海洋數(shù)值模型常用地形數(shù)據(jù)概述

侯京明，高義，李濤

（國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

1 引言

隨著全球氣候的變暖，海洋災(zāi)害日漸頻繁，世界各國加快了認(rèn)識(shí)海洋的步伐，各種海洋現(xiàn)象的數(shù)值模擬成為了海洋研究的熱點(diǎn)，目前常用的數(shù)值模型主要包括海流模型FVCOM、海浪模型SWAN和WAVEWATCH、風(fēng)暴潮模型ADCIRC以及海嘯模型COMCOT等等。地形數(shù)據(jù)在各類數(shù)值模擬過程中具有重要的作用，尤其對(duì)我們最為關(guān)注的近岸區(qū)域的數(shù)值模擬精度影響顯著。大尺度的地形數(shù)據(jù)，尤其是水下地形數(shù)據(jù)的獲取很難通過實(shí)測(cè)來實(shí)現(xiàn)，但是目前的遙感技術(shù)以及數(shù)據(jù)共享機(jī)制給科學(xué)數(shù)據(jù)的獲取帶來了便利。本研究通過數(shù)據(jù)共享的方式收集整理了各家機(jī)構(gòu)公開的地形數(shù)據(jù)，并對(duì)比分析了各種數(shù)據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為海洋過程數(shù)值模擬研究提供科學(xué)參考。

2 常用地形數(shù)據(jù)基本情況

目前較為常用的地形數(shù)據(jù)主要包括ASTER GDEM、SRTM DEM、GTOPO30 DEM、ACE2、ETOPO、GEBCO等，各類數(shù)據(jù)具體情況如下。

2.1 ASTER GDEM

ASTER GDEM[1]數(shù)據(jù)是通過搭載在Terra衛(wèi)星上的高分辨率地表圖像傳感器Aster儀器測(cè)得，Terra衛(wèi)星是美國地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）的一個(gè)組成部分，衛(wèi)星于1999年12月18日發(fā)射升空，它環(huán)繞在地球近極地軌道，高度700多千米，軌道和地球自轉(zhuǎn)方向垂直。Aster由日本國際貿(mào)易和工業(yè)部（METI）和美國宇航局（NASA）合作開發(fā)，探測(cè)的區(qū)域能組成一幅完整的地球圖像。2009年第一版的GDEM數(shù)據(jù)公布，最新第二版數(shù)據(jù)產(chǎn)品于2011年10月發(fā)布。數(shù)據(jù)空間參考采用EGM96和WGS84投影坐標(biāo)系，空間分辨率為1弧度秒（約30 m），數(shù)據(jù)格式為GeoTIFF，該數(shù)據(jù)只有陸地區(qū)域高程數(shù)據(jù)，海域部分高程以0值作為掩膜，其高程數(shù)據(jù)精度在95%的區(qū)域?yàn)椤?0 m[2]。圖1為我國長(zhǎng)江口區(qū)域的GDEM數(shù)據(jù)。

2.2 SRTM DEM

SRTM[3]（Shuttle Radar Topography Mission）是美國航天飛機(jī)在2000年完成的一項(xiàng)地面高程測(cè)繪?工作，是由美國太空總署和國防部國家測(cè)繪局聯(lián)合進(jìn)行。最初SRTM數(shù)據(jù)產(chǎn)品存在一些無值區(qū)域，后經(jīng)國際農(nóng)業(yè)研究磋商組織采用插值算法補(bǔ)充后，數(shù)據(jù)幾乎覆蓋了全球所有陸地80%的面積，新的SRTM3數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)公開發(fā)布。數(shù)據(jù)分辨率達(dá)到3弧度秒（約90 m）。在平原地區(qū)，該數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較高，而在高山或者湖區(qū)等地勢(shì)變化幅度較大的區(qū)域，誤差較大，空值較多，高程誤差約±16 m[4]。數(shù)據(jù)的坐標(biāo)也是WGS84地理坐標(biāo)。圖2展示的是我國珠江口區(qū)域的SRTM數(shù)據(jù)，同樣只有陸地區(qū)域高程數(shù)據(jù)。

圖1 長(zhǎng)江口地區(qū)ASTER DEM

圖2 珠江口地區(qū)SRTM DEM

2.3 GTOPO30 DEM

圖3 中國東南地區(qū)GTOPO30數(shù)據(jù)

圖4 東北亞地區(qū)ACE2數(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)，是多種數(shù)據(jù)綜合的結(jié)果，主要來源于DT-????????????ED、DCW和USGS DEM等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)覆蓋了全球所有陸地區(qū)域，采用WGS84的經(jīng)緯度坐標(biāo)，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?jǐn)?shù)據(jù)值為-9999。該數(shù)據(jù)于1996年發(fā)布，由美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）聯(lián)合多家單位耗時(shí)3年合作完成，合作單位包括NASA、UNEP/GRID和USAID等，主要目標(biāo)是為用戶提供準(zhǔn)確的地形高程數(shù)據(jù)。為方便數(shù)據(jù)分發(fā)，GTOPO30被分為33個(gè)部分，每一部分?jǐn)?shù)據(jù)（南極地區(qū)除外）跨50°緯度和40°經(jīng)度，用最西邊和最北邊（左上角）的邊界經(jīng)緯度來給數(shù)據(jù)命名，例如，E020N40文件的數(shù)據(jù)范圍界于20°—60°E和10°S—40°N之間。由于GTOPO30數(shù)據(jù)來源于多種數(shù)據(jù)，因此各部分的準(zhǔn)確度不一定相同，亞洲地區(qū)陸地的誤差在正負(fù)30 m左右。圖3顯示的是我國東南地區(qū)的陸地高程數(shù)據(jù)。

圖5 西北太地區(qū)ETOPO數(shù)據(jù)

圖6 福建省北部沿海GEBCO數(shù)據(jù)

2.4 ACE2

ACE2[7]數(shù)據(jù)是由英國德蒙福特大學(xué)EAPRS實(shí)驗(yàn)室融合了SRTM數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高度數(shù)據(jù)后得到的，衛(wèi)星高度數(shù)據(jù)主要來自ERS-1數(shù)據(jù)。由于ERS-1衛(wèi)星的軌道間距小，因此它所覆蓋的陸地面積較大，數(shù)據(jù)密度大，準(zhǔn)確率高。據(jù)驗(yàn)證，經(jīng)過融合后的ACE2數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確率和數(shù)據(jù)質(zhì)量上要比SRTM數(shù)據(jù)有所提高。目前，ACE2數(shù)據(jù)提供多種????分辨率的數(shù)據(jù)下載，包括5 min、30 s、9 s和3 s。ACE2數(shù)據(jù)也被分成多個(gè)區(qū)域以方便下載，每一部分跨15個(gè)經(jīng)度和15個(gè)緯度。數(shù)據(jù)可以用ENVI軟件或GIS軟件進(jìn)行處理，處理時(shí)候需要附帶頭文件信息，頭文件可以和數(shù)據(jù)一起下載。圖4顯示的是東北亞區(qū)域的陸地高程數(shù)據(jù)。

2.5 ETOPO

ETOPO[8]數(shù)據(jù)是美國國家海洋和大氣局下屬的國家地理數(shù)據(jù)中心發(fā)布的地形高程數(shù)據(jù)，包含海洋水深數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)也是融合多種數(shù)據(jù)得來。目前，該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幾乎覆蓋了全球所有的陸地和海洋，它綜合了多種數(shù)據(jù)集，并且加入了冰面和基巖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源主要包括SRTM數(shù)據(jù)、U.S.Coastal數(shù)據(jù)、GLOBE數(shù)據(jù)、Antarctica RAMP數(shù)據(jù)和JODC數(shù)據(jù)等。在不同地區(qū)，融合數(shù)據(jù)的種類也不相同，在我國位于的西北太平洋地區(qū)，主要是融合了SRTM數(shù)據(jù)和JODC數(shù)據(jù)。水平參考面為WGS84坐標(biāo)，垂直參考面為平均海平面。有多種數(shù)據(jù)格式，包括netCDF、g98、 binary float、tiff和xyz。圖5展示的是西北太平洋區(qū)域的ETOPO2數(shù)據(jù)，分辨率為2分，包含地形高程和水深數(shù)據(jù)。水深數(shù)據(jù)為負(fù)值，高程數(shù)據(jù)為正值。????

表1 陸地高程數(shù)據(jù)

2.6 GEBCO

GEBCO[9]（The general Bathymetric Chart of the Oceans）是由政府間海洋學(xué)委員會(huì)和國際海道測(cè)量組織聯(lián)合資助的國際組織，該組織主要目標(biāo)是向公眾提供最具權(quán)威全球海洋水深數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的水深部分主要是通過整合測(cè)深船舶數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高度數(shù)據(jù)得到，陸地部分主要采用SRTM數(shù)據(jù)。在某些淺水區(qū)域，可能會(huì)由于垂直參考面等問題而引起數(shù)據(jù)的誤差增大。目前，該組織提供兩種數(shù)據(jù)供下載，分別是分辨率為0.5分的GEBCO_08 Grid數(shù)據(jù)和分辨率為1分的GEBCO One Minute Grid數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，分辨率為0.5分，包含地形高程和水深兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，與ETOPO數(shù)據(jù)不同，GEBCO水深數(shù)據(jù)為正值，高程數(shù)據(jù)為負(fù)值。??

3 常用地形數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

通過以上對(duì)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單介紹，我們對(duì)各種數(shù)據(jù)有了初步的認(rèn)識(shí)。目前常用的陸地高程數(shù)據(jù)包括ASTER GDEM、SRTM DEM、GTOPO30 DEM以及ACE2數(shù)據(jù)等。常用水深數(shù)據(jù)有ETOPO數(shù)據(jù)和GEBCO數(shù)據(jù)等。為了有助于各類數(shù)據(jù)的合理使用，把所有的地形數(shù)據(jù)分為“陸上”和“水下”兩部分進(jìn)行對(duì)比分析。

表1是陸地高程數(shù)據(jù)的對(duì)比表，從表中可以看出，ASTER數(shù)據(jù)的分辨率最高，為1s（約30 m），而且數(shù)據(jù)一直有更新。SRTM3數(shù)據(jù)因?yàn)槭怯珊教祜w機(jī)測(cè)量，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率略高，但其數(shù)據(jù)來源僅是航天飛機(jī)在2000年的一次測(cè)量，沒有新數(shù)據(jù)加入補(bǔ)充。而ACE2數(shù)據(jù)綜合了SRTM數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確率更高，但該數(shù)據(jù)不同區(qū)域的分辨率不一樣，融合數(shù)據(jù)來源多的區(qū)域，分辨率高，西北太平洋地區(qū)由于數(shù)據(jù)來源少，因此分辨率較低。??

表2 水深數(shù)據(jù)

水深數(shù)據(jù)對(duì)比見表2，GEBCO數(shù)據(jù)和ETOPO數(shù)據(jù)都是融合了多種數(shù)據(jù)后得到的，但最新的ETOPO數(shù)據(jù)最新發(fā)布時(shí)間晚于GEBCO數(shù)據(jù)，并加入了新的數(shù)據(jù)來源。而GEBCO數(shù)據(jù)的分辨率要高于ETOPO數(shù)據(jù)。在使用數(shù)據(jù)時(shí)，如果數(shù)值計(jì)算對(duì)分辨率的要求不高，可以使用低分辨率水深數(shù)據(jù)，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高效率。?

4 數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)述

由于受到測(cè)量手段的限制，上述數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率均不高，精度最高的也存在正負(fù)16 m的誤差。這樣的誤差對(duì)于幾千米的深海和高山來說，無關(guān)緊要，但對(duì)于只有幾十米的水深和地形數(shù)據(jù)就不能接受了。另外，大多數(shù)的數(shù)據(jù)存在異常值，在水陸邊界處數(shù)值偏差增大，水陸界線模糊不清。因此，部分?jǐn)?shù)據(jù)在使用時(shí)，除了投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換之外，還需要進(jìn)行校準(zhǔn)以及異常值消除等處理。目前，地形水深數(shù)據(jù)通常使用地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件進(jìn)行處理。常用的處理軟件有商業(yè)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(shù)據(jù)校準(zhǔn)

對(duì)于需要校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，可以用已有的比較可靠的數(shù)據(jù)進(jìn)行局部替換或訂正。例如，可以用“908近海調(diào)查”的水深數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)我國沿海的水深數(shù)據(jù)。對(duì)于由數(shù)據(jù)替換等處理引起的數(shù)據(jù)不規(guī)則的問題，可以采用插值的方法解決，地理信息系統(tǒng)常用的插值方式有IDW、Kriging等。若沒有可靠數(shù)據(jù)輔助校正，可以進(jìn)行控制點(diǎn)測(cè)量的方式，即現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量若干具有典型意義的控制點(diǎn)，用控制點(diǎn)來校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

4.2 異常值處理

地形數(shù)據(jù)異常值包括水陸邊界異常值、異常大值、空值等等。如果數(shù)值計(jì)算的區(qū)域包含了海岸甚至陸地，比如在進(jìn)行風(fēng)暴潮、海嘯的數(shù)值計(jì)算時(shí)，亦或是在計(jì)算淹沒范圍時(shí)，水陸的邊界變得非常重要。不清晰的水陸邊界將直接導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算的失敗，因此必須對(duì)水陸邊界異常值進(jìn)行處理。而用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)能較好的解決這個(gè)問題，比如Landsat衛(wèi)星第5波段數(shù)據(jù)區(qū)分水面和陸地的能力強(qiáng)，可以用此數(shù)據(jù)來詳細(xì)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(zhuǎn)換為矢量面文件，用矢量面文件來刻畫數(shù)據(jù)的水陸邊界。對(duì)于空值，一般需要借助其他數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。異常大值可以利用地理信息系統(tǒng)中的濾波、插值等方法進(jìn)行去除，也可以利用其他可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行替換。

5 小結(jié)

本文簡(jiǎn)要闡述了幾種國際上公開的數(shù)值模型經(jīng)常采用的地形數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)還未在國內(nèi)廣泛應(yīng)用。通過對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，目前的水深數(shù)據(jù)分辨率最高的是GEBCO數(shù)據(jù)，為0.5 min（約900 m），陸地高程數(shù)據(jù)分辨率最高的是ASTER GDEM，為1s（約30 m）。各種數(shù)據(jù)在分辨率和準(zhǔn)確率各有特點(diǎn)，適合于不同的數(shù)值計(jì)算。從準(zhǔn)確率和分辨率上看，上述水深數(shù)據(jù)比較適合于大尺度的數(shù)值計(jì)算。對(duì)于小尺度、分辨率要求高的數(shù)值計(jì)算以使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的可靠數(shù)據(jù)為佳，若受條件限制沒有充足的數(shù)據(jù)，可以使用上述水深數(shù)據(jù)的插值結(jié)果進(jìn)行嘗試性研究；而陸地高程數(shù)據(jù)分辨率較高，配合高分辨率的水深數(shù)據(jù)后，可以用于精細(xì)化的數(shù)值計(jì)算，但也要考慮數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率的問題。由于受到測(cè)量手段的限制，數(shù)據(jù)在使用之前，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、異常值處理等操作。使用時(shí)，還一定要注意各數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，以免在數(shù)值計(jì)算時(shí)引入不必要的誤差。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相信以后會(huì)有更多更高精度的數(shù)據(jù)向社會(huì)公開。希望本文能對(duì)海洋研究者提供幫助。

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

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

[9]GEBCO組織http://www.gebco.net