海洋數值模型常用地形數據概述

侯京明，高義，李濤

（國家海洋環境預報中心，北京 100081）

1 引言

隨著全球氣候的變暖，海洋災害日漸頻繁，世界各國加快了認識海洋的步伐，各種海洋現象的數值模擬成為了海洋研究的熱點，目前常用的數值模型主要包括海流模型FVCOM、海浪模型SWAN和WAVEWATCH、風暴潮模型ADCIRC以及海嘯模型COMCOT等等。地形數據在各類數值模擬過程中具有重要的作用，尤其對我們最為關注的近岸區域的數值模擬精度影響顯著。大尺度的地形數據，尤其是水下地形數據的獲取很難通過實測來實現，但是目前的遙感技術以及數據共享機制給科學數據的獲取帶來了便利。本研究通過數據共享的方式收集整理了各家機構公開的地形數據，并對比分析了各種數據的優缺點，以期為海洋過程數值模擬研究提供科學參考。

2 常用地形數據基本情況

目前較為常用的地形數據主要包括ASTER GDEM、SRTM DEM、GTOPO30 DEM、ACE2、ETOPO、GEBCO等，各類數據具體情況如下。

2.1 ASTER GDEM

ASTER GDEM[1]數據是通過搭載在Terra衛星上的高分辨率地表圖像傳感器Aster儀器測得，Terra衛星是美國地球觀測系統（EOS）的一個組成部分，衛星于1999年12月18日發射升空，它環繞在地球近極地軌道，高度700多千米，軌道和地球自轉方向垂直。Aster由日本國際貿易和工業部（METI）和美國宇航局（NASA）合作開發，探測的區域能組成一幅完整的地球圖像。2009年第一版的GDEM數據公布，最新第二版數據產品于2011年10月發布。數據空間參考采用EGM96和WGS84投影坐標系，空間分辨率為1弧度秒（約30 m），數據格式為GeoTIFF，該數據只有陸地區域高程數據，海域部分高程以0值作為掩膜，其高程數據精度在95%的區域為±20 m[2]。圖1為我國長江口區域的GDEM數據。

2.2 SRTM DEM

SRTM[3]（Shuttle Radar Topography Mission）是美國航天飛機在2000年完成的一項地面高程測繪?工作，是由美國太空總署和國防部國家測繪局聯合進行。最初SRTM數據產品存在一些無值區域，后經國際農業研究磋商組織采用插值算法補充后，數據幾乎覆蓋了全球所有陸地80%的面積，新的SRTM3數據產品已經公開發布。數據分辨率達到3弧度秒（約90 m）。在平原地區，該數據準確率較高，而在高山或者湖區等地勢變化幅度較大的區域，誤差較大，空值較多，高程誤差約±16 m[4]。數據的坐標也是WGS84地理坐標。圖2展示的是我國珠江口區域的SRTM數據，同樣只有陸地區域高程數據。

圖1 長江口地區ASTER DEM

圖2 珠江口地區SRTM DEM

2.3 GTOPO30 DEM

圖3 中國東南地區GTOPO30數據

圖4 東北亞地區ACE2數據

GTOPO30[5,6]（Global 30 Arc-Second Elevation Data Set）是水平分辨率為30 s（約1000 m）的DEM數據，是多種數據綜合的結果，主要來源于DT-????????????ED、DCW和USGS DEM等數據。數據覆蓋了全球所有陸地區域，采用WGS84的經緯度坐標，垂直參考面為平均海平面。高程值介于-407—8752 m之間，海洋部分數據值為-9999。該數據于1996年發布，由美國地質調查局（USGS）聯合多家單位耗時3年合作完成，合作單位包括NASA、UNEP/GRID和USAID等，主要目標是為用戶提供準確的地形高程數據。為方便數據分發，GTOPO30被分為33個部分，每一部分數據（南極地區除外）跨50°緯度和40°經度，用最西邊和最北邊（左上角）的邊界經緯度來給數據命名，例如，E020N40文件的數據范圍界于20°—60°E和10°S—40°N之間。由于GTOPO30數據來源于多種數據，因此各部分的準確度不一定相同，亞洲地區陸地的誤差在正負30 m左右。圖3顯示的是我國東南地區的陸地高程數據。

圖5 西北太地區ETOPO數據

圖6 福建省北部沿海GEBCO數據

2.4 ACE2

ACE2[7]數據是由英國德蒙福特大學EAPRS實驗室融合了SRTM數據和衛星高度數據后得到的，衛星高度數據主要來自ERS-1數據。由于ERS-1衛星的軌道間距小，因此它所覆蓋的陸地面積較大，數據密度大，準確率高。據驗證，經過融合后的ACE2數據在準確率和數據質量上要比SRTM數據有所提高。目前，ACE2數據提供多種????分辨率的數據下載，包括5 min、30 s、9 s和3 s。ACE2數據也被分成多個區域以方便下載，每一部分跨15個經度和15個緯度。數據可以用ENVI軟件或GIS軟件進行處理，處理時候需要附帶頭文件信息，頭文件可以和數據一起下載。圖4顯示的是東北亞區域的陸地高程數據。

2.5 ETOPO

ETOPO[8]數據是美國國家海洋和大氣局下屬的國家地理數據中心發布的地形高程數據，包含海洋水深數據。數據也是融合多種數據得來。目前，該數據可以下載的有ETOPO1和ETOPO2，分辨率分別是1分、2分、4分和10分。ETOPO1數據幾乎覆蓋了全球所有的陸地和海洋，它綜合了多種數據集，并且加入了冰面和基巖數據，數據來源主要包括SRTM數據、U.S.Coastal數據、GLOBE數據、Antarctica RAMP數據和JODC數據等。在不同地區，融合數據的種類也不相同，在我國位于的西北太平洋地區，主要是融合了SRTM數據和JODC數據。水平參考面為WGS84坐標，垂直參考面為平均海平面。有多種數據格式，包括netCDF、g98、 binary float、tiff和xyz。圖5展示的是西北太平洋區域的ETOPO2數據，分辨率為2分，包含地形高程和水深數據。水深數據為負值，高程數據為正值。????

表1 陸地高程數據

2.6 GEBCO

GEBCO[9]（The general Bathymetric Chart of the Oceans）是由政府間海洋學委員會和國際海道測量組織聯合資助的國際組織，該組織主要目標是向公眾提供最具權威全球海洋水深數據。數據的水深部分主要是通過整合測深船舶數據和衛星高度數據得到，陸地部分主要采用SRTM數據。在某些淺水區域，可能會由于垂直參考面等問題而引起數據的誤差增大。目前，該組織提供兩種數據供下載，分別是分辨率為0.5分的GEBCO_08 Grid數據和分辨率為1分的GEBCO One Minute Grid數據，數據均為netCDF格式。圖6展示的是位于我國福建省北部沿海的GEBCO數據，分辨率為0.5分，包含地形高程和水深兩部分數據，與ETOPO數據不同，GEBCO水深數據為正值，高程數據為負值。??

3 常用地形數據的對比分析

通過以上對數據的簡單介紹，我們對各種數據有了初步的認識。目前常用的陸地高程數據包括ASTER GDEM、SRTM DEM、GTOPO30 DEM以及ACE2數據等。常用水深數據有ETOPO數據和GEBCO數據等。為了有助于各類數據的合理使用，把所有的地形數據分為“陸上”和“水下”兩部分進行對比分析。

表1是陸地高程數據的對比表，從表中可以看出，ASTER數據的分辨率最高，為1s（約30 m），而且數據一直有更新。SRTM3數據因為是由航天飛機測量，數據準確率略高，但其數據來源僅是航天飛機在2000年的一次測量，沒有新數據加入補充。而ACE2數據綜合了SRTM數據和衛星數據，準確率更高，但該數據不同區域的分辨率不一樣，融合數據來源多的區域，分辨率高，西北太平洋地區由于數據來源少，因此分辨率較低。??

表2 水深數據

水深數據對比見表2，GEBCO數據和ETOPO數據都是融合了多種數據后得到的，但最新的ETOPO數據最新發布時間晚于GEBCO數據，并加入了新的數據來源。而GEBCO數據的分辨率要高于ETOPO數據。在使用數據時，如果數值計算對分辨率的要求不高，可以使用低分辨率水深數據，以節省計算時間，提高效率。?

4 數據處理方法簡述

由于受到測量手段的限制，上述數據的準確率均不高，精度最高的也存在正負16 m的誤差。這樣的誤差對于幾千米的深海和高山來說，無關緊要，但對于只有幾十米的水深和地形數據就不能接受了。另外，大多數的數據存在異常值，在水陸邊界處數值偏差增大，水陸界線模糊不清。因此，部分數據在使用時，除了投影坐標轉換、格式轉換之外，還需要進行校準以及異常值消除等處理。目前，地形水深數據通常使用地理信息系統（GIS）軟件進行處理。常用的處理軟件有商業軟件，比如Arcgis、Mapgis、Supermap和Geoway等，也有開源軟件，如GRASS、GMT和QGIS等。

4.1 地形數據校準

對于需要校準的數據，可以用已有的比較可靠的數據進行局部替換或訂正。例如，可以用“908近海調查”的水深數據來校準我國沿海的水深數據。對于由數據替換等處理引起的數據不規則的問題，可以采用插值的方法解決，地理信息系統常用的插值方式有IDW、Kriging等。若沒有可靠數據輔助校正，可以進行控制點測量的方式，即現場測量若干具有典型意義的控制點，用控制點來校準數據。

4.2 異常值處理

地形數據異常值包括水陸邊界異常值、異常大值、空值等等。如果數值計算的區域包含了海岸甚至陸地，比如在進行風暴潮、海嘯的數值計算時，亦或是在計算淹沒范圍時，水陸的邊界變得非常重要。不清晰的水陸邊界將直接導致數值計算的失敗，因此必須對水陸邊界異常值進行處理。而用衛星影像數據能較好的解決這個問題，比如Landsat衛星第5波段數據區分水面和陸地的能力強，可以用此數據來詳細刻畫水陸邊界。具體操作是用遙感圖像處理軟件提取第5波段的水面信息并轉換為矢量面文件，用矢量面文件來刻畫數據的水陸邊界。對于空值，一般需要借助其他數據進行補充。異常大值可以利用地理信息系統中的濾波、插值等方法進行去除，也可以利用其他可靠數據進行替換。

5 小結

本文簡要闡述了幾種國際上公開的數值模型經常采用的地形數據，部分數據還未在國內廣泛應用。通過對以上數據的分析對比發現，目前的水深數據分辨率最高的是GEBCO數據，為0.5 min（約900 m），陸地高程數據分辨率最高的是ASTER GDEM，為1s（約30 m）。各種數據在分辨率和準確率各有特點，適合于不同的數值計算。從準確率和分辨率上看，上述水深數據比較適合于大尺度的數值計算。對于小尺度、分辨率要求高的數值計算以使用現場測量的可靠數據為佳，若受條件限制沒有充足的數據，可以使用上述水深數據的插值結果進行嘗試性研究；而陸地高程數據分辨率較高，配合高分辨率的水深數據后，可以用于精細化的數值計算，但也要考慮數據準確率的問題。由于受到測量手段的限制，數據在使用之前，需要進行數據校準、異常值處理等操作。使用時，還一定要注意各數據的特點，以免在數值計算時引入不必要的誤差。隨著科學技術的進步，相信以后會有更多更高精度的數據向社會公開。希望本文能對海洋研究者提供幫助。

[1]朱黎江,秦其明,陳思錦.ASTER遙感數據解讀與應用[J].國土資源遙感,2003,2:59-63

[2]METI/ERSDAC,NASA/LPDAAC,USGS/EROS.ASTER Global DEM validaiton summary report[R].2009.

[3]徐良,彭光雄,沈蔚.基于ArcGIS的SRTM缺失數據修復處理方法[J].城市勘測,2011,1:5-10

[4]Reuter H,Nelson A,Jarvis A,2007.An evaluation of void-filling interpolation methods for SRTM data[J].International Journal of Geographical Information Science,21(9):983-1008.

[5]馬龍,李穎.從GTOPO30到SRTM DEM精度研究—以西藏為例[J].水土保持通報,2006,26(5):71-74

[6]陳俊勇.對SRTM3和GTOPO30地形數據質量的評估[J].武漢大學學報信息科學版,2005,30(11):941-944

[7]英國德蒙福特大學EAPRS http://tethys.eaprs.cse.dmu.ac.uk/ACE2/shared/reading_ace2

[8]美國國家地球物理數據中心(NGDC)http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html

[9]GEBCO組織http://www.gebco.net