管理高程数据：第 1 部分：关于高程数据

在开始学习管理和分发高程数据的工作流程之前，您需要首先了解有关该数据的各种注意事项。本工作流程分为三个部分。第一部分讨论高程数据。第二部分讨论数据管理计划以及要考虑的问题。第三部分引导您完成管理和发布高程数据的各个步骤。

地面与表面高程

需要两种基本高程表达方式对大多数用户提供支持：地面高程和表面高程。地面高程有时称为裸露地表或光秃大地或数字高程模型 (DEM)，而表面高程通常由地球及其表面的事物定义，包括建筑物、树冠、桥梁等。表面高程有时称为数字表面模型 (DSM)。有些人也使用数字地形模型 (DTM) 术语来指称直接从点存储并建模的 DEM 数据。

通常，航空影像的正射校正需要 DEM，而 DSM 则多用于视域计算。

第四种表达是水文地理强化型 DEM。这是 DEM 的特殊情况，根据严格的方法和质量检查而开发以用于水文建模，如水流的计算机建模。这种类型的 DEM 对大多数组织或应用都不适用，但将在此工作流程的其余部分涉及相关内容时提到。

水体的表示

水体可以用不同的高程模型表示。具体如何表示通常取决于用户的需要。典型的选项包括：

1. 水是平面 - 例如，对于简单的可视化而言，所有湖泊和海洋都应出现在其正常的水位上。在某些情况下，水体可能会归一化为高程值为零。这通常用于正射校正。
2. 水地下有效 - 例如，对于水文建模而言，土木工程师可能想要了解不含水的河流盆地的地形。因此，DEM 包括深海探测数据。
3. 水是 NoData（因为其不是地面）- 例如，应用程序需要土地面积的精确计算。

对于大多数应用程序而言，第一种情况是首选的解释。

椭圆体高度与正高

数据管理员需要了解的其他数据属性是椭圆体高度与正高。椭圆体高度是指高于或低于理想化表面的高程值，理想化表面的情况下地球的形状近似为简单椭球体。椭圆体的一个示例为 WGS 84，但同时也会使用其他各种不同的椭圆体。

椭圆体是一个非常光滑的表面，而且可能与当地海平面（由大地水准面模型定义）存在巨大差别，了解这一点很重要。现代定位技术（如航空摄影、激光雷达、地形雷达以及基于地面的测量中大量使用的卫星轨道定位和 GPS）通常会相对于参考椭圆体来执行所有测量。

正高是指高于或低于大地水准面模型表面的高程值；大地水准面近似于当地海平面。尽管大地水准面也是相对平滑的数学表面，但其包括的变化比椭圆体多得多（由重力上的局部不同所导致）。对于传统（基于非卫星）的测量方法，通常相对于大地水准面（当地海平面）执行所有测量。

• 椭圆体高度通常用于基于 GPS 数据的应用程序和卫星影像的正射校正，而航空摄影使用哪种取决于用于外部方向的基准面。外部方向可以是正高方向（如果使用地面站数据生成项目的控件），也可以是椭圆体方向（如空降 GPS + IMU）。在后一种情况中，将需要椭圆体地面高度才能支持正射校正过程。
• 正高通常用于测量、水文、农业和土地管理中。

需要对大多数高程数据集进行处理以报告正高，但数据管理员必须了解其中的差别并确认输入数据中所提供的内容。另外，很可能需要提供这两种格式的高程数据，这就需要一个转换过程。

有关详细信息，请参阅 http://www.ngs.noaa.gov/GEOID/PRESENTATIONS/2007_02_24_CCPS/Roman_A_PLSC2007notes.pdf。

对于大多数情景而言，建议为正高配置基础高程服务，然后在需要椭圆体高度时，可以应用函数（使用适合的大地水准面）来计算椭圆体高度服务。以下链接提供了一些示例：

• 在 ArcGIS 中使用大地水准面 (EGM96) 将正高转换成椭圆体高度
• 专用于 EGM2008 的博客：使用 EGM2008 将正高转换成椭圆体高度。

高程测量值的精度

有两种与遥感数据和制图相关联的常规值定义数据的精度：圆形误差和线性误差。水平空间精度是某一指定百分比置信度下数据集水平坐标的圆形误差。垂直空间精度由某一指定百分比置信度下数据集垂直坐标的线性误差定义，例如高程测量值。基本上，精度由某个值来自值 true 的概率分布来测量。90% 置信度的精度表示 90% 的定位精度将等于或小于报告的精度值。

可查看元数据中的项目，例如 CE90，这表示它是 90% 的圆形误差的测量，通常将具有与其相关联的值，而 LE90 则表示 90% 的线性误差。您也可以查看垂直误差（垂直方向上的线性误差）的 VE。例如，SRTM 数据通常报告为具有 VE90 = 16m，表示垂直测量值的 10% 在某一点上可能从正确的垂直测量值偏离大于 16m（考虑纬度、经度和高度误差）。

美国国家制图标准自 1947 年出台。例如，“对于发布比例大于 1:20,000 的地图，不超过 10% 的测试点的误差应在 1/30 英寸以内。这些精度的限制将仅用于明确点的位置的所有情况，例如，界标或标志、道路的交叉点等。”（美国预算局，1947年）。随着时间的推移，逐渐采用了一些新的标准，最近的标准是 1998 年由联邦地理数据委员会 (FGDC) 发布的标准。例如，要报告 95% 置信度下要素在 1 米精度上的分类，则数据的精度必须小于或等于 1 米。这些测量值的主要区别是标准不再基于使用比例的测量。您可能也注意到，测量值变得更加精确 - 从 CE90 变为 CE95。

参考书目：

1. Federal Geographic Data Committee, 1998, Part 2, Standards for Geodetic Networks, Geospatial Positioning Accuracy Standards, FGDC-STD-007.2-1998:Washington, D.C., Federal Geographic Data Committee；
2. Principles of Error Theory and Cartographic Applications by C.R. Greenwalt and M.E. Shultz, ACIC Technical Report No. 96, Aeronautical Chart and Information Center, St. Louis, 1968 (reprinted)；
3. U.S. Bureau of the Budget, 1947, United States National Map Accuracy Standards:U.S. Bureau of the Budget, Washington, D.C。

数据源

共有三种基本数据类型。

1. 公共数据（免费，通常来自政府）
2. 从提供现成产品的制图供应商采购的数据
3. 由组织生成的专有数据（通过内部源或通过制图服务提供商的合同）

这些数据源或其他数据源可能通过 Internet 以服务或可下载数据的形式提供高程数据。组织可考虑使用该服务，而相关联的工作流程会假定数据管理员正在使用内部的本地存储数据。

公共数据

下面的表列出了公共域高程数据的若干源。

• GTOPO 是全球的高程数据集，具有 30 弧秒（近似值 1 km）的分辨率，可从 http://www1.gsi.go.jp/geowww/globalmap-gsi/gtopo30/gtopo30.html 下载。
• ETOPO 是 1 弧分的地球表面的全球地貌模型，集成了土地地形和海洋探测，可从 http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html 下载。
• Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) 是将由 USGS 提供的三种不同分辨率（近似值为 1000 米、500 米和 250 米）的一系列产品。有关详细信息，请参阅 http://pubs.usgs.gov/of/2011/1073。
• 航天飞机雷达地形测绘使命 (SRTM) 是这样的一种接近全球范围的高程数据：该高程数据从航天飞机获取，来生成地球最完整的高分辨率数字地形数据库。可从 http://srtm.usgs.gov/index.php 下载。
• 高级星载热发射和反射辐射仪 (ASTER) 是美国国家航空航天局 Terra 卫星上的仪器，通过处理此传感器中的立体影像来生成 83N 和 83S 纬度之间具有 30 米定位的几乎全球数字-高程模型。可从 http://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp 下载。
• 国家高程数据集 (NED) 由美国的 USGS 创建。全国范围内，分辨率为 1 弧秒、1/3 弧秒 和 1/9 弧秒（在限制区域）时 NED 数据可用。可通过 http://ned.usgs.gov/ 了解相关信息。
• 大地水准面模型，如 EGM96 和 EGM2008。（ArcGIS 中构建的大地水准面是 EGM96 的近似）
• Esri 提供了大量底图图层（例如晕渲地貌）并在 ArcGIS.com 上承载全球范围的免费高程服务，包括上述公共域数据源。有关当前信息，请检查 http://www.arcgis.com/。

采购

以下是一些私营企业，他们以预处理（现成）产品的形式或根据需要自定义采集项目来提供（收费）高程数据：

• Intermap (www.intermap.com/)
• SPOT (http://www.spot.com/)
• FUGRO (http://www.fugro.com/)
• …以及许多私营测量企业

组织数据

第三个可能的高程数据源是在您自己的组织中开发。可使用内部功能（如地面测量团队）或其他技术（如摄像测量或激光雷达）在内部生成。或者您所在组织可通过自定义合同来收购数据。

系统类型作为数据源

除了“我们的组织可从哪里获得高程数据？”，这对数据管理员了解传感器系统的类型或提供高程数据的技术非常重要。在此不打算详细讨论技术，但使用高程数据的组织可能需要了解一些有关航空或卫星平台中地形制图的当前技术基础知识，例如摄影测量、雷达和激光雷达。

摄影测量

摄影测量的介绍可在 www.geodetic.com 找到。数据管理员要了解的有关摄影测量的重要概念包括：

• 摄影测量可用于生成由立体航空摄影覆盖的区域的高程模型。
• 如果可行，高程数据也可用作摄影测量流程的输入，来对影像数据执行校正。
• 在森林茂密的区域，无法在影像中观测裸露地表，生成的高程模型可能表示树冠的顶部 (DSM)，或者裸露地表 DEM 可能仅仅是估计表面。

航空激光雷达

激光雷达的介绍可在 http://en.wikipedia.org/wiki/LIDAR 找到。

数据管理员要了解的有关激光雷达数据的重要概念包括：

• 激光雷达可从各种平台收集，包括卫星、航空或移动或静态的地面平台。
  • 对于地形制图而言，航空激光雷达是最常见的。
  • 地面激光雷达系统在获得城市、建筑物（外部和内部）以及其他结构的 3D 数据方面越来越常见。（地面激光雷达数据通常不适用于此高程工作流程的环境，但随着时间的推移，可能会改变。）
  • 指定的激光雷达系统也可用于深海探测制图（请参阅以下内容）。
• 激光雷达（原来）是以点云形式存储的无栅的 3D 数据。通常将其进行处理以创建栅格表面（DEM 或 DSM）。
• 激光雷达是活动的传感系统 - 不依赖于阳光即可操作。但是，许多现代的激光雷达系统包括数码相机系统。
• 激光雷达已证明是针对获得 DSM 和 DEM 高程数据的最成功的技术。尽管激光雷达信号无法穿透树冠，但是激光扫描的高分辨率可有效地穿过树冠中的定期空隙，以收集裸露地表 DEM 的相对完好的表示。
• 有关 ArcGIS 10.0 中将激光雷达数据转换为高程表面的信息，请参阅博客：ArcGIS 第二部分：由大型激光雷达点创建栅格 DEM 和 DSM 中的激光雷达解决方案。
• ArcGIS 10.0 中激光雷达工具和应用程序的全面回顾位于 ArcGIS 中的激光雷达解决方案的介绍中。
• 关于针对林业应用程序在 ArcGIS 10 中的激光雷达分析详细信息的白皮书。

雷达和雷达摄影测量

雷达地形制图的介绍可在 http://www.intermap.com 中找到。

数据管理员要了解的有关雷达地形制图的重要概念包括：

• 雷达制图系统处于活动状态（不需要日光，这与航空摄影不同）且波长可穿透云层。这使得雷达在热带气候中是有效的，也适用于扩展的操作（清晨、傍晚或者甚至黄昏以后）。
• 雷达波长会导致限制。例如，水平和垂直精度通常以米或分米来测量，而激光雷达之类光学系统用厘米来测量。
• 由于波长，一些雷达系统可部分穿透植被（但代价是精度较低），而具有更高精度的其他雷达却无法穿透植被（因此虽然可以生成数字表面模型，但在森林茂密地区创建数字高程模型非常困难）。
• 原始雷达数据需要专门的处理才能生成 ArcGIS 中不可用的高程数据。

声纳

对于湖泊或海洋中子表面几何的深海探测制图来说，声纳是常见的技术。有关背景相关信息，请参阅 http://en.wikipedia.org/wiki/Bathymetry。

数据管理员要了解有关使用声纳的地形制图的重要概念包括：

• 声纳系统的水平分辨率和垂直精度小于其等效的陆地测量。
• 在深海探测数据结束处和陆地高程数据集开始处之间的海岸线上通常存在空隙。这种潮汐/海岸线地区可能需要特殊的处理才能避免 NoData 空隙。

航空激光雷达也可用于深海探测制图。请参阅 http://gcmd.nasa.gov/records/GCMD_USACE_SHOALS.html。

数据结构

浮点型数据与整型数据

高程数据基于点采样，通常需要插值法来评估缺少样本的高程区域。高程值通常以浮点型格式存储，尽管有些小比例的数据（如 SRTM）以整型格式存储。数据管理员应了解数据类型。

在大多数情况下，分析或可视化产品的结果可用整型格式的图像交付，而使用高程数据值的用户和应用程序需要浮点型数据。（有关详细信息，请参阅第二部分中的描述。）

使用整型数据（在适当情况下）的优点有：

• 降低数据量（每个样本有 8 位或 16 位，而浮点型数据有 32 位）
• 更易压缩（处理更快速，压缩比更高）

但请注意，如果使用了整型高程值，那么它有一个缺点，即由于四舍五入导致在某些产品（例如山体阴影）中可能出现台地（阶地）。以下的示例介绍了由山体阴影产品中具有阶地的 SRTM 数据表示的区域。

分块中提供了若干数据。如果可控制如何将数据分块，建议分块中至少有 1 个像素的重叠。

典型格式

Esri 为存储和最有效提供栅格高程的建议格式是使用分块的 TIFF 32 位浮点型格式和 LZW 压缩。此格式最早用于使用和维护，同时也提供了最好的性能。可能遇到的其他格式包括：

• ESRI GRID - 这是较早的格式，不再建议用于存储高程数据。数据管理员应考虑转换到 TIFF，以在服务器环境中提高性能。
• FLT - 浮点型二进制简单格式 - 与 32 位浮点型 TIFF 文件相似，但没有标头。这不是分块的格式，建议仅在小范围中使用。
• ASCII DEM - 这是纯 ASCII 数据文件，可以是规则的栅格结构或不规则的格网化数据。在后一种情况中，文件明确列出 x、y、z 值。它对存储、读取和写入操作的效率很低，但其是通用的存储格式。强烈建议将此数据转换为 TIFF 以提高性能。
• ERDAS 中的 IMG - 可以将高程数据存储为 ArcGIS 支持的 IMG 格式。
• BAG（深海探测属性格网）- 此格式用于深海探测数据，在 ArcGIS 10 中受到部分支持。本软件能正确地读取栅格高程数据，但不完全支持所有格式的组件（如黄金点）。有关格式规范的信息，请参阅 http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/bathymetry/noshdb/ons_fsd.pdf。
• DTED（数字 terrain 高程数据）- 这是具有关于高程数据的分辨率和精度的特定方面的格式规范，由 NGA（美国国家地理空间情报局）定义。DTED 格式数据通常会得到充分执行；因此，不需要转换。请从 https://www1.nga.mil/ProductsServices/TopographicalTerrestrial/DigitalTerrainElevationData/Pages/default.aspx 参阅有关格式的信息。
• Esri 的 terrain 数据集 - terrain 数据集是一种多分辨率的基于 TIN 的表面数据结构，它是基于作为要素存储在地理数据库中的测量值构建而成的。通常，terrain 数据集通过激光雷达、声纳和摄影测量源进行构建。Terrain 存储在地理数据库的要素数据集中，其中包含用于构建 terrain 的要素。必须将它们转换为栅格数据集 - 建议采用 TIFF。有关详细信息，请参阅什么是 terrain 数据集。

注：

ArcGIS 10.1 将直接支持 LAS 文件和 terrain 数据集中的高程数据（从而无需转换为栅格）。

不规则的高程数据

本文档的重点是以栅格（格网）格式存储的高程数据；该格式通常是高程数据的最终用户所需的格式。但是，数据管理员需要知道以不规则格式存储的数据。其中一个示例是三角插值网络 (TIN)。此不规则格式通常用于存储高程数据，特别在组织收集和维护其自己的高程数据时，因为此格式可以保留原始数据（例如，以 3D 表示的精确的高程点样本）。另一种格式是 terrain 数据集（如上所述）。可将其可视化为 TIN 格式。有关详细信息，请参阅在 ArcGIS 中显示 terrain 数据集。