一種針對(duì)第一次全國(guó)地理國(guó)情普查DOM數(shù)據(jù)的實(shí)用質(zhì)量模型

項(xiàng)皓東，萬義良，史文中

(1. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081； 3. 香港理工大學(xué)武漢大學(xué)空間信息聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

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一種針對(duì)第一次全國(guó)地理國(guó)情普查DOM數(shù)據(jù)的實(shí)用質(zhì)量模型

項(xiàng)皓東1，萬義良2，史文中3

(1. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081； 3. 香港理工大學(xué)武漢大學(xué)空間信息聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

數(shù)字正射影像作為地理空間數(shù)據(jù)的重要組成部分，是地理國(guó)情普查中的重要數(shù)據(jù)源，其數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響到基于地理國(guó)情普查成果的決策可信度。本文結(jié)合第一次全國(guó)地理國(guó)情普查的要求，提出了一種實(shí)用的數(shù)字正射影像質(zhì)量模型，并對(duì)數(shù)字正射影像質(zhì)量檢查的內(nèi)容和方法進(jìn)行了總結(jié)和比較分析，通過實(shí)際驗(yàn)證，本文提出的質(zhì)量模型實(shí)用可靠。

DOM數(shù)據(jù)；質(zhì)量模型；質(zhì)量檢查

隨著測(cè)繪事業(yè)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)逐漸在國(guó)民生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、規(guī)劃勘測(cè)等方面發(fā)揮重要作用，數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響到數(shù)據(jù)應(yīng)用的可信度，空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查至關(guān)重要。數(shù)字正射影像圖(DOM)作為地理國(guó)情普查中主要的數(shù)據(jù)源和國(guó)家基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果的重要組成部分，質(zhì)量檢查也是非常重要的環(huán)節(jié)。我國(guó)于2013年開展第一次全國(guó)地理國(guó)情普查工作，制定的多項(xiàng)規(guī)定中對(duì)DOM的數(shù)據(jù)內(nèi)容作出了詳細(xì)的描述和要求。因此，為了適應(yīng)當(dāng)前需求，提出一種實(shí)用的DOM數(shù)據(jù)質(zhì)量模型，為質(zhì)檢工作提供一個(gè)高效穩(wěn)定的檢查系統(tǒng)很有必要[1]。

不少國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)空間數(shù)據(jù)質(zhì)量模型與質(zhì)量控制已作了大量研究。杜道生等認(rèn)為不同質(zhì)量評(píng)價(jià)方法決定不同的質(zhì)量模型，提出一種基于不同評(píng)價(jià)方法的統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)質(zhì)量模型，這是一種概念模型，質(zhì)量元素還需進(jìn)一步細(xì)化[2]。曾衍偉提出的DOM質(zhì)量模型，對(duì)于不同數(shù)據(jù)用途和用戶需求，各質(zhì)量元素的權(quán)重會(huì)發(fā)生變化[3]。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)際和質(zhì)檢需求，通過實(shí)際調(diào)研提出一種實(shí)用的DOM質(zhì)量模型，為質(zhì)檢工作提供理論參考。并根據(jù)該質(zhì)量模型開發(fā)出功能比較完善的質(zhì)量檢查系統(tǒng)[4]。

一、DOM數(shù)據(jù)的實(shí)用質(zhì)量模型

數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括影像和附屬數(shù)據(jù)，其質(zhì)量采用質(zhì)量元素來描述，質(zhì)量元素是指成果滿足規(guī)定要求和使用目的的基本特性。根據(jù)DOM數(shù)據(jù)的性質(zhì)和特點(diǎn)，總結(jié)其質(zhì)量元素，質(zhì)量子元素和檢查項(xiàng)見表1。

表1　DOM數(shù)據(jù)質(zhì)量模型

該質(zhì)量模型完整地包含了DOM數(shù)據(jù)質(zhì)量的內(nèi)容，與以往的DOM質(zhì)量模型相比，有如下改進(jìn)：①細(xì)化并完善了各質(zhì)量元素的內(nèi)容，對(duì)各質(zhì)量元素提出明確的檢查項(xiàng)和質(zhì)量指標(biāo)；②增加了圖幅裁切檢查項(xiàng)，歸在投影坐標(biāo)系質(zhì)量子元素中，由于圖幅裁切的范圍依據(jù)投影坐標(biāo)系和影像的圖幅號(hào)確定，因此，投影坐標(biāo)系對(duì)圖幅裁切的范圍有決定性作用；③總結(jié)了色彩模式、色彩特征、影像噪聲和信息丟失以描述影像特性；④結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)與質(zhì)檢調(diào)研，明確附件質(zhì)量檢查的檢查對(duì)象，包括元數(shù)據(jù)、投影信息文件、坐標(biāo)信息文件和控制點(diǎn)文件，并明確了檢查內(nèi)容。

二、數(shù)字正射影像質(zhì)量檢查

1. 空間參考系

大地基準(zhǔn)、地圖投影和高程基準(zhǔn)檢查是將影像實(shí)際的坐標(biāo)系及相關(guān)參數(shù)與參考坐標(biāo)系及參數(shù)進(jìn)行比較，判斷坐標(biāo)系是否符合要求。

對(duì)于圖幅范圍檢查，DOM影像的裁切范圍為對(duì)應(yīng)的基本存儲(chǔ)單元最小外接矩形向外擴(kuò)展100個(gè)像素的范圍，其角點(diǎn)像元中心點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式為[5]

Xmin=int[min(X1,X2,X3,X4)/R]·R-100·R

(1)

Ymin=int[min(Y1,Y2,Y3,Y4)/R]·R-100·R

(2)

Xmax=[int[max(X1,X2,X3,X4)/R]+1]·R+100·R

(3)

Ymax=[int[max(Y1,Y2,Y3,Y4)/R]+1]·R+100·R

(4)

式中，X1—X4、Y1—Y4為4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)；R為影像地面分辨率；int()表示將數(shù)字向下舍入到最接近的整數(shù)；max()和min()為返回參數(shù)列表中的最大值和最小值。

影像圖幅裁切檢查是由圖幅號(hào)計(jì)算影像角點(diǎn)坐標(biāo)，再根據(jù)式(1)—式(4)計(jì)算外擴(kuò)角點(diǎn)坐標(biāo)，與實(shí)際影像角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比來判斷裁切范圍是否符合要求。

2. 位置精度

(1) 平面位置精度

平面位置精度檢查有多種方法[6]，敘述如下。

① 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量法

利用原加密點(diǎn)在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)中對(duì)被檢測(cè)模型進(jìn)行內(nèi)定向、相對(duì)定向和絕對(duì)定向，然后在立體模型上采集檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。并與數(shù)字正射影像中相應(yīng)的地圖點(diǎn)坐標(biāo)比較，計(jì)算坐標(biāo)差并統(tǒng)計(jì)平面位置中誤差

(5)

(6)

(7)

式中，(X，Y)為影像圖上拾取檢查點(diǎn)的坐標(biāo)；(X0，Y0)為檢查點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)；Mx、My為地物點(diǎn)在X、Y方向上的點(diǎn)位中誤差；N為檢查點(diǎn)總數(shù)。

② 檢查點(diǎn)法

利用外業(yè)勘測(cè)或內(nèi)業(yè)加密得到的檢查點(diǎn)，在數(shù)字正射影像圖中手動(dòng)拾取檢查點(diǎn)的同名點(diǎn)，比較檢查點(diǎn)坐標(biāo)與拾取點(diǎn)坐標(biāo)，再根據(jù)式(5)—式(7)計(jì)算平面位置中誤差。

③ 已成圖法

將已成圖(通常為數(shù)字線劃圖DLG)與DOM影像套合顯示，通過采集同名點(diǎn)坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)平面位置中誤差。

以上3種方法中，第1種在實(shí)際檢驗(yàn)中受客觀條件制約一般不采用，第2和第3種都是人機(jī)交互檢查。第3種方法由于操作簡(jiǎn)單，檢驗(yàn)成本低，被多數(shù)生產(chǎn)單位采用，但可能存在以下問題：

a. 由于放大DOM影像后會(huì)出現(xiàn)柵格，影響影像中的點(diǎn)位判斷，由此無法保證得到的點(diǎn)位坐標(biāo)的準(zhǔn)確性。

b. 因?yàn)闊o法確保DLG中每個(gè)地物都正確，與DLG疊加后若有疊加不上的區(qū)域，無法確定DOM是否正確。

生產(chǎn)單位對(duì)DOM平面精度的檢查應(yīng)根據(jù)實(shí)際采取適當(dāng)?shù)姆椒ǎ鞠到y(tǒng)兼顧效率，成本和檢查精度的角度考慮，為了能快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，選擇檢查點(diǎn)法。

(2) 影像接邊

接邊精度包括位置接邊、灰度和色彩接邊。接邊檢查主要有以下兩種方法。

① 人機(jī)交互檢查

此方法需人工拾取接邊區(qū)域的同名點(diǎn)，要求同名點(diǎn)分布均勻，易于辨認(rèn)，數(shù)量足夠，再根據(jù)同名點(diǎn)坐標(biāo)差計(jì)算接邊中誤差[7]。灰度和色彩接邊需目視檢查。該方法依賴檢查員的經(jīng)驗(yàn)和狀態(tài)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率很低。

② 特征點(diǎn)匹配法

該方法結(jié)合特征點(diǎn)提取和特征點(diǎn)匹配，在接邊區(qū)域提取特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)匹配獲得同名點(diǎn)，再計(jì)算同名點(diǎn)的坐標(biāo)差統(tǒng)計(jì)接邊精度。該方法提高了檢查效率，減少了對(duì)檢查員的依賴，但接邊區(qū)域的地形對(duì)特征點(diǎn)提取和匹配結(jié)果有很大影響，算法的選擇對(duì)檢查結(jié)果也會(huì)有很大影響，因此，該方法有一定的局限性。

當(dāng)前DOM影像制作是先進(jìn)行正射糾正和拼接，再外擴(kuò)分幅裁切，因?yàn)橛跋窠舆厖^(qū)域是由于外擴(kuò)產(chǎn)生的，所以可通過影像角點(diǎn)坐標(biāo)內(nèi)插得到影像接邊區(qū)域各像素點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)兩幅影像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)坐標(biāo)是否一致來判斷位置接邊是否符合要求，以兩幅待查接邊影像為左上-右下的相對(duì)位置關(guān)系為例，如圖1所示。

圖1　接邊影像示例圖

圖1中Δx和Δy表示兩幅影像的行差和列差。根據(jù)下面公式計(jì)算對(duì)應(yīng)像素的大地坐標(biāo)。

(8)

(9)

(10)

(11)

3. 邏輯一致性

空間地理數(shù)據(jù)的邏輯一致性包括概念一致性、格式一致性和拓?fù)湟恢滦浴OM數(shù)據(jù)只需檢查格式一致性。格式一致性即檢查數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和格式的符合程度，包括數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)格式和文件命名。主要檢查文件存儲(chǔ)組織是否符合要求，文件是否缺失多余，文件格式是否符合要求及文件的命名是否符合要求。需對(duì)數(shù)據(jù)文件夾的各級(jí)文件夾及文件的內(nèi)容、命名、數(shù)據(jù)格式等按照相關(guān)規(guī)定[8]進(jìn)行對(duì)比檢查。

4. 影像/柵格質(zhì)量

分辨率檢查是將影像地面分辨率與規(guī)定要求的分辨率[9-10]進(jìn)行比較來判斷其是否符合要求。

影像特性包括色彩模式、色彩特征、影像噪聲和信息丟失。即檢查影像色彩模式是否符合要求，色調(diào)是否均勻，噪聲的影響程度，是否存在失真、模糊、裂縫、漏洞、丟失或反差不明顯的區(qū)域[11]。目前常使用信噪比、信息熵、調(diào)制傳遞函數(shù)[12]等作為影像質(zhì)量評(píng)價(jià)的參考，但并不適用所有的正射影像質(zhì)量評(píng)價(jià)。對(duì)影像質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究也是目前數(shù)據(jù)質(zhì)量研究的一個(gè)重要方向[13]。對(duì)于正射影像的影像質(zhì)量檢查，實(shí)際質(zhì)檢中主要依靠目視檢查，效率低下且容易出錯(cuò)，因此，影像質(zhì)量的自動(dòng)評(píng)價(jià)方法還需要進(jìn)一步研究。

5. 附件質(zhì)量

元數(shù)據(jù)檢查指項(xiàng)錯(cuò)漏和內(nèi)容錯(cuò)漏檢查[14]，分別檢查屬性項(xiàng)是否存在缺失、名稱錯(cuò)誤和屬性內(nèi)容填寫是否有缺失和錯(cuò)誤。采用模板匹配法[15]進(jìn)行檢查，根據(jù)元數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容制作檢查模板，并對(duì)各項(xiàng)設(shè)置檢查規(guī)則，將待查元數(shù)據(jù)各項(xiàng)與模板內(nèi)容進(jìn)行匹配檢查，這種方法效率高，檢查結(jié)果準(zhǔn)確。

坐標(biāo)信息文件和投影信息文件逐項(xiàng)檢查其內(nèi)容是否符合要求即可。

對(duì)控制點(diǎn)文件的檢查有以下幾項(xiàng)：①控制點(diǎn)命名檢查；②文件中控制點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)與大地投影坐標(biāo)是否對(duì)應(yīng)；③各項(xiàng)內(nèi)容填寫是否符合標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容格式；④文件中的信息與影像元數(shù)據(jù)及影像相關(guān)信息是否一致。

對(duì)控制點(diǎn)索引文件需檢查以下幾項(xiàng)：①索引影像裁切范圍是否正確；②格式是否符合要求；③十字絲是否在影像中央，且是否符合灰度要求。

三、應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)本文提出的DOM質(zhì)量模型，筆者設(shè)計(jì)并開發(fā)了DOM數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖2所示。

除檢查功能之外，系統(tǒng)也提供數(shù)據(jù)導(dǎo)入、制定檢查方案、批量數(shù)據(jù)檢查、生成質(zhì)檢報(bào)告等功能來輔助檢查。

圖2　系統(tǒng)框架

利用該質(zhì)量檢查系統(tǒng)對(duì)一個(gè)1∶50 000比例尺DOM數(shù)據(jù)文件夾進(jìn)行檢查，程序運(yùn)行系統(tǒng)平臺(tái)為WIN7 64位環(huán)境，CPU為Intel 酷睿i5 4200M，4 GB內(nèi)存。各項(xiàng)檢查結(jié)果與人工檢查結(jié)果與時(shí)間對(duì)比見表2。

表2　系統(tǒng)檢查結(jié)果與人工檢查對(duì)比

系統(tǒng)的檢查結(jié)果表明：①系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各檢查功能與人工檢查的結(jié)果基本一致，結(jié)果準(zhǔn)確，可用于DOM數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查；②平面位置精度檢查人工檢查通常采用與DLG數(shù)據(jù)套合對(duì)比來檢查其平面位置精度，本系統(tǒng)采用檢查點(diǎn)法，需要質(zhì)檢員手動(dòng)選取影像中檢查點(diǎn)的位置，因此，檢查效率提升受到一定限制，但仍然縮短了檢查時(shí)間；③附件質(zhì)量檢查的人工檢查結(jié)果為合格，而系統(tǒng)檢查結(jié)果為元數(shù)據(jù)檢查不符合要求，存在內(nèi)容錯(cuò)漏與項(xiàng)錯(cuò)漏，經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)元數(shù)據(jù)內(nèi)容對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該元數(shù)據(jù)的屬性項(xiàng)與屬性內(nèi)容存在單詞拼寫錯(cuò)誤和英文大小寫與標(biāo)準(zhǔn)元數(shù)據(jù)不一致的問題，系統(tǒng)檢查的結(jié)果更準(zhǔn)確，說明系統(tǒng)檢查可克服由于檢查人員的疏忽和經(jīng)驗(yàn)等造成的檢查結(jié)果不準(zhǔn)確和不穩(wěn)定的問題；④通過對(duì)比檢查所需的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可極大減少檢查工作所需的時(shí)間，檢查工作的效率得到極大提高。

四、總　結(jié)

空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查是空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的關(guān)鍵手段，而空間數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的重點(diǎn)在于如何將數(shù)據(jù)中存在的質(zhì)量問題迅速檢查出來。本文針對(duì)第一次全國(guó)地理國(guó)情普查的DOM成果數(shù)據(jù)提出了一種實(shí)用的質(zhì)量模型，并探討了各檢查項(xiàng)的檢查方法，設(shè)計(jì)并開發(fā)了DOM質(zhì)量檢查系統(tǒng)，完整實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量檢查的流程，該系統(tǒng)被國(guó)內(nèi)多家測(cè)繪單位采用，經(jīng)實(shí)際使用，檢查效果準(zhǔn)確可靠，并極大提高了質(zhì)檢工作的效率，節(jié)省了人力。

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A Practical Quality Model of the First National Geographic Condition Survey DOM Data

XIANG Haodong,WAN Yiliang,SHI Wenzhong

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0255.

2015-12-14；

2016-04-22

項(xiàng)皓東(1992—)，男，碩士，研究方向?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)質(zhì)量。E-mail：xianghaodong@whu.edu.cn

P208

B

0494-0911(2016)08-0053-04

引文格式：項(xiàng)皓東，萬義良，史文中.一種針對(duì)第一次全國(guó)地理國(guó)情普查DOM數(shù)據(jù)的實(shí)用質(zhì)量模型[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(8)：53-56.