2024年全球1KM数字高程DEM数据集

一、数据介绍

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1. 概述与核心贡献

这篇文献由德国地球科学研究中心（GFZ）的科学家发表，介绍了一个名为GDEMM2024（Global Digital Elevation Merged Model 2024）的全新全球数字高程模型。

•核心问题：许多地球科学研究（如重力场建模、地形校正、海洋环流研究）需要高分辨率、高精度且垂直基准统一的全球高程数据（包括陆地地形、海洋水深和冰厚度）。然而，现有的大多数数字高程模型（DEM）无法在全球范围内以相同分辨率提供所有这些图层。

•解决方案：GDEMM2024通过合并近年来发布的多个最先进的DEM数据集，克服了这一缺陷，提供了一个统一的、最新的全球解决方案。

•主要产出：模型提供了一套30角秒（约1公里）网格数据集，包含：

•地表高程 (SUR)：实际物理表面（包括冰面、湖面）。

•基岩高程 (BED)：去除水和冰后的地球固体表面。

•冰厚度 (ICE)：格陵兰和南极冰盖的厚度。

•TBI网格：基岩高程与冰厚度之和，代表“没有水的地球”，用于地球物理应用和可视化。

•土地类型掩膜 (LTM)：精确区分干燥陆地、海洋、大湖泊、冰覆盖陆地、冰架和冰下湖。

•大地水准面模型 (GEO)：用于高程基准转换。

•核心改进：相比广泛使用的模型（如Earth2014, ETOPO2022），GDEMM2024在精度和覆盖范围上均有显著提升。其与全球约22000个GNSS站点的验证表明，其标准偏差比其它常用DEM减少了约三倍。

2. 背景与动机

地形、水深和冰厚度数据是地球科学领域的基石。虽然现有许多任务（如TanDEM-X, GEBCO, BedMachine）分别提供了陆地、海洋或冰盖的高精度数据，但缺乏一个集成所有这些图层并保持全球一致性的产品。GDEMM2024旨在填补这一空白，利用最新的数据源和改进的土地分类掩膜（特别是对冰覆盖区和湖泊），生成一个满足多种地球物理应用需求的、无缝的全球 relief 模型。

3. 数据与方法

a. 输入数据源：

研究合并了以下七个核心数据集：

1.TanDEM-X: 提供全球陆地表面极高精度的高程数据（约90米分辨率）。

2.GEBCO_2022 和 GEBCO_2023: 提供全球海洋水深和部分陆地形数据（15角秒分辨率）。

3.ETOPO2022: 另一个包含地形和水深的全球模型（15角秒分辨率）。

4.BedMachine v5 (格陵兰) 和 v3 (南极): 提供冰盖地区的基岩地形和冰厚度数据（高分辨率）。

5.GLOBathy: 提供全球大于500 km²湖泊的水深数据。

6.GMT 和 HydroSHEDS: 用于生成精确的全球土地类型掩膜。

b. 数据处理与融合方法：

方法的核心是一个分步加权融合策略，而非简单平均，以充分利用各数据集在其优势区域的精度。

1.预处理：将所有数据统一重采样至30角秒分辨率，并将高程基准统一转换到EIGEN-6C4大地水准面（潮汐无影响系统）。

2.土地类型掩膜：创建了精细的掩膜来区分不同地表类型（干地、海洋、大湖、冰盖等），这是避免不同类型区域交界处出现误差的关键。

3.融合步骤：

•首先对ETOPO2022、GEBCO_2022和GEBCO_2023进行加权平均，生成初步的表面和基岩网格。

•然后，将高精度的TanDEM-X数据以加权方式融合到初步表面网格中，显著改善了山区地形。

•接着，用最新的BedMachine数据替换极地冰盖区域的初步网格数据，解决了其他模型中存在的基岩高程高于表面高程（即冰厚度为负值）的错误。

•最后，将湖泊水深数据整合到相应区域。

4. 数据记录与产品

最终发布的GDEMM2024数据集包含上述所有网格（SUR, BED, ICE, TBI, LTM, GEO），均为30角秒分辨率，并额外提供了1角秒分辨率的下采样版本以供方便使用。

•垂直基准：所有高程均相对于EIGEN-6C4大地水准面。

•水平基准：WGS84 (EPSG:9055)。

•文件格式：Georeferenced TIFF (.tif)。

5. 技术验证

作者使用了三种独立的数据对GDEMM2024进行了 rigorous 的验证：

1.GNSS站点数据（~22,000个）：结果显示GDEMM2024的标准偏差（Std）为19.68米，远优于TanDEM-X (25.84m)、ETOPO2022 (~65m) 和GEBCO系列 (~65m)。误差随地形高度增加而增大，这与预期一致。

2.ICESat-2激光测高数据（南极冰盖）：所有DEM与ICESat-2的差异标准偏差都在~30米左右，表明GDEMM2024在南极地区与其他常用模型精度相当。

3.海洋水深数据：与船测数据、波罗的海高精度水深模型以及新发布的GEBCO2024进行比较。比较结果表明海洋水深建模本身极具挑战性，但GDEMM2024与GEBCO2024的一致性最好。

6. 应用意义与使用说明

GDEMM2024是一个“开箱即用”的模型，可直接应用于：

•重力向前建模（特别是超高分辨率全球重力场模型）

•三维重力场建模

•地形校正（在重力和大地测量学中）

•地壳建模与莫霍面反演

•海底建模与海洋学研究

•洪水模拟

其优势在于集成了最新数据（TanDEM-X, BedMachine v5/v3, 全球湖泊水深）、改进了土地分类掩膜，并采用了战略性的数据融合方法。它是进行高精度地形相关地球物理研究的强大工具。

内付引用方法和数据来源

二、数据信息：

数据包括如下：

地形网格数据基于WGS84坐标系下的EIGEN-6C4大地水准面（EPSG代码：9055）构建，包含以下五种30角秒地理参照TIFF文件：GDEMM2024_XXX.30s.tif（其中XXX代表SUR、BED、ICE、TBI、LTM陆地类型掩膜及GEO大地水准面）。SUR表示旱地地形、水体表面及冰盖高程；BED表示旱地地形、海床与湖底高程以及冰下基岩地形；ICE表示格陵兰与南极洲冰盖覆盖区的冰层厚度；TBI（地形-基岩-冰层）网格则整合BED与ICE数据，呈现不含水体的地球表面。

现有30角秒网格的统计信息详见下表

为便于使用，数据集同时发布了1角分抽采样网格。下图所示的EIGEN-6C4大地水准面网格可用于将GDEMM高程（大地水准面高）转换为椭球高。

此外还提供陆地类型掩膜，用于区分陆地、海洋、内陆湖泊与冰盖区域（见下图）。

若需在谱域计算中直接使用GDEMM2024数据（如大地测量与地球物理应用中的谐波合成），可将网格数据转换为球谐系数，该转换过程需专业处理。