS PALSAR Hi-Res Terrain Corrected数据中的DEM分辨率确实是12.5m，但是这个DEM数据实际上是用来对PALSAR原始数据做地形校正的，在ASF radiometrically terrain corrected ALOS PALSAR products product guide中明确指出了地形校正所采用的DEM数据来源，如下图【12】所示。

从上图可知除美国或部分加拿大外，其余地区采用的基本为SRTM GL1 30m分辨率DEM。从ASF下载的12.5m DEM是根据原始DEM（如SRTM GL1 30m）up Sampling得到，具体算法我没找到参考资料。如果把两种数据（ASF ALOS PALSAR 12.5 DEM于SRTM GL1 30 m）对比就会发现，二者趋势几乎完全一致，但同一位置存在几米到几十米的差异（见后文），这主要是因为SRTM GL1 30m DEM采用的高程基准为EGM 96，为Orthometric Height，而SRTM GL1 30m DEM在被用于做ALOS PALSAR数据地形校正之前，ASF将其高程系统由相对EGM 96的Orthometric Height转换为了相对椭球面的Ellipsoidal Height，高程系统不一样所以同一位置高程当然会存在差异。

（5）TanDEM-X数据
TanDEM-X 项目【13】为德国航空太空中心（DLR，Deutsches Zentrum fu¨ r Luft- und Raumfahrt, the German space agency ）与Airbus Defence & Space公司公私合作项目，DLR负责项目地面设施设计，项目运行及数字高程模型制作，Airbus负责卫星建造。Airbus持有DEM产品商业运营的权力，而DLR主要为科研团体服务【14】。TanDEM-X DEM数据由TerraSAR-X（TSX)和TanDem-X（TDX)卫星组成的双星系统对地观测数据制作得到。TerraSAR-X卫星于2007年6月15日发射升空，TanDEM-X卫星于2010年6月21日发射升空，二者组成双星系统，轨道高515km，倾角97.44°，采用搭载的合成孔径雷达(SAR）进行对地观测，生产DEM的原理与SRTM一致，只是精度更高。

TanDEM-X DEM数据包括了0.4弧秒（12m），1弧秒（30m），3弧秒（90m）三种分辨率【14】，参数见下表。目前注册就能下载的数据为90m分辨率的数据，其余较高分辨率数据通过申请才能下载。TanDEM-X 90m下载网址为 https://geoservice.dlr.de/web/dataguide/tdm90/ 。值得指出的是该DEM数据与其它数据的高程基准不一样，其它数据（SRTM，NASADEM，ASTER，AW3D）均为Orthometric Height，高程基准为EGM96，本数据高程为ellipsoid Height，参考椭球为WGS84。

数据对比分析：
将各DEM数据在某水库（2002年11月开工，2007年4月大坝填筑完成，坝高125m）区域用Arcgis软件contour工具生成20m等高距等高线，如下图。对比各种DEM数据生成的等高线：
（1）几种近全球覆盖的30m分辨率DEM数据（SRTM GL1，NASADEM，ASTER，AW3D），生成的等高线走向趋势基本一致，水库水边高程基本都为2140m；
（2）由于NASADEM与SRTM GL1均由SRTM原始雷达数据处理得到，二者生成的等高线几乎一样。
（3）本区域ALOS PALSAR 12.5m数据由SRTM GL1数据up sampling得到，二者等高线也基本一致，但ALOS PALSAR 12.5m水库水边高程为2100m，与SRTM GL1水库水边2140m存在较大差异，是因为ALOS PALSAR 12.5m数据为Ellipsoid Height，为相对参考椭球面高程，而SRTM GL1数据为Orthometric Height，为相对参考水准面高程。
（4）SRTM-XAR数据由SRTM搭载的X波段合成孔径雷达数据处理得到，虽然X波段雷达相对C波段雷达分辨率及信噪声比高，但生成的等高线肉眼可见存在异常值，根据DLR发布的Product Description，。该数据的仍然为Ellipsoid Height，为相对参考椭球面高程。
（5）对于90m分辨率DEM数据（TanDEM-X与SRTM GL3），除了水面等高线及高程基准存在差异外，陆地等高线走向趋势还是比较一致的。水面等高线差异的原因推测是TanDEM-X数据获取时（2010年）该水库（2007年建成）已经蓄水了，而SRTM数据是2000年获取的。
（6）彩蛋，AW3D数据（2006-2011年）生成的等高线在水库坝址位置呈现出马鞍状，可见该数据已经分辨出坝址处地形差异了。

以AW3D为基准，将ASTER、NASADEM、SRTM GL1与AW3D相减，结果见下图，图中白色表示偏差为0，蓝色表示偏差在0-10m之间，绿色表示偏差在0~-10m之间，红色表示偏差绝对值大于10m。从图中可知，本研究区域，ASTER与AW3D的差异较大，平均偏差6.6m，偏差标准差为13.7m；NASADEM与SRTM GL1由于处于同一数据源，与AW3D偏差较为一致，平均偏差-3.8m，偏差标准差9m左右。

结论：
本文整理了几种常用的DEM数据，包括数据基本参数，来源，生成过程，获取方式等，并对数据之间的差异进行了初步分析。

以上DEM数据从生成过程来看可以分为两类，一类是以日本传感器为代表的ASTER及AW3D数据，数据通过立体摄影方式获取，利用的可见光波段，AW3D后于ASTER发射，从基本参数来看，在相同水平分辨率水平下其精度应相对ASTER更高；另一类是以美国、德国传感器为代表的SRTM及TanDEM-X数据，数据通过干涉合成孔径雷达（InSAR）获取，利用的微波波段，从基本参数来看相同水平分辨率DEM数据，后继者TanDEM-X优于SRTM。至于立体摄影方式获取的DEM精度高还是InSAR获取的DEM精度高，笔者并不是学遥感的，对二者原理尚未深入研究则不好评判。根据目前看到的参考资料，立体摄影方式会受到云雾等的遮挡影响，但ASTER或AW3D观测历时长成像数目多，总可以找到无云的影像，如ASTER V003就相对ASTER V002增加了大量无云影像；InSAR方式由于利用的是微波波段，不受云雾的影响，且夜间也能观测，所以SRTM 10天就把N60°~S56°范围基本拍完了。虽然目前这些公开DEM数据都称作DEM，但根据数据获取方式，应该都属于DSM范畴。

从几种数据发布机构公布的数据精度，及对比结果来看，30m分辨率DEM数据中SRTM GL1、ASTER及AW3D三者并无特别明显区别，根据现实性、公布的数据精度以及数据获取便宜性综合考虑，AW3D值得推荐。此外AW3D下载的30m分辨率DEM数据包中给出了精度指标文件（**_QAI.txt）该文件中给出了数据发布机构对当幅数据的精度评价及与SRTM、ASTER、ICESAT等数据的偏差等信息，使使用者能够对数据精度有个大致了解，如下图。

本文实例数据及相关数据文档可从这里下载：https://download.csdn.net/download/Crace1992/15972784

参考说明
[1] DEM的定义也有其它说法，本文采用大部分数据提供机构（USGS，ERSDAC，CGIAR，Spot Image）的说法，https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_elevation_model；
[2] https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/srtm；
[3] Farr T G , Rosen P A , E Ca ro, et al. The Shuttle Radar Topography Mission[J]. Reviews of Geophysics, 2007, 45(2):361.
[4] https://geoservice.dlr.de/web/dataguide/srtm/；
[5] The Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Collection User Guide；
[6] NASADEM User Guide；
[7] https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/t/terra；
[8] ASTER GDEM V3 User Guide Version 1, July 2019；
[9] https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/a/alos；
[10] ALOS Global Digital Surface Model ALOS World 3D-30m(AW3D30) Version 3.2/3.1 Product Description Edition 1.0；
[11] ALOS User Handbook；
[12] ASF radiometrically terrain corrected ALOS PALSAR products product guide ；
[13] https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/t/tandem-x ；
[14] TanDEM-X Ground Segment DEM Products Specification Document ；

补充资料：
（1）Ellipsoid height与Orthometric height定义

Ellipsoidal Height
Ellipsoidal height is purely geometric definition of height and is the distance measured along the normal of a reference ellipsoid to the point on the Earth surface. The vertical datum of the TanDEM-X 90m DEM data set is the WGS84 ellipsoid, hence the height values given by the TanDEM-X 90m DEM data sets are heights above the ellipsoid or ellipsoidal heights. If the ellipsoid of the reference height data sets is not the WGS84 ellipsoid, which is mostly true for the majority of national height data sets, then a datum transformation in three-dimensional Cartesian space is required. For small- and mid-scale mapping application e.g. a 7 parameter Helmert transformation (3 translation parameters, 3 rotation parameters, 1 scale factor) might be sufficient and is mostly integrated into common GIS software. For higher accuracy levels please contact your cadastral authority to obtain improved parameter sets for this task.
For national height systems two basic concepts of physical height definition based on the gravity field of the earth are widely used: orthometric height, or normal height.
来自 https://geoservice.dlr.de/web/dataguide/tdm90/#access

Orthometric Height（Geodetic Height）
Orthometric height is the distance along the plump line from a surface point to a reference geoid. The geoid is a surface based on the gravity potential and derived from gravity measurements, but assumptions about the Earth mass density distribution are required. The mean sea level (MSL) approximates best the geoid.
Please note in this context that the height values represented by other freely available global/near global height data sets (SRTM 1-arcsec, ASTER GDEM2, ALOS World 3D) are referenced to a geoid instead of an ellipsoid, and their height values have to be considered as orthometric heights. The relation between ellipsoidal height and orthometric height is given by:
h = H + N
where
h: Ellipsoidal Height
H: Orthometric Height
N: Geoid-Height
The geoid model used for the aforementioned global/near global height data sets is the global EGM96 geoid, which can be easily found and downloaded by a global internet search. If the pixel spacing of DEM and geoid model is not equal, bilinear interpolation should be used for resampling of geoid undulations. The conversion from ellipsoidal to orthometric height or vice versa is simple math given the formula above.
来自 https://geoservice.dlr.de/web/dataguide/tdm90/#access

Normal Height
The alternative concept of normal height does not use any hypothesis about the Earth mass density distribution, but refers in addition to the local reference ellipsoid, and originates historically from terrestrial levelling practice before the rise of the satellite geodesy age and is widely used in European countries. The theoretical reference plane related to normal heights is called quasi-geoid. The relation between ellipsoidal heights and normal heights is given by the formula:
h = HN + ζ
where
h: Ellipsoidal Height
HN: Normal Height
ζ: Quasi-Geoid-Height
The difference between the orthometric height and the normal height of a point is not dramatic and is usually in the range of some centimeters to decimeters, but can also reach 1.5m. Sources for adequate geoid or pseudogeoid models are usual the national catastral authorities (e.g. in Germany the Federal Agency for Cartography and Geodesy, BKG).
来自 https://geoservice.dlr.de/web/dataguide/tdm90/#access

（2）数据精度指标定义【14】
The absolute horizontal, absolute vertical and relative vertical accuracies are defined as follows.
• Absolute horizontal accuracy is defined as the uncertainty in the horizontal position of a pixel with respect to a reference datum, caused by random1 and uncorrected systematic2 errors. The value is expressed as a circular error at 90% confidence level (CE90)[A1].
• Absolute vertical accuracy is the uncertainty in the height of a pixel with respect to a reference height caused by random and uncorrected systematic errors. The value is expressed as a linear error at 90% confidence level (LE90) [A1].
• Relative vertical accuracy is specified in terms of the uncertainty in height between two points (DEM pixels) caused by random errors. The corresponding values are expressed as linear errors at 90% confidence level (LE90) [A1]. The reference area for two height estimates is a 1° x 1° area, corresponding to approximately 111 km x 111 km at the equator.

SRTM、ASTER、ALOS、TanDEM-X等常用免费数字高程模型（DEM）基本信息汇总相关推荐

常用的数字高程模型（DEM）数据介绍，附免费下载
常用的数字高程模型(DEM)数据: ETOPO(1.8千米) ETOPO是一种地形高程数据,由NGDC美国地球物理中心发布,与大多数高程数据不同的是,它还包含海底地形数据. SRTM15(450米) ...
全球免费下载高程DEM数据整理
首先明确两个概念:DEM和DSM DEM是Digital Elevation Model数字高程模型,描述地表起伏形态特征的空间数据模型, DSM是Digital Surface Model数字地表模 ...
DEM数据下载链接（ASTER GDEM、SRTM、ALOS PALSAR DEM）
ASTER GDEM.SRTM 免费DEM数据(ASTER GDEMV.SRTM90米.SRTM30米.GLS 2005 DEM.TanDEM)下载方式总结 (qq.com) 中国DEM数据-SRTM ...
DEM数据(ASTER GDEM|SRTM|GLS2005|ALOS DEM|NASA DEM)下载
ASTER GDEMV3.ASTER GDEMV2.ASTER GDEMV1 -30m SRTM90米.SRTM30米.GLS 2005 DEM 30m.TanDEM 90m.GTOPO30 1km ...
网上常用免费WebServices集合
网上常用免费WebServices集合天气预报Web服务,数据来源于中国气象局公用事业 http://www.webxml.com.cn/WebServices/WeatherWebService ...
Alos PALSAR 12.5米免费DEM下载教程
Alos PALSAR 12.5米免费DEM下载教程 ALOS 12.5米数据简介 2. 下载 2.1 搜索数据 2.2 下载数据 3. 使用数据 ALOS 12.5米数据简介 ALOS 12.5m ...
国内常用免费公共DNS服务（整理）
国内部分常用免费公共DNS服务整理 (2021-09) DNS服务名称首选备选 114DNS服务 114.114.114.114 114.114.115.115 阿里DNS服务 223.5.5.5 ...
国内常用免费邮件POP3和SMTP设置
国内常用免费邮件POP3和SMTP设置邮箱Foxmial ,Outlook等客户端设置网易邮箱 POP3 和 SMTP 服务器地址设置如下:邮箱 POP3 服务器(端口110) SMTP 服务器(端口 ...
java ee有哪些工具_JavaEE开发中最常用到的技术和工具汇总
原标题:JavaEE开发中最常用到的技术和工具汇总今天千锋广州小编给大家来介绍一下关于目前JavaEE开发中最常用到的技术和工具的介绍,下面我们一起来看一下吧. 项目管理:Ant,项目管理事实上的标 ...

SRTM、ASTER、ALOS、TanDEM-X等常用免费数字高程模型（DEM）基本信息汇总

SRTM、ASTER、ALOS、TanDEM-X等常用免费数字高程模型（DEM）基本信息汇总相关推荐

最新文章

热门文章