海洋论坛▏几款全球海底地形模型比较分析

一、引言

                               
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过去100多年时间，各国学者不断探索绘制全球海底地形的技术途径。直到20世纪90年代，诸如Geoset和ERS－1等执行大地测量任务的测高卫星数据大量积累和应用，全球海底地形测绘技术才取得巨大进展和突破。卫星测高技术作为获取全球海洋观测信息的重要手段之一，应用卫星测高技术获得的覆盖全球且均匀分布的海面高数据，依据大地测量方法可恢复全球海洋重力场信息，并且随着测高和定轨精度大大提高，测高数据不断更新并大量积累，海洋重力场模型也不断优化改进。海面重力信息主要由海水质量亏损、地球质量异常和海深结构、地壳以下质量均衡补偿引起，其中海水质量亏损影响贡献占主要，其余因素对海面重力信息的贡献由于向上延拓而被平滑。基于此，利用海底地形与海面重力信息的相关性特点，采用相应反演方法可获得深海大洋大尺度海底地形。

目前依托卫星测高技术，联合海洋现场观测数据资料业已成为实现全球海底地形模型建立的可靠途径。本文整理介绍了国内外几款全球海底地形模型的基本情况，评述了各海底地形模型间的内在联系，以期为全球海底地形数值模型高效、低成本构建提供借鉴与参考。

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二、DBDB系列模型

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1974年，NOVOCEANO发布了根据当时海洋盆地等高线图，采用计算机插值技术生成的海深格网模型DBDB－5，该海深模型空间网格间隔为5′。DBDB－5模型为之后海底地形模型发展提供了良好的数据来源，如ETOPO5模型海深数据信息主要来源于DBDB－5，ETOPO2模型中南极洲南部水深空白信息恢复也主要依靠DBDB－5模型。1997年，NOVOCEANO又发布了空间网格大小可变的海深格网模型DBDBV，DBDBV海深模型空间网格大小主要包括0.5′、1′、2′和5′的4种，4种不同网格大小的模型数据覆盖范围见表1。

表1  DBDBV不同大小网格数据主要覆盖范围

DBDBV模型主要用于支持生成水深图产品，以及通过提供水深数据，结合其他地球物理和海洋环境等参数进行相关海洋信息建模分析研究。其中，网格大小分别为1′、2′和5′的DBDBV模型是将纸质等深图转化为数字形式后得到。

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三、ETOPO系列模型

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⒈ETOPO5

1988年，NOAA发布了网格大小为5′的全球地形模型ETOPO5。ETOPO5海洋区域深度信息主要来源于DBDB－5，陆地地形数据中美国(除Alaska外)、欧洲和日本地区陆地地形数据来源于DMA、BMRA、DISR，其他区域陆地地形数据全部来源于FNOC提供的空间分辨率为10′的地形数据。Smithand Wessel基于对Multidtagespline格网化方法研究推测，由于算法本身机理限制将导致依据等深线获取的ETOPO5模型在大陆架区域存在人为误差。1993年，Smith发现ETOPO5模型存在明显“梯田现象”，这将导致海底沉降热模型相关参数产生统计偏差。

⒉ETOPO2

2001年9月，NGDC发布了网格大小为2′的全球地形模型ETOPO2模型。ETOPO2建模数据来源如下：

⑴64°N～72°S间海底地形数据来自于SmithandSandwell依据SIOV 8.2重力异常数据建构的海底地形模型；

⑵纬度高于72°S区域海底地形数据主要来自于NOVOCEANO发布的DBDBVV4.1网格大小为5′的海深模型，部分数据也使用了DBDB5中海深数据。纬度高于64°N区域海底地形数据来自于IBCAOV 1.0模型；

⑶陆地地形数据来源于GLOBE提供的分辨率为30″的高程数据，GLOBE任务组由CEOS建立。

⒊ETOPO2v2

2006年4月，NGDC对ETOPO2进行了进一步编辑、完善和更新，发布了ETOPO2v2全球地形模型，该模型水平基准和垂直基准分别是WGS84和MSL。ETOPO2v2数据来源于STO模型、GLOBE、IBCAO、NCEICRM、GLBD、Caspian sea Bathymetry。其中：①SIO模型是SmithandSandwell于1997年利用卫星测高重力异常数据恢复的网格大小为2′，纬度跨度为±72°的海深模型；②GLOBE数据来源于8个组织，该数据集可提供全球陆地区域分辨率为30″的地形数据；③IBCAOV1.0提供了纬度高于64°N的水深数据；④NCEI CRM提供了美国海岸线到中远海水深资料；⑤GLBD提供了美国五大湖水深采样数据集；⑥CEP提供了里海区域数字等深线信息，可通过Surfacefitting软件将等深线转换为海深格网数据。ETOPO2v2模型与ETOPO2模型主要区别如下：

⑴ETOPO2v2消除了ETOPO2(2001)中存在的1－cell西向偏差；

⑵ETOPO2v2数据覆盖范围是(90°N～90°S，180°W～180°E)，ETOPO2数据覆盖范围是(90°N～89°58′S，180°W～179°E)；

⑶ETOPO2N2对GLOBE (1999)提供的30″陆地地形数据进行了重新采样；

⑷ETOPO2v2中里海海深数据来源于CEP的数字等深线资料；

⑸ETOPO2v2将NCEICRM中格网分辨率为3″美国沿岸水深数据采样为2′格网大小；

⑹ETOPO2v2利用NCEI提供的空间分辨率为3″格网数据，将美国五大湖中伊利湖、安大略湖、休伦湖和密西根湖空间格网大小采样为2′，利用空间分辨率为30″的地形数据，将苏必利尔湖空间格网大小采样为2′。

⒋ETOPO1

2008年8月，NGDC和NOAA联合发布了网格大小为1′×1′的ETOPO1海底地形模型，该模型基于大量相关模型和实测区域数据，融合了全球的陆地地形和海洋深度数据。其中，海洋部分绝大部分海深数据来源于美国SIO发布的海底地形模型，陆地地形数据主要来自于GTOPO30。相较于ETOPO2v2和ETOPO5全球地形模型，ETOPO1全球地形模型精度显著提高，目前ETOPO2v2和ETOPO5全球地形模型基本不再使用。

ETOPO1模型有“冰面”和“基岩”两个版本。这两个版本的ETOPO1模型都是基于各种相关模型和区域数据建立的。建立ETOPO1模型所需要的海岸线数据、测深数据、地形数据等来源于美国政府机构、国际机构和学术组织等。建模过程中，使用FME将数据基准转换到WGS84坐标系下，同时将数据转换成ESRI ArcGIS形式文件和光栅以便ArcGIS提高数据质量和编辑数据；使用GMT软件和MB系统对数据进行格网化和建立全球模型。

模型构建中的海深数据来自于美国NGDC、CEP、JODC和CIESM等组织，各个组织将数据提供给NGDC统一编辑，最终由NGDC将各组织搜集的数据融合成ETOPO1模型，具体见表2，表中数据基准系统均为WGS84。

表2  ETOPO1模型水深数据来源

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四、Sandwell系列模型

                               
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美国SIO Sandwell教授团队长期致力于对海底地形的研究，从20世纪90年代开始便不断更新发布全球海底地形模型。起初，Smith and Sandwell在前人利用重力数据反演海底地形研究(如Diｘonetal.)基础上，发展了利用卫星测高重力异常数据反演海底地形方法，该方法获取的海底地形覆盖范围纬度在±72°之间，空间分辨率大约为15km。随后20多年时间，伴随新的测高数据不断积累和数据处理技术不断优化改进，Sandwell团队利用不断更新的、可信的、高质量的实际船测海深数据，不断更新完善海底地形模型，海底地形模型精度、分辨率不断提高，覆盖范围不断扩大。

截止到2020年3月，Sandwell团队已经发布了十多个版本的海底地形模型，每个版本均在前一个版本的基础上加入了新的测量数据、或者对测量数据进行优化加工、或者使用当时最新的重力模型数据、或者优化反演算法参数等。表3简单梳理了2010年以后发布的海底地形模型的相关信息。

表3  Sandwell模型统计(2010年后)

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五、GEBCO系列模型

                               
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GEBCO是联合国教科文组织下属的IOC和IHO联合主持下的大洋水深制图项目，旨在建立水深数据收集国际合作渠道，实现水深数据及其元数据的收集、处理和管理，提供权威、公开的全球海洋数据，完成大洋海底水深图的编制。

早期GEBCO仅发布全球纸质版海底地形图，1982年编辑出版了全球1∶100万大洋水深图以及更小比例尺的全球和两极的水深图。随着科技的进步，在1994年GEBCO年会上，GEBCO决定不再出版纸质地图，同时建议构建全球数字海底地形模型，当时目标是构建格网大小为5′的全球海底地形格网数值模型以代替DBDB－5模型。此后，GEBCO发布了一系列的三维格网海底地形模型，空间格网大小分别有1′、30″和15″等，同时在地形模型中包含了全球陆地地形数据。主要数据产品如下：

(1)2003年发布了空间格网大小为1′的GEBCOv1.0(GEBCO＿2003)，该模型作为GDA一百周年版的部分内容，模型主要利用GDA的等深线信息和部分区域的额外数据，主要利用最新的GEBCO数字图集中的等深线数据插值而成。

(2)2008年10月发布了GEBCOv2.0(GEBCO＿2008)，GEBCOV2.0包含了SRTM30＋模型，以及①包含了IBCAO v2.23数据信息；②更新了浅海海域数据资料，包括India和Pakistan区域、Korean Peninsula区域、South Afraca区域；③修复了GEBCO1.0版本中的部分错误。

(3)2014年12月发布了全球水深网格数据(GEBCO＿2014)，该数据是基于多波束数据格网化和卫星测高重力数据反演水深融合生成的空间格网大小为30″网格数据，其中仅有大约18％的格网数据依靠声学海深测量结果约束生成。GEBCO＿2014是GEBCO＿2008版数据的更新，同时包含了源标识(SID)数据，分别标识出真实原始声纳点深数据和插值数据。该版数据增加了大量的新数据集，主要包括IBCAOv1版数据、IBCAOv3版数据、EMODnet、2013年欧洲海域水深测量数据(2014)、DSBD、日本海上保安厅提供的西北太平洋区域的500m水深网格数据、东亚水文协调委员会提供的依据南中国海电子海图数据生成的网格更新数据等等，模型具体介绍见有关文献。

(4)2019年，依托nippon Foundation NGEBCO Seabed 2030项目，GEBCO首次发布了格网大小为15″的海底地形模型GEBCO＿2019。GEBCO＿2019模型以SRTM15＋v1.0版本(2016)作为先验模型，基于Seabed 2030项目设置的全球数据中心和4个区域数据中心拥有的格网海深数据进行模型增强。

GEBCO＿2019地形覆盖面积为89°59′52.5″N，179°59′52.5″W～89°59′52.5″S，179°59′52.5″E；格网大小为86400×43200，共3732480000个地形数据点，可作为SRTM15＋1.0版本的基础数据来源。

六、SRTM＋系列模型

                               
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⒈SRTM30＋

2009年，SIO、NOAA、NOO、NGA、IHB和BODC联合发布了空间格网大小为30″的全球地形模型SRTM30＋。SRTM30＋地形模型数据来源如下。

(1)北极区域水深(纬度大于80°)来源于空间格网大小为1′的IBCAO模型；

(2)陆地和冰面地形信息来自于SRTM30提供的纬度小于55°区域陆地地形数据，GTOPO30提供的北极陆地数据和TCESat提供的南极陆地信息；

(3)海洋区域水深信息主要利用水深测量数据和SIOV11.1版本的重力场模型获取的重力/地形比例因子，采用回归技术反演获得。

SRTM30＋模型整理、编辑、处理了来源于机构组织(NOAA、SIO、NGA、JAMSTEC、IFERMER、GEBCO、NAVOCEANO)以及个人收集的共计2.98亿个原始声学地形测量数据。首先利用先验的格网大小为2′的海深格网模型(SIOV8.2)，对收集到的数据进行校正、质量评价和人工编辑剔除可疑数据。然后利用经过校正的水深测量数据，修正、完善、增强基于卫星测高数据反演得到的海底地形模型(先验水深模型纬度低于80.5°)。SRTM30＋依据移去－恢复技术构建SRTM30＋模型的基本思路为：①利用GMT将船测海深数据处理成为30″的格网数据；②减去先验水深模型的长波海深得到高频剩余海深(移去)；③将剩余海深内插到格网点处后再与先验长波水深相加(恢复)，进而获得格网大小为30″的水深模型。

SRTM30＋相较于SIOV8.2主要完善了两个方面：①减小了大量的人工船迹处理痕迹；②陆地边缘浅海区域，由于覆盖着较厚的沉积物，从而使该区域海底地形平坦，重力与地形相关程度降低，此时若依然采用重力/地形回归分析构建海底地形，将存在明显dimple现象，SRTM30＋处理编辑了沉积物厚的地形平坦区域呈现的dimple现象。需要说明的是，SRTM30＋与SIOV11.1海底地形模型基本等同。

⒉SRTM15＋V1.0

SRTM15＋V1.0全球地形模型中陆地数据来源于NAS组织实施的SRTM生产的USGSSRTM30格网地形数据集。SRTM30中不包含的更高纬度数据则来自于GTOPO30。海洋区域数据主要基于SIO发布的空间大小为1′的全球海底地形数据，SIO海底地形模型数据覆盖范围在南北纬81°之间，更高纬度的北极区域海深数据来自于IBCAO。同时，SRTM15V1.0海洋部分也加入了更高格网分辨率的格网数据，比如LDEO Ridgemultibeam Synthesis Project JANSTEC Datasitefor Research Cruise、NGDCCRM。

⒊SRTM15＋V2.0

2019年，国外学者利用其最新收集的超过3360万个船测单波束和多波束海深测量数据和累计4年无重复的卫星测高测量数据(SIOV27.1重力场模型)，基于SRTM15＋V1.0等地形模型恢复了空间格网大小为15″的全球地形模型(SRTM15＋V2.0)。

其中SRTM15＋V2.0海底地形部分构建主要分为两个环节：①联合船测海深和卫星测高重力数据反演得到空间格网大小为1′的海底地形模型；②基于构建的空间格网大小为1′的海底地形模型，依靠搜集的足量的船测水深数据，采用移去－恢复技术将模型空间格网大小提高为15″。

有关文献指出目前声学海底地形测量数据依然十分有限，即使SIO、NOAA、NGA等机构组织发布的最新版本的SRTM15＋V2.0，模型收集的全球声学海深测量数据在空间格网大小为15″环境下采样率仅为10.84％。其中在主要依据卫星测高重力数据恢复的地形区域，深海区域和MH370失事相关海域检核RMS约为±150m，近岸海域检核RMS约为±180m。此外，由于新的船测数据加入了SRTM15＋V2.0的构建过程，SRTM15＋V2.0在短波部分信息明显增强，比如在东南印度洋区域，见图1，SRTM15＋V2.0短波部分能量是SRTM＋V1.0的10倍到500倍左右。SRTM15＋V2.0具体新增数据来源如下。

⑴新增的超过3360万个船测单波束和多波束海深测量数据：SIO、NGA、JAMSTEC、GA、CCOM等。相较于SRTM15＋V1.0，SRTM15＋V2.0声学测深数据总量占比，由9.60％增加到10.84％，提升幅度为1.24％。

⑵新增的测高数据包括48个月的Cryosat－2、14个月的SARAL/Altika和12个月的Jason－2测高卫星数据，基于这些新的测高成果，可恢复网格大小约为1.4km的海洋重力异常信息(SIOV27.1重力异常模型)。需要说明的是，随着卫星测高测量精度和分辨率的不断提升，相应的海洋重力场波段信息不断完善和增强，从而依据重力信息恢复的海底地形模型质量也不断提高，如SRTM30＋利用了S＆SV11.1版本重力异常数据，而SRTM15＋V1.0则使用了S＆SV24.1版本重力异常信息，该版本重力场信息相较于以前版本新增了3年的Cryosat－2数据、14个月的Jason－1数据。

(3)陆地区域地形数据主要来源于先验地形模型，如在60°N～56°S之间区域数据主要来源于SRTM－CGIAR V4.1；60°N以上区域数据来源于ArcticDEM；REMA提供了62°S以下数据。与SRTM15＋V1.0主要区别在于高纬度区域(＞60°N和＞60°S)使用了ArcticDEM和REMA模型。

值得说明的是，SRTM15＋V2.0是基于构建的网格大小为1′的海底地形模型，依靠搜集足量的船测水深数据，采用移去－恢复技术将模型分辨率提高为15″，所以其本质上利用卫星测高重力反演海底地形的分辨率并未提高。

图1  SRTM15＋V1.0和SRTM15＋V2.0比较示意图

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七、Earth地形球谐系数模型系列

                               
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⒈Earth2012

澳大利亚WAGG研究发布了一套球谐系数(SHCS)模型，包括全球地形、岩石等效地形、地球形状和地形球谐系数模型。其中Earth2012模型(2160阶次)常用于前向模型、布格异常计算和重力位模型研究，近年也被用于GOCE重力场和地球地形位等研究工作。

Earth2012模型数据来源主要包括：①CGLAR－CST联盟依据SRTM获取的空间数据信息SRTMV4.1，主要用于250m分辨率地形填补；②SRTM30＋模型中海洋和主要湖泊信息；③ETOPO1模型中有关南极洲和格陵兰的冰层和基岩数据。

Earth2012模型包含3个版本的全球地形球谐系数模型，以呈现地球表面主要状态。其中：①考虑海水质量影响的地形球谐模型(Earth212.topo＿air.SHCto 2160)以MSＬ为高度起算面，海洋部分高度为零；②不考虑海水质量的地形球谐系数模型(Earth212.topo＿bathy.SHCto 2160)提供了包括陆地地形、主要内陆湖泊(Superior，Michigan，Huson等)、冰川、里海、全球海洋等高度信息；③不考虑冰和水质量影响的地形球谐系数模型(Earth212.topo＿bathy.SHCto 2160)提供了陆地地形、海洋、里海和主要内陆湖泊高度或者深度信息，以及南极洲和格陵兰岛的基岩高度。

另外，Earth2012模型也包含RET模型RET2012。RET2012模型为RET2011模型(360阶次)的更新版本，模型构建过程中将海水(基于SRTM30＋模型海水密度为1030kg/m3)、主要湖泊(主要湖泊和里海等水体密度为1030kg/m3)、冰盖(ETOPO1模型中南极洲和格陵兰冰盖密度为927kg/m3)压缩为密度为2670kg/m3的质量层参与解算，最终得到模型阶次为2160阶。

⒉Earth2014

2015年3月25日，WAGG正式发布了Earth2014系列模型，Earth2014与Earth2012主要区别在于：

①Earth2014格网数据包含1′和5′两个分辨率版本，球谐系数最高为10800阶，而Earth2012球谐系数为2160阶；②Earth2014采用更新的数据，特别是BedMAp2中南极洲数据，而Earth2012主要采用ETOPO1/BedMAp1中南极洲数据；③Earth2014模型描述更加清晰，模型产品发布格式更加完善。构建Earth2014系列模型数据来源如下。

(1)南极洲基岩、冰厚和海深数据来源于BedMAp2，见图2暗红色区域；

(2)格陵兰基岩地形数据由GBT V3提供，见图2红色区域；

(3)海洋、主要内陆湖泊和北半球高纬度陆地地形(除格陵兰外)数据源自SRTM30＋V9，对应图2蓝色区域和黑色区域；

(4)纬度±60°之间的所有陆地数据来自于SRTMV4.1 Topography，对应图2黄色区域。

图2  Earth2014输入数据空间分布示意图

BedMAp2、GBTV3、SRTM30＋V9和SRTMV4.1数据融合过程详见有关文献。最终，Earth2014提供了地球上主要冰盖最新的基岩和地形信息以及海洋深度格网信息。同时为满足不同应用需求，Earth2014模型包括如下几个类型：①SUR；②BED，即不考虑地球上水和冰的影响；③TBI，即不考虑地球上水的质量；④ICE；⑤RET，即将冰层和水层“压缩”为等效岩石厚度。

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八、国内全球海底地形模型

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武汉大学李建成院士课题组是国内较早研究卫星测高技术应用研究的课题组之一。2014年，课题组使用1′×1′的SIOV20.1重力异常垂直梯度数据，采用回归分析方法[16]，联合NGDC发布的船测水深数据，构建了75°S～70°N范围1′×1′的海底地形模型BAT＿VGG，其中反演区域以外的海底、陆地以及水深浅于100m海域的地形数据来源于SIOV15.1。在印度洋南部海域和西北太平洋海域进行模型质量评估考察表明，BAT＿VGG模型精度优于ETOPO1模型、GEBCO＿08模型和DTU10模型，与SIOV15.1相当。2020年，李建成院士课题组基于新构建的全球卫星测高重力异常模型Grav＿Alti＿WHU，使用回归分析方法，联合水深测量资料，建立了75°S～70°N范围1′×1′的海底地形模型BAT＿WHU2020。

其中反演区域以外的海底、陆地以及水深浅于100m海域的地形数据来源于SIOV19.1。最终模型分析评估结果显示，BAT＿WHU2020模型精度优于ETOPO1模型、GEBCO＿08模型和DTU10模型；较之前发布的BAT＿VGG模型，BAT＿WHU2020模型精度提升了约30％。钱学森实验室雷达团队和中国地质大学(北京)万晓云副教授团队联合构建了全球深海海底地形模型，该海底地形模型将GGM方法和经典频域法相结合，海深浅于1000m和陆地区域地形数据用ETOPO1模型补充。信息工程大学李姗姗教授团队长期致力于利用卫星测高技术构建海底地形模型研究。2020年，团队利用SIOV29.1重力异常和SIOV29.1重力异常垂直梯度，融合多源水深测量结果，构建了STO＿IEU2020全球海底地形模型，分别在大西洋海域和印度洋海域等海域，选择了共计5块海域作为海底地形模型质量评估区，评估结果表明，±100m检核差值范围内，STO＿IEU2020模型对应的检核点数量分别占78.57％、87.87％、72.27％、92.47％和93.25％；检核结果平均相对精度优于6％。STO＿IEU2020模型与SIOV20.1模型贴切与吻合程度高。

九、结束语

                               
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长期以来，获取全球范围海底地形数据是国内外学者研究探索的重要课题。早期囿于海洋观测手段限制和海洋观测数据缺乏，构建全球范围海底地形实用数值模型难度较大。随着一系列测高卫星计划的顺利实施，庞大的高精度卫星测高数据积累开发，相关数据精密处理技术的进步，目前依托卫星测高技术，联合海洋现场观测数据资料业已成为实现全球海底地形模型建立的可靠途径。本文整理介绍了国内外几款全球海底地形模型发展基本情况，评述了各海底地形模型间的内在联系，以期为全球海底地形数值模型高效、低成本构建提供借鉴与参考。

转载自“[url=]溪流之海洋人生[/url]”

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