DOI: https://doi.org/10.5194/essd-17-1835-2025
تاريخ النشر: 2025-05-08
المؤلف: Michael MacFerrin وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الغازات الجوية والبيئية
نظرة عامة
مجموعة بيانات طبوغرافيا الأرض (ETOPO) 2022 تمثل أحدث تقدم في بيانات NOAA الطبوغرافية-الباثيمترية العالمية المتكاملة، والتي تلي ETOPO1 المستخدمة على نطاق واسع، والتي تم إصدارها في عام 2009. تقدم ETOPO 2022 دقة عالمية محسنة تبلغ 15 ثانية قوسية، مدمجة مع أكثر من عشرة مجموعات بيانات تشمل طبوغرافيا اليابسة، وباثيمترية البحار والبحيرات، وارتفاع قاع الصفائح الجليدية، مع تقييم جميع البيانات بعناية من حيث الجودة والدقة. تعتبر هذه المجموعة بيانات حيوية لتطبيقات مثل توقعات تسونامي ونمذجة المخاطر الساحلية، حيث تمكن من توقعات دقيقة لحركة المياه والفيضانات المحتملة للأراضي.
تم التحقق من دقة ETOPO 2022 مقابل أكثر من 960 مليار قياس ليدار من مهمة ICESat-2 التابعة لناسا، مما أسفر عن خطأ جذر متوسط مربع عالمي (RMSE) قدره 7.17 متر. تتوفر مجموعة البيانات في نسختين: سطح الجليد وقاعدة الصخور، مع تنسيقات تشمل GeoTIFF وNetCDF، وتوزع في بلاطات بحجم 15×15° بالإضافة إلى بلاطات عالمية بحجم 30 و60 ثانية قوسية. تهدف ETOPO 2022 إلى تلبية الاحتياجات المتطورة للمجتمع العلمي المعني بتقييم المخاطر العالمية ورسم الخرائط، مما يوفر نموذج ارتفاع متاح للجمهور ومحقق. يمكن الوصول إلى مجموعة البيانات على https://doi.org/10.25921/fd45-gt74.
الطرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون القمر الصناعي لارتفاع الجليد والسحب والأرض 2 (ICESat-2) للتحقق من منتج ارتفاع ETOPO 2022 فوق اليابسة. تضمنت المنهجية دمج بيانات الفوتون من ICESat-2 من عام 2021 لتقييم ارتفاعات الأرض العارية، مع تصفية الضوضاء والعيوب بعناية، بما في ذلك الفوتونات المنعكسة من الهياكل الحضرية والمياه المفتوحة. استخدم عملية التحقق مجموعة بيانات بصمة الاستيطان العالمية لتقليل التحيزات التي أدخلتها المناطق الحضرية ومجموعة بيانات الهيدروغرافيا الوطنية الأمريكية لاستبعاد الانعكاسات المائية. أعاد المؤلفون تنظيم بيانات ICESat-2 إلى 417,660 بلاطة جغرافية لتسهيل المعالجة الفعالة والتحقق مقابل دقة ETOPO البالغة 15 ثانية قوسية.
لمعالجة تحيزات أخذ العينات المكانية، خاصة في المناطق المائلة أو الجبلية، قسم المؤلفون كل خلية شبكة ETOPO إلى مجموعات فرعية أصغر بحجم 1 ثانية قوسية وحسبوا تقديرات التغطية بناءً على عدد فوتونات ICESat-2 داخل هذه المجموعات الفرعية. ركز التحقق على أعلى 5% من خلايا الشبكة ذات التغطية الأعلى لضمان تقييم تمثيلي لأخطاء ETOPO مع تجنب تحريف النتائج نحو المناطق القطبية، حيث تكون تغطية ICESat-2 أكثر وفرة. شمل التحليل النهائي 288 بلاطة ETOPO، مع تمييز واستبعاد حبيبات ICESat-2 المحددة بسبب تحيزات ارتفاع غير طبيعية. بشكل عام، كانت هذه الطريقة الصارمة للتحقق تهدف إلى تقديم تقدير وزني جغرافي لأخطاء ETOPO، مما يعزز موثوقية بيانات الارتفاع عبر سطح الأرض.
النتائج
تشير نتائج التحقق إلى أن مجموعة بيانات ETOPO تظهر متوسط خطأ جذر متوسط مربع (RMSE) قدره 7.17 متر فوق اليابسة، كما تم حسابه من خلايا الشبكة داخل كل بلاطة فرعية ETOPO بحجم 1 × 1°. تقلل هذه الطريقة من التحيز الجغرافي نحو المناطق القطبية، حيث تكون بيانات التحقق أكثر وفرة. يكشف توزيع RMSE عن أخطاء أعلى في المناطق الجبلية وخاصة التباينات الكبيرة على طول الساحل القطبي الجنوبي، والتي تعزى إلى التغيرات الديناميكية عند حافة الجليد، مثل انفصال الجليد الذي يخلق مياه مفتوحة.
بالإضافة إلى ذلك، لوحظت تحيزات سلبية مستمرة لعدة أمتار فوق صفائح الجليد في غرينلاند والقطب الجنوبي، حيث كانت ارتفاعات ETOPO أقل من تلك التي تم قياسها بواسطة ICESat-2. قد تنشأ هذه التحيزات من قدرات اختراق إشارات الرادار X-band من Copernicus DEM، التي يمكن أن تصل إلى عدة أمتار داخل الثلج والفيرن، بالإضافة إلى العيوب المحتملة من الثلج المتطاير المتأثر بالرياح الكاتاباتيكية. بينما يصحح منتج بيانات ارتفاع الجليد الأرضي ATL06 من ICESat-2 لهذه العوامل، لم يتم استخدامه في هذا التحليل بسبب نقص رسم خرائط مستوى الفوتون في النسخة 5 من ATL06. تمثل هذه الدراسة واحدة من القلائل التي تحقق من نموذج ارتفاع رقمي (DEM) عالمي باستخدام بيانات ICESat-2، مما يبرز الإمكانية للتكامل المستقبلي لـ ATL06 في التحقق من نماذج DEM العالمية الأخرى بخلاف ETOPO 2022.
المناقشة
تناقش هذه القسم المنهجية ومصادر البيانات المستخدمة في إنشاء منتج الارتفاع العالمي ETOPO 2022، مع تسليط الضوء على تسميات الملفات، وتحويلات الجيود، ومجموعات البيانات المدخلة، وخطوات المعالجة المسبقة. يتم تسمية بلاطات ETOPO 2022 بشكل منهجي لتشمل النسخة، والدقة، ونصف الكرة، وخط العرض، وخط الطول، ونوع البيانات، مما يسهل التعرف والوصول. يتم تحقيق التحويل من ارتفاعات EGM2008 إلى WGS84 عن طريق إضافة قيم الارتفاع إلى ارتفاعات الجيود، مع توفير ملفات الجيود المرفقة لراحة المستخدم.
تساهم مجموعة متنوعة من البيانات في منتج ETOPO، بما في ذلك GEBCO، وNOAA DEMs، وبيانات BedMachine لغرينلاند والقطب الجنوبي. تضمنت عملية دمج هذه البيانات معالجة مسبقة دقيقة لضمان الجودة والدقة، مع إيلاء اهتمام خاص لحل العيوب والتحيزات في البيانات. تكشف المقارنات مع منتج ETOPO1 السابق عن تحسينات كبيرة في الدقة، خاصة في ارتفاعات قاع الصفائح الجليدية وباثيمترية المحيطات، والتي تعزى إلى التقدم في تقنيات وأساليب القياس. منتج ETOPO 2022 متاح مجانًا لمجموعة متنوعة من الاستخدامات، مع إمكانية الوصول إلى مجموعات البيانات المصدر لمزيد من البحث والتحقق.
القيود
تسلط هذه القسم الضوء على قيود ETOPO 2022، مشيرة إلى عدة قضايا قد تؤثر على دقة وموثوقية مجموعة البيانات. جزء كبير من باثيمترية المحيطات في ETOPO 2022 مشتق من منتج بيانات GEBCO، الذي يتضمن مزيجًا من القياسات المباشرة والتقديرات غير المباشرة. يُنصح المستخدمون بالاطلاع على شبكات معرف نوع GEBCO (TID) لفهم مجموعات البيانات المصدر لخلايا الشبكة المحددة، خاصةً أن العديد من المناطق البحرية لا تزال غير مُخَططة وتعتمد على طرق مثل الجاذبية الساتلية العكسية، والتي يمكن أن تُدخل عيوبًا مثل الحفر العميقة التي قد تؤثر على نمذجة تسونامي وغيرها من التطبيقات.
بالإضافة إلى ذلك، قد تنشأ تباينات بين ارتفاعات ETOPO والارتفاعات الفعلية للمعالم البارزة، مثل قمة جبل إيفرست، بسبب عملية المتوسط عبر خلية شبكة بحجم 15 ثانية قوسية. يمكن أن يؤدي هذا المتوسط إلى اختلافات كبيرة في التضاريس شديدة الانحدار. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب بيانات ارتفاع دقيقة، يُوصى باستخدام مجموعات بيانات بدقة أعلى. علاوة على ذلك، لم يتم تصميم ETOPO 2022 لأغراض الملاحة، ويجب على المستخدمين، خاصة أولئك في السياقات البحرية، الاعتماد على المسوحات الساحلية المخصصة والخرائط الباثيمترية للملاحة.
DOI: https://doi.org/10.5194/essd-17-1835-2025
Publication Date: 2025-05-08
Author(s): Michael MacFerrin et al.
Primary Topic: Atmospheric and Environmental Gas Dynamics
Overview
The Earth TOPOgraphy (ETOPO) 2022 dataset represents the latest advancement in NOAA’s global seamless topographic-bathymetric data, succeeding the widely utilized ETOPO1, which was released in 2009. ETOPO 2022 offers a refined global resolution of 15 arcseconds, integrating over a dozen datasets that encompass land topography, sea and lake bathymetry, and ice-sheet bed elevation, with all data meticulously assessed for quality and accuracy. This dataset is crucial for applications such as tsunami forecasting and coastal hazard modeling, as it enables precise predictions of water movement and potential land inundation.
The accuracy of ETOPO 2022 has been validated against more than 960 billion lidar measurements from NASA’s ICESat-2 mission, yielding a global root mean square error (RMSE) of 7.17 meters. The dataset is available in both ice surface and bedrock versions, with formats including GeoTIFF and NetCDF, and is distributed in 15×15° tiles as well as global tiles at 30 and 60 arcseconds. ETOPO 2022 aims to meet the evolving needs of the scientific community engaged in global hazard assessment and mapping, providing a publicly accessible and validated elevation model. The dataset can be accessed at https://doi.org/10.25921/fd45-gt74.
Methods
In this study, the authors employed the Ice, Cloud, and land Elevation Satellite 2 (ICESat-2) to validate the ETOPO 2022 elevation product over land. The methodology involved assimilating ICESat-2 photon data from 2021 to assess bare-Earth elevations, while carefully filtering out noise and artifacts, including photons reflected from urban structures and open water. The validation process utilized the World Settlement Footprint dataset to mitigate biases introduced by urban areas and the US National Hydrography Dataset Plus to exclude water reflections. The authors reorganized ICESat-2 data into 417,660 geographic tiles to facilitate efficient processing and validation against ETOPO’s 15 arcsec resolution.
To address spatial sampling biases, particularly in sloped or mountainous regions, the authors divided each ETOPO grid cell into smaller 1 arcsec subsets and computed coverage estimates based on the number of ICESat-2 photons within these subsets. The validation focused on the top 5% of grid cells with the highest coverage to ensure a representative assessment of ETOPO errors while avoiding skewing results towards polar regions, where ICESat-2 coverage is more abundant. The final analysis included 288 ETOPO tiles, with specific ICESat-2 granules flagged and excluded due to anomalous elevation biases. Overall, this rigorous validation approach aimed to provide a geographically weighted estimate of ETOPO errors, enhancing the reliability of the elevation data across Earth’s land surface.
Results
The validation results indicate that the ETOPO dataset exhibits a mean Root Mean Square Error (RMSE) of 7.17 meters over land, as calculated from grid cells within each 1 × 1° ETOPO sub-tile. This approach mitigates geographical bias towards polar regions, where validation data is more abundant. The RMSE distribution reveals higher errors in mountainous areas and particularly significant discrepancies along the Antarctic coastline, attributed to dynamic changes at the ice edge, such as iceberg calving that creates open water.
Additionally, persistent negative biases of several meters were observed over the Greenland and Antarctic ice sheets, where ETOPO elevations were lower than those measured by ICESat-2. These biases may stem from the penetration capabilities of Copernicus DEM’s X-band radar signals, which can reach several meters into snow and firn, as well as potential artifacts from blowing snow influenced by katabatic winds. While ICESat-2’s ATL06 Land Ice Elevation data product corrects for these factors, it was not utilized in this analysis due to the lack of photon-level mapping in ATL06 version 5. This study represents one of the few instances of global validation of a Digital Elevation Model (DEM) using ICESat-2 data, highlighting the potential for future integration of ATL06 in validating other global DEMs beyond ETOPO 2022.
Discussion
The section discusses the methodology and data sources utilized in the creation of the ETOPO 2022 global elevation product, highlighting the file naming conventions, geoid conversions, input datasets, and pre-processing steps. The ETOPO 2022 tiles are systematically named to include version, resolution, hemisphere, latitude, longitude, and data type, facilitating easy identification and access. The conversion from EGM2008 to WGS84 elevations is achieved by adding elevation values to geoid heights, with accompanying geoid files provided for user convenience.
A variety of datasets contribute to the ETOPO product, including GEBCO, NOAA DEMs, and BedMachine data for Greenland and Antarctica. The integration of these datasets involved careful pre-processing to ensure quality and accuracy, with specific attention given to resolving artifacts and biases in the data. Comparisons with the previous ETOPO1 product reveal significant improvements in accuracy, particularly in ice-sheet bed elevations and ocean bathymetry, attributed to advancements in measurement technologies and methodologies. The ETOPO 2022 product is freely available for various uses, with source datasets accessible for further research and validation.
Limitations
The section on limitations of ETOPO 2022 highlights several issues that may affect the accuracy and reliability of the dataset. A significant portion of the ocean bathymetry in ETOPO 2022 is derived from the GEBCO data product, which incorporates a mix of direct measurements and indirect interpolations. Users are advised to consult the GEBCO Type Identifier (TID) grids to understand the source datasets for specific grid cells, particularly since many ocean regions remain unmapped and rely on methods like inverse satellite gravimetry, which can introduce artifacts such as deep pits that may compromise tsunami modeling and other applications.
Additionally, discrepancies may arise between ETOPO elevations and the actual elevations of notable landmarks, such as the summit of Mt. Everest, due to the averaging process over a 15 arcsec grid cell. This averaging can lead to significant differences in steep terrain. For applications requiring precise elevation data, higher-resolution datasets are recommended. Furthermore, ETOPO 2022 is not designed for navigational purposes, and users, particularly those in maritime contexts, should rely on dedicated coastal surveys and bathymetric charts for navigation.