管理高程数据第 1 部分：关于高程数据

在开启工作流以实现高程数据的管理和传播之前，您需要先了解许多有关数据的内容。该工作流共分为三个部分。第一部分论述高程数据。第二部分论述数据管理计划和要考虑的问题。第三部分引导用户完成用于管理和发布高程数据的各个步骤。

地面高程与表面高程

要支持大多数用户，需要两种基本的高程表示：地面高程与表面高程。地面高程有时也称为裸露地表、秃地表或数字高程模型 (DEM)，而表面高程通常由地表及其上的要素定义，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)。有时也使用数字地形模型 (DTM) 一词来表示直接通过点进行存储和建模的 DEM 数据。

通常，DEM 用于航空影像正射校正，而 DSM 应该用于视域计算。

第四种表示是强化水文的 DEM。这是 DEM 的特殊情况，它基于水文建模中所使用的严格方法和质量检查（如水流的计算机建模）开发而成。此类 DEM 在许多组织或应用中并不适用，但是会在本工作流的其余部分中适用的情况下有所提及。

水体表示

在高程模型中，水体可以不同的形式表示。其表示形式通常取决于用户需求。典型的选项包括：

1. 水面为平坦表面 - 为了进行可视化，所有湖泊和海洋都应以其正常水位显示。某些情况下，可将水体归一化为高程值为零。这通常用于正射校正。
2. 水面以下有效 - 例如，土木工程师可能需要了解没有任何水体的河流盆地的地形，才能进行水文建模。
3. 水体为 NoData（因它不是地面） - 例如，对于需要精确计算土地面积的情况。

对于大多数应用来说，第一种情况往往是首选。

椭圆体高度与正高

数据管理者需要了解的另一种数据属性是椭圆体高度与正高。椭圆体高度是指在理想化表面（将地球形状近似于椭球体）上方或下方的高程值。例如，椭圆体 WGS 84，不过，也可以使用多种不同的椭圆体。

值得注意的是，椭圆体是一个非常平滑的表面，并且会根据当地海平面（由大地水准面模型定义）的不同而有很大差别。通常，现代定位技术（例如，在航空摄影、激光雷达和地形激光雷达中得到广泛应用的卫星轨道定位和 GPS，以及基于地面的测量技术）的所有测量都是相对于参考椭圆体进行的。

正高是指在大地水准面模型表面上方或下方的高程值；大地水准面近似于当地海平面。虽然大地水准面也是一个相对平滑的数学表面，但是与椭圆体相比，它包含更多的变化，这是由重力的局部差异引起的。通常，对于传统（不基于卫星）测量方法，所有测量都是相对于大地水准面（当地海平面）进行的。

• 椭圆体高度通常用于基于 GPS 数据的应用，以及卫星影像的正射校正，根据外部方向所使用的基准面，航空摄影也可以使用椭圆体高度。外部方向可以使用正高（如果通过地面站数据生成投影控制）或椭圆体高度（如航空 GPS + IMU）。在后一种情况下，需要椭圆体地面高度来支持正射校正过程。
• 正高通常用于测量、水文、农业和土地管理。

大多数高程数据集经过处理后可报告正高，但是数据管理者必须了解其差别并确定输入数据中提供的内容。此外，很可能需要同时提供这两种格式的高程数据，因而需要转换过程。

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

在大多数情况下，建议为正高配置基础高程服务，如果需要椭圆体高度，则可使用函数（使用合适的大地水准面）来计算椭圆体高度服务。有关使用 ArcGIS 中的大地水准面 (EGM96) 将正高转换成椭圆体高度的详细信息，请参阅将正高转换成椭圆体高度。

高程测量精度

有两个与遥感数据和制图相关联且用于定义数据精度的常见值：圆形误差和线性误差。水平空间精度是数据集的水平坐标在指定置信度百分比下的圆形误差。垂直空间精度由数据集的垂直坐标在指定置信度百分比下的线性误差定义，如高程测量。精度基本上通过值偏离真值的概率分布来衡量。精度为 90% 置信度表示 90% 的定位精度等于或小于报告的精度值。

您可以在元数据中看到一些项，如 CE90；这表示它是圆形误差为 90% 的度量，并且通常具有关联的值，而 LE90 表示线性误差为 90%。还可以看到 VE 表示垂直误差（即垂直方向上的线性误差）。例如，通常将 SRTM 数据报告为 VE90 = 16 米，这表示 10% 的垂直测量值可能偏离某点的正确垂直测量值 16 米以上（考虑纬度、经度和高度误差）。

国家制图标准自 1947 年起开始实施。例如，“对于发布比例大于 1:20,000 的地图，误差大于 1/30 英寸的测试点的数量不应超过 10%，这些精度限制在任何情况下都仅适用于明确定义的点所在的位置，例如，界标、标记、道路交叉点等。”（美国预算局，1947）。新标准不断得到实施，其中最新标准由联邦地理数据委员会 (FGDC) 于 1998 年颁布。例如，要为置信度为 95% 的要素报告 1 米的精度分类，则数据的精度必须小于或等于 1 米。这些测量的主要区别在于标准不再基于使用比例的测量。您还可注意到测量变得更为精确，即从 CE90 变为 CE95。

参考书目：

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

数据源

共有三种基本数据类型。

1. 公共数据（免费，通常来源于政府）
2. 从提供现成产品的制图供应商获取的数据
3. 组织生成的专有数据（通过内部源或与制图服务供应商签订合约获得）

这些数据源或其他数据源可通过 Internet 将高程数据作为服务或可供下载的数据提供。组织可以考虑使用该服务，但是关联的工作流会假定数据管理者正在使用本地存储的内部数据。

公共数据

下表列出了公共域高程数据的一些源。

• GTOPO 是分辨率为 30 弧秒（约 1 千米）的全球高程数据集，可从http://www1.gsi.go.jp/geowww/globalmap-gsi/gtopo30/gtopo30.html 下载。
• ETOPO 是 1 弧分的地球表面全球地貌模型，它集成了土地地形学与海洋测深学，可从 http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html 下载。
• 全球多分辨率地形高程数据 2010 (GMTED2010) 是由三种不同分辨率（大致为 1000、500 和 250 米）的产品组成的套件，将由 USGS 提供。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任务 (SRTM) 是接近全球范围的高程数据，可从航天飞机获得，用于生成最为完整的地球高分辨率数字地形数据库。可从 http://srtm.usgs.gov/index.php 获得。
• 高级星载热辐射和反射辐射仪 (ASTER) 是 NASA 的 Terra 卫星上的一个仪器，此传感器提供的立体影像经处理后可在纬度 83N 和 83S 之间生成以 30 米作为标杆的接近全球范围的数字高程模型。可从 http://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp 获得。
• 国家高程数据集 (NED) 由 USGS 针对美国而创建。目前，美国全国范围内的 NED 数据的分辨率为 1 弧秒、1/3 弧秒和 1/9 弧秒（在限定区域内）。相关信息，请参阅 http://ned.usgs.gov/。
• 大地水准面模型，如 EGM96 和 EGM2008。（ArcGIS 内置的大地基准面近似于 EGM96。）
• 通过 Esri 的世界高程服务，可对多分辨率、多源高程数据、高程数据产品、相关应用程序和其他服务的全球集合进行在线访问。可通过 ArcGIS Beta Community 组对世界高程服务 进行访问。

数据提供者

以下列出的私有公司将高程数据作为预处理（现成）产品提供，或者根据需要通过自定义采集项目提供（两种方式均需收费）：

• Intermap
• SPOT
• FURGO

组织数据

高程数据的第三种可能来源是在组织中开发该数据。这可通过内部功能（例如，土地测量工作组或其他技术，如摄影测量或激光雷达等）在内部生成。组织还可通过自定义合约获取该数据。

提供数据源的系统类型

除了知道“组织可从何处获取高程数据？”之外，数据管理者还有必要了解提供高程数据的传感器系统或技术的类型。这里不对技术进行详细介绍，不过使用高程数据的组织可能需要了解有关目前通过航空平台或卫星平台（例如，摄影测量、雷达和激光雷达）进行地形制图所用技术的一些基础知识。

摄影测量

有关摄影测量的介绍，可参阅 www.geodetic.com。数据管理者需要了解的有关摄影测量的重要概念包括：

• 摄影测量可用于为立体航空摄影所覆盖的区域生成高程模型。
• 还可将高程数据（如果有）用作摄影测量过程的输入，以对影像数据进行校正。
• 在森林密度很高的区域（即在影像中看不到裸露地表），生成的高程模型可能表示树冠顶端 (DSM)，或者裸露地表 DEM 只能是估计表面。

机载激光雷达

有关激光雷达的介绍，请参阅什么是激光雷达。

数据管理者需要了解的有关激光雷达数据的重要概念包括：

• 可以通过多种平台收集激光雷达数据，包括卫星平台、航空平台以及移动或静止的地面平台。
  • 机载激光雷达最常用于地形制图。
  • 地形激光雷达系统越来越常用于获取城市、建筑物（外部或内部）和其他结构的 3D 数据点。（在这种高程工作流环境下，地形激光雷达数据通常并不适用，但这可能会随时间而发生改变。）
  • 专业的激光雷达系统还可用于等深线制图（见下文）。
• 激光雷达数据是以点云格式存储的（最初）未格网化的 3D 数据。通常，激光雷达数据经过处理后可创建栅格表面（DEM 或 DSM）。
• 激光雷达是主动感应系统，不依赖于光照工作。但是，很多现代激光雷达系统都包括用于同步影像采集的数码相机系统，这种系统在夜间条件下不会提供数据。
• 激光雷达无疑是获取 DSM 和 DEM 高程数据最为成功的技术。虽然激光雷达信号不能穿透树冠，但是高分辨率的扫描激光允许在光束能够穿过树冠中的间隙时返回一些信号，从而收集相对优质的裸露地表 DEM 制图表达。
• 虽然激光雷达信号不能穿透树冠，但是高分辨率的扫描激光允许在光束能够穿过树冠中的间隙时返回一些信号，从而收集相对优质的裸露地表 DEM 制图表达。
• 无需将存储为 LAS 文件的激光雷达数据转换为栅格表面，即可将数据添加到镶嵌数据集中。可直接将 LAS 文件添加到镶嵌数据集中。

  了解有关将 LAS 数据添加到镶嵌数据集的信息

• 关于 ArcGIS 10 在林业应用中的激光雷达分析 (PDF)的详细白皮书。

雷达和雷达测量

有关雷达地形制图的介绍，可参阅 http://www.intermap.com。

数据管理者需要了解的有关雷达地形制图的重要概念包括：

• 雷达制图系统是主动系统（与航空摄影不同，不需要光照），其波长可穿透云层。这使得雷达在热带气候和延时操作（清晨、傍晚甚至天黑后）中十分有效。
• 相对于其他电磁频率，雷达使用的固有较长波长会产生一定的限制。例如，雷达数据的水平精度和垂直精度通常以米或分米为单位，而波长较短的光学系统（如激光雷达）以厘米为单位进行测量。
• 根据波长不同，一些雷达系统能部分穿透植被（但是精度会降低），而其他系统精度较高，但是不能穿透植被（因此会生成数字表面模型，但是在森林密度很高的区域创建数字高程模型很困难）。
• 原始雷达数据需要经过特殊处理才能生成 ArcGIS 中未提供的高程数据。

声纳

对湖泊或海洋中表面以下的几何进行等深线制图时，一项常用的技术就是声纳。有关背景信息，请参阅 http://en.wikipedia.org/wiki/Bathymetry。

数据管理者需要了解的有关使用声纳进行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等效地形测量的分辨率和精度。
• 深海探测数据终止处和地形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/海岸线区域可能需要经过特殊处理才能避免出现 NoData 空隙。

机载激光雷达也可用于等深线制图。有关详细信息，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，通常需要通过插值来估算缺少采样的高程区域。高程值通常以浮点型格式存储，但有些小比例数据（如 SRTM）可以整型格式存储。数据管理者应了解数据类型。

大多数情况下，分析结果或可视化产品可作为整型格式的图像提供，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 2 部分中的说明。）

使用整型数据（适当时）的优势包括

• 减少数据量（每个采样占 8 或 16 位，而浮点型数据占 32 位）
• 压缩更简单（处理速度更快，压缩比更高）

但请注意，在使用整型高程值时，有一个缺点：由于采用四舍五入法，某些产品（如山体阴影）中可能会出现阶地。以下示例显示的是 SRTM 数据所表示的区域，其山体阴影产品中出现了阶地。

有些数据以分块形式提供。如果您对数据的分块方式进行控制，建议分块之间至少存在 1 像素的叠置。

典型格式

为了能够最有效地存储和提供栅格高程，Esri 建议使用分块的 TIFF 32 位浮点格式（采用 LZW 压缩）。这种格式最易于使用和维护，同时还能提供最佳的整体性能。

可能会遇到的其他格式包括：

• Esri Grid - 这是在 Esri 软件中存储高程数据的传统格式。不过，数据管理者现在应考虑将此格式转换为 TIFF，以提高在服务器环境中的性能。
• FLT（浮点型二进制简单格式）- 与 32 位浮点型 TIFF 文件类似，但没有标头。它不是分块格式，只建议小范围使用。
• ASCII DEM - 这是一种普通的 ASCII 数据文件，可以是常规栅格结构或不规则格网数据。在后一种情况下，文件将明确列出 x,y,z 值。该格式在存储、读取和写入方面的效率较低，但也是一种通用的存储格式。强烈建议将该数据转换为 TIFF，以提高性能。
• ERDAS IMG - 高程数据可以 ArcGIS 支持的 IMG 格式存储。
• BAG（具有海洋测深学属性的格网）- 该格式可用于深海探测数据，并且在 ArcGIS 10 中得到部分支持。该软件将正确读取栅格高程数据，但是不完全支持所有格式组件（例如，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（数字地形高程数据）- 这是 NGA（美国国家地理空间情报局）定义的格式规范，涵盖了有关高程数据分辨率和精度的特定方面。DTED 格式数据通常会充分执行；因此，不需要进行转换。有关详细信息，请参阅国家地理空间情报局网站。
• Esri 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 数据集利用激光雷达、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。必须将其转换为栅格数据集，建议转换为 TIFF。有关详细信息，请参阅什么是 terrain 数据集。
• HRE（高分辨率高程）- 这是一种相对较新的格式，用于存储高分辨率的高程数据。该格式专门面向美国国家地理空间情报局 (NGA) 和国家地理空间情报系统 (NSG) 的众多合作伙伴和成员以及 NSG 的外部客户，用于访问和利用标准化数据产品。HRE 数据取代了当前的非标准高分辨率地形高程/信息 (HRTE/HRTI) 产品，也取代了 DTED 级别 3 至 6 的非标准产品。
• LAS 格式激光雷达数据 - 该格式支持三维点云数据，且由美国摄影测量与遥感协会 (ASPRS) 设计。该数据本身受镶嵌数据集支持，也可通过创建 LAS 数据集来支持该数据。

不规则高程数据

高程数据通常以栅格格式进行存储；不过，数据管理者需要注意以不基于像元的不规则格式存储的数据。例如，三角插值网络 (TIN)。这种不规则格式通常用于存储高程数据，尤其是在组织收集和维护自身高程数据的情况下，因为这将保留原始数据（例如，3D 中的精确高程点采样）。另一种格式是上述的 terrain 数据集。该数据可显示为 TIN。有关详细信息，请参阅在 ArcGIS 中显示 terrain 数据集。