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构建三维世界:高程数据的共同来源

天基雷达的优势

通过卡西姆·阿卜杜拉,Joseph Seppi. • 2021年4月29日

随着对高程数据的需求不断增加，用户必须将数据的可靠性、准确性和分辨率水平与其具体应用相匹配，以获得适当且具有成本效益的产品。本文概述了高程数据的常见来源，包括天基雷达，并有助于对数据质量和准确性进行分类。

在过去的十年左右，地理空间映射有一个范式偏移：地图已成为三维。这是行业内的巨大变化，因为许多专业人士都记得这几天，不久前，当地图平均而且软件产品的常用套件无法支持创建3D地图所需的高程数据。它也是行业外的巨大变化。在过去的几年里，世界各地的各种组织 - 包括工程公司，科学家，应急响应者，基础设施规划者，交通部门，运输部门 - 越来越多地开始使用高程数据来支持本地的应用程序，188asia备用网址国家和国际需求。

海拔数据通常与位置情报以及其他人口、经济、环境和政治数据一起使用，为政策、支出和投资相关决策提供信息。这些数据正在推动创新，因为它支持下一代工具，如工程设计的增强现实，以及城市和环境建模的数字双胞胎。

随着应用和效益的不断发展，对高程数据的需求将继续上升。然而，就像它创建的地图是多维的一样，高程数据质量和位置精度也是多层次的。所有级别的数据都有各自的用途，但重要的是要将这些数据的应用与所需的可靠性、准确性和分辨率相匹配，以获得合适的、具有成本效益的产品。

高程数据的分类

分辨率越高，表示地形的高程数据越精确。同样，分辨率越高，获取和处理数据的成本就越高。那么，如何平衡准确性和成本呢？虽然没有国际标准对高程数据的质量和准确性进行分类，但本文试图提供一种分类方案（另见表1）。

覆盖全球高程数据

可公开获取的全球覆盖高程数据具有低分辨率和低位置精度的特点。这些数据对于区域环境建模非常有用，特别是在世界上不存在高分辨率数据的地区。这些数据大部分是使用天基雷达生成的。尽管天基雷达产品的质量和定位精度无法与航空激光雷达相比，但天基雷达产品具有独特的优势——它们可以在全球任何时间、任何地点、从一个极点到另一个极点的任何天气下生产。

天基雷达还可以测量地面高度的相对变化，精确到毫米级。这对监测地面高程变化非常有价值，这对定量土壤沉降、极冰厚度和类似应用非常重要。测量地形高程的高精度是相对的，不应与产品的绝对精度相混淆，因为它并没有达到那个精度水平。

天基方案的突出例子

1)政府卫星雷达计划
NASA的航天飞机雷达地形测量任务（SRTM）：这是一项国际研究工作，获得了近全球范围内56°s至60°N的数字高程模型（DEM）。当时，它们使用高分辨率高程数据生成了最佳全球覆盖范围。SRTM使用成像雷达，该雷达在2000年2月为期11天的STS-99任务期间从奋进号航天飞机收集图像。为确保单通道立体（即雷达干涉测量）覆盖，SRTM配备了相隔60米的双C/X波段天线。全球SRTM覆盖范围为1弧秒（~30米）和3弧秒（~90米），可在美国地质调查局（USGS）网站上获得。图1显示了田纳西-弗吉尼亚边界上1弧秒数据的示例。在美国地质调查局进行的一项研究中，发现SRTM垂直精度的均方根误差（RMSE）范围在3到5米之间，具体取决于地面覆盖类别。

图1:航天飞机雷达地形任务在1角秒内存在于田纳西-弗吉尼亚边界。(图片由美国地质调查局)

RADARSAT:1995年，MDA为加拿大航天局建造了一颗天基合成孔径雷达(SAR)卫星RADARSAT-1，为加拿大的政府号卫星提供加强的监视、监测和管理加拿大的沿海和北极地区、渔业、冰冻水道、农业土地、自然资源、气候和脆弱的生态系统，以及支持高度作战防御能力和全球救灾努力。紧随RADARSAT-1之后的是RADARSAT-2，最近的是RADARSAT星座任务(RCM)，于2019年6月发射。RCM是一种c波段SAR，其地面分辨率可达3米。

ASTER全球数字高程模型(GDEM): 2009年，美国国家航空航天局(NASA)与日本经济产业省(METI)合作，利用覆盖83°N至83°S之间所有陆地表面的立体图像开发了GDEM。他们使用先进的星载热发射和反射辐射计(ASTER)来完成这项工作。ASTER是美国宇航局Terra宇宙飞船上的五个仪器之一，是为日本经济产业省建造的。一个美日联合科学团队负责仪器的设计、校准和数据验证。最新版本GDEM2提供1弧秒(~30米)网格。美国地质调查局的一个小组根据GPS基准验证了GDEM2在CONUS上的垂直精度，发现RMSE约为8.68米。2019年8月5日，GDEM3发布，质量增强，但垂直精度改善甚微。GDEM的水平精度约为72米。

先进陆地观测卫星（ALOS）World 3D：2006年1月，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）发射了ALOS“DAICHI”，该卫星在任务运行中一直使用到2011年5月。ALOS数据作为全球数字地表模型（DSM）免费提供，水平分辨率约为30米（1弧秒）。它是由ALOS上的光学传感器使用全色遥感立体制图仪（PRISM）制作的。ALOS World 3D收集高分辨率数据，生成像素大小为5米乘5米的DSM。该ALOS 5米DSM被认为是最精确的全球比例尺高程数据。

美国宇航局ICESat-2：2018年9月15日，美国宇航局发射了冰、云和陆地高度卫星-2或ICESat-2。这颗卫星测量地球上冰盖的高度，精确到一英寸左右。尽管先进地形激光高度计系统（ATLAS）是ICESat-2上的激光传感器，其设计目的是测量极地海冰和陆地冰的变化，但ICESat-2以大约17米的地面分辨率收集从极点到极点的所有水域和陆地的高程数据。此映射功能支持世界各地用户的多个应用程序。ICESat-2数据可用于在清澈的沿海水域进行深度达25米的水深测量。这些数据提供了沿轨道通过地面轨道的全球覆盖范围。然而，轨道数据以100米的间隔提供，这使得它非常适合于验证偏远地区的地形高程。研究人员证实，ICESat-2数据的准确度在开阔、中等坡度地形下为0.20m，山区地形下为2m。

2） C商业卫星雷达:天基SAR在绘制飞机无法到达的地理区域地图方面非常有效。它允许对特定地理区域进行更长时间的侦察，因为它是一种全天候传感器，可以白天或晚上工作，并且可以穿透云层。虽然大多数天基雷达收集是为政府、国防和情报目的而设计的，但一些商业系统可供公众使用。通过空中客车公司销售的欧洲航天局（ESA）空间技术提供了一系列产品，包括TerraSAR-X、TanDEM-X和PAZ。空中客车公司通过其OneAtlas门户网站在商业上提供一套质量和精度各异的基于卫星的数字地形模型（DTM）。空中客车公司提供基于雷达的DTM，分辨率从25厘米到40米不等（图2）。

3）卫星测深（SDB）:这是绘制淹没区域的最实际创新之一，无需动员专门的沐浴传感器或飞机。它是一种迅速且价格合理的浅层碱基数据。虽然它是由NASA和Jacques CoSteau于1975年推出的，在1975年映射到巴哈马周围的水下，佛罗里达州的海岸地图，它并未成为确定沿海地区的浴池的流行手段，直到2000年。SDB利用基于物理的辐射转移模型,i.e. ocean optical properties, to estimate near-shore bathymetry elevation values using published algorithms and readily available satellite imagery acquired from Landsat 8, SPOT or WorldView from DigitalGlobe. Coastal, blue, green and infrared bands are used to derive band/ratio elevation profile estimates, as seen in Figure 3. Valuable information on SDB developments can be obtained from the international Satellite-Derived Bathymetry Technology and User Forum. Commercial services are available from businesses such as EOMAP.

图3：卫星测深用于填补本次浅水水深测量中的空白。（图片提供：卫星测深技术和用户论坛）

还可能有其他商业天基方案以付费方式提供全球数据，此处未提及。

区域和局部覆盖高程数据

局部覆盖高程数据为：

更高的分辨率和比全球覆盖的数据更准确。
通常由私人或公共机构拥有，不与公众共享。
在美国的美国地质勘探局三维高程计划（3DEP）之外，大多数项目不是免费提供的。一些国家计划可能会免费提供数据供公众使用。
使用两种主要方法生成：激光雷达和摄影测量。成像雷达也在世界范围内有限规模地用于收集高程数据。SAR在全天候绘制密集树冠下的地形图方面非常有效。然而，与激光雷达技术相比，SAR数据的分辨率和精度较低。

高程数据的摄影测量来源

直到20世纪90年代中期激光雷达被引入，立体摄影测量方法是生成精确和详细的地形和人工特征的三维模型最常用的方法。19世纪末，摄影测量学的基本概念首次传入欧洲^th世纪。在美国，已知最早的摄影测量应用是1862年由联邦军队引入的。

这一过程从获取载人或无人飞机的重叠图像开始。然后，利用立体摄影测量原理，或通过计算机视觉和图像匹配来获取点云，用这些图像手工编制地图。根据图像的规模和应用的过程，定位精度可以低至亚厘米。高分辨率和准确的dms通常通过立体摄影测量编制，其中断裂线和三维质量点用于建模的地形。

图4：康涅狄格州哈特福德上空收集的空中激光雷达数据，点密度为32pts/m2。（图片由美国地质勘探局提供）

基于LIDAR的高程数据

近年来，激光雷达由于其精度和详细的表面模型而成为高程数据的事实来源。与摄影测量方法相比，激光雷达具有以下优点：

由于它是一个主动传感器，可以产生自己的光线，它可以日夜使用。这扩大了机会的窗口，使其获取比依赖阳光的摄影测量方法更多产和更灵活。
它可以透过树木和厚厚的树冠看到，而在摄影测量图像中，树木阴影和树冠遮住了森林地面。
它提供了非常密集的点云，每平方米包含数百或数千个点，从而产生了详细的表面模型(见图4)。尽管这是可能的，但使用立体编译DTM实现这种点密度的成本太高。新的图像匹配摄影测量方法可以生成这种点密度，但由于植被区域图像的缺陷，其质量不如激光雷达点云，如上所述。

激光雷达数据可以从各种平台获取，从高空、固定翼、有人和无人飞机到移动车辆和固定三脚架。数据质量和准确性根据用户的要求而变化。固定和移动激光雷达以每平方米数千个点的密度收集数据，精度低至亚毫米。在美国，USGS 3DEP计划免费提供激光雷达数据的半大陆覆盖（见表2和表3）。

许多市政当局和工程公司雇佣地理空间专业服务公司在他们的地区或项目上获取高密度激光雷达。移动激光雷达系统通常用于道路设计和道路基础设施清查，因为移动激光雷达系统的数据具有最高的分辨率和精度(见图5)。移动激光雷达系统数据的垂直精度在0.5cm到2cm之间。

测量人员利用地面激光雷达，其中激光雷达系统安装在三脚架上，以建模建筑内外，以支持建筑信息建模(BIM)，如图6所示。地面激光雷达数据的垂直精度为毫米级。与此同时，如图7所示，通过无人机系统(UASs)收集的激光雷达越来越普遍。这种激光雷达采集方法对于那些太小而不能由有人驾驶飞机有效收集的项目是非常有用的。

图5:俄亥俄州代顿郡线公路部分地区的移动激光雷达数据(图片来源:Woolpert)

结束语

如今，经济发展与各国对数字革命的接受程度密切相关。定义这场革命的3D地理空间技术，最好的代表是GNSS和定位技术、地理信息系统(GIS)、地球观测卫星、航空和地面图像，以及激光雷达和雷达等主动传感器技术。除了对各国经济的重要性，地理空间信息还与现代社会赖以生存的基于位置的次革命紧密相连。如今，每个人都依赖于准确的位置信息，但位置不再是二维的。人们已经习惯了第三维度，即高程数据，在设计项目、模拟海平面上升和风暴潮的影响、预测洪水和模拟径流等方面的好处和能力。