地形測(cè)繪中數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

任江峰 穆志杰

（自然資源部第二地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054）

0.引言

數(shù)字表面模型屬于地面高程模型，模擬地物表面相關(guān)事物的高度，比如，地表建筑物、橋梁、樹木等等。數(shù)字表面模型范圍更廣，相比數(shù)字高程模型，對(duì)于地表信息的高程也可以由此獲取。隨著地面工程增多，數(shù)字表面模型越來(lái)越受到關(guān)注，應(yīng)用范圍更加廣闊。尤其一些行業(yè)對(duì)建筑物高度有一定的標(biāo)準(zhǔn)，十分重視數(shù)字表面模型的應(yīng)用，了解最真實(shí)的地面起伏情況。但仍缺乏標(biāo)準(zhǔn)化、完整的檢驗(yàn)方法，檢查和評(píng)定數(shù)字表面模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，沒(méi)有說(shuō)明具體的質(zhì)量檢測(cè)細(xì)則，只是有關(guān)數(shù)字表面模型的數(shù)據(jù)檢查項(xiàng)。本文進(jìn)行合理地評(píng)價(jià)和改進(jìn)，研究探索數(shù)字表面模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法，用于生產(chǎn)生活中。

1.數(shù)字表面模型（DSM）的質(zhì)量元素

（1）位置精度。不僅包含地面高程，并且也包括其他地表的高程信息，比如，房屋表面、植被表面。位置精度質(zhì)量的主要子元素，為高程精度；（2）數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性是其主要質(zhì)量子元素。質(zhì)量元素為時(shí)間精度；（3）空間參考系。數(shù)字幾何對(duì)象、地面實(shí)體的對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，為空間參考系[1]。高程基準(zhǔn)是空間參考系的主要子元素，同時(shí)有地圖投影、大地基準(zhǔn)；（4）格網(wǎng)或圖幅的范圍、格網(wǎng)尺寸，為柵格質(zhì)量的主要質(zhì)量子元素，也就是格網(wǎng)參數(shù)；（5）邏輯一致性[2]。就是一致性的拓?fù)潢P(guān)系，屬性編碼、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的正確性；（6）附件質(zhì)量。圖歷簿、元數(shù)據(jù)及其他附屬文檔等，都是其主要質(zhì)量子元素。

2.地形測(cè)繪中數(shù)字表面模型的質(zhì)量檢查

地理信息資源的測(cè)繪工作中，通常需要利用數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）等工具，并通過(guò)主題模型(LDA)的潛在語(yǔ)義分析融合形成低維度的高層語(yǔ)義表征，最后以支持向量機(jī)(SVM)作為監(jiān)督學(xué)習(xí)訓(xùn)練分類器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字表面模型的高精度快速自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)使用非壓縮IMG數(shù)據(jù)格式，表示DSM成果。山地為10m，丘陵地為6m，平地為6m，格網(wǎng)間距為10m，高山地為13m[3]。評(píng)定DSM成果的質(zhì)量，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。現(xiàn)行的國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要是數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，并沒(méi)有細(xì)化測(cè)繪產(chǎn)品的評(píng)定方法，需制定具體的檢查細(xì)則。通常檢查細(xì)則制定，需要依據(jù)數(shù)字測(cè)繪成果的不同特點(diǎn)進(jìn)行。對(duì)于具體的DSM產(chǎn)品，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]。隨著實(shí)際檢驗(yàn)工作的推進(jìn)，進(jìn)行修正完善。

3.地形測(cè)繪中數(shù)字表面模型的質(zhì)量檢查評(píng)定體系

數(shù)字表面模型的質(zhì)量檢查關(guān)鍵檢驗(yàn)元素主要包括元數(shù)據(jù)、空間參考系、柵格質(zhì)量、邏輯一致性、位置精度、時(shí)間精度，其檢查詳細(xì)內(nèi)容如下：

（1）元數(shù)據(jù)。檢查元數(shù)據(jù)的內(nèi)容、完整性、正確性、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等是否符合規(guī)定；

（2）空間參考系。檢查成果數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)、投影各參數(shù)是否符合要求；

（3）柵格質(zhì)量。檢查格網(wǎng)尺寸；檢查裁切范圍，檢查圖幅裁切范圍的正確性；檢查成果范圍，檢查DSM成果數(shù)據(jù)在影像控制范圍內(nèi)是否已滿幅，針對(duì)影像無(wú)法匹配處可選用原始DEM填補(bǔ)，使用-99999填補(bǔ)無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)域；

（4）位置精度。DSM格網(wǎng)數(shù)據(jù)精度，重點(diǎn)檢查內(nèi)容為高程變化較大的區(qū)域，是否符合實(shí)際特征；高程精度重點(diǎn)包括檢查點(diǎn)位置合理性，檢查點(diǎn)數(shù)目是否足夠，中誤差是否超限；接邊檢查，換帶接邊時(shí)通常需小于地形類別要求的限差,最大應(yīng)小于2倍中誤差；套合檢查，對(duì)比DSM成果與原始DEM高差較差；云、雪覆蓋性檢查，覆蓋范圍是否合理、過(guò)渡是否合理；

（5）邏輯一致性檢查。檢查成果數(shù)據(jù)格式是否正確；對(duì)于補(bǔ)漏數(shù)據(jù)檢查其屬性項(xiàng)是否合理充分；進(jìn)行數(shù)據(jù)文件檢查，檢查其文件命名是否符合規(guī)定、文件是否完善；

（6）時(shí)間精度。檢查基礎(chǔ)資料利用的正確性、檢查最終成果數(shù)據(jù)。

對(duì)上述檢查內(nèi)容需要結(jié)合詳細(xì)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量，評(píng)價(jià)檢驗(yàn)樣本的具體質(zhì)量等級(jí)。對(duì)此，評(píng)定測(cè)繪成果的質(zhì)量，需要根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)分體系[5]。在實(shí)際應(yīng)用中，主要有兩種評(píng)分體系，包括《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》質(zhì)量體系和《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》質(zhì)量體系，各自有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。

3.1 《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》質(zhì)量體系

《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》，有一定的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于數(shù)字產(chǎn)品。每一個(gè)質(zhì)量元素，有判斷標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)分公式相對(duì)應(yīng)。同時(shí)可以有不同的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，判定各個(gè)質(zhì)量元素。根據(jù)“木桶原理”，獲取產(chǎn)品質(zhì)量的最終得分，選取每個(gè)的最低分?jǐn)?shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要注意對(duì)于檢查員來(lái)說(shuō)，此方式的操作比較困難，有一定的局限性。關(guān)鍵是柵格質(zhì)量的編輯質(zhì)量。如果出現(xiàn)較輕的錯(cuò)誤，扣除的分值在此就會(huì)顯示。如果沒(méi)有重大的A類錯(cuò)誤，成果評(píng)價(jià)得分的主要依據(jù)，就是編輯質(zhì)量。同時(shí)，依據(jù)面積比的方式，針對(duì)這個(gè)質(zhì)量子元素進(jìn)行計(jì)分。一幅圖容易計(jì)算整體面積。但確定每一個(gè)錯(cuò)誤區(qū)域的面積，可操作性比較低，存在較大困難：（1）部分高程錯(cuò)誤的分布方式是成點(diǎn)狀散列。如果需要框選每一處錯(cuò)誤的面積，檢查員的工作就會(huì)非常繁重。并且框選的面積值的準(zhǔn)確性不能保證；（2）許多高程錯(cuò)誤成線性分布，很難確定面積。比如，斷崖式高程異變?cè)趽Q帶區(qū)域等。由于異常的高程，對(duì)質(zhì)量的判定要求更高，不能簡(jiǎn)單依據(jù)框選面積。需要判定是A類的錯(cuò)誤，或者B類。若判定為A類錯(cuò)誤，則該產(chǎn)品即為不合格的產(chǎn)品，產(chǎn)生的影響較大。由此《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》實(shí)際應(yīng)用可操作性有限。

3.2 《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》質(zhì)量體系

應(yīng)用《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》，進(jìn)行質(zhì)量評(píng)分，判定需要錯(cuò)誤類別。該體系屬于百分制的評(píng)分體系。錯(cuò)誤類別A、B、C、D，對(duì)應(yīng)扣除不同的分?jǐn)?shù)，分別為42分、12分、4分、1分?？偡?00分，采取滿分減分制，獲得檢查評(píng)價(jià)結(jié)果。該體系的評(píng)分方法容易操作、簡(jiǎn)單方便。通過(guò)加權(quán)，可以對(duì)質(zhì)量元素的重要程度進(jìn)行調(diào)節(jié)。由此在實(shí)際應(yīng)用中，其良好的可操作性，獲得檢查員們的認(rèn)可。

3.3 分析結(jié)果

在《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》中，有關(guān)錯(cuò)誤判定的標(biāo)準(zhǔn)不足。因?yàn)镈SM屬于新的測(cè)繪產(chǎn)品，相關(guān)評(píng)定尚不完善。為更好地檢查質(zhì)量，需要結(jié)合兩種質(zhì)量評(píng)定體系。質(zhì)量元素的分類，以及錯(cuò)誤標(biāo)準(zhǔn)，更加明確。結(jié)合積累的質(zhì)檢經(jīng)驗(yàn)，以及相關(guān)項(xiàng)目的大量統(tǒng)計(jì)，制定錯(cuò)誤評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)分可以使用百分制評(píng)定原則。

3.4 地形測(cè)繪數(shù)字表面模型質(zhì)量檢查實(shí)例

不同的高程異常情況（如圖1、圖2所示）：

圖1 斷崖式高程異常

圖2 網(wǎng)格狀高程異常

根據(jù)相關(guān)檢查規(guī)范，兩種錯(cuò)誤類型屬于質(zhì)量元素問(wèn)題，歸于位置精度。但很難界定具體的錯(cuò)誤面積，因?yàn)殄e(cuò)誤區(qū)域呈現(xiàn)線性分布的特點(diǎn)。根據(jù)評(píng)價(jià)體系,B類錯(cuò)誤，屬于趨勢(shì)性錯(cuò)誤，扣12分。

3.5 柵格數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查流程

數(shù)字表面模型、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)成果檢查有具體的技術(shù)規(guī)程要求，比如，格網(wǎng)尺寸、文件命名、邏輯一致性、空間參考、邏輯關(guān)系檢查、接邊檢查等。在地理空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，柵格數(shù)據(jù)的圖幅接邊檢查是重要的一部分。自動(dòng)接邊檢查根據(jù)程序進(jìn)行。程序化工作可以節(jié)約檢查時(shí)間，防止人工作業(yè)的疏漏。一些異常通常人工作業(yè)難以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)檢查，能夠獲得良好的結(jié)果。圖幅接邊質(zhì)量問(wèn)題檢查，采用的是FME系統(tǒng)，能夠進(jìn)行自動(dòng)批量檢查，滿足實(shí)際需求。對(duì)于此項(xiàng)目，降高處理以數(shù)字表面模型為基礎(chǔ)，對(duì)地物的高程進(jìn)行編輯，比如，橋梁、房屋、植被、林地等，使其降低至地面，形成數(shù)字高程模型產(chǎn)品。

在實(shí)際生產(chǎn)中，需要數(shù)字表面模型的高程值，超過(guò)數(shù)字高程模型高程值。要求對(duì)數(shù)字表面模型、數(shù)字高程模型的邏輯關(guān)系進(jìn)行檢查。通過(guò)FME轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)崿F(xiàn)批量化檢查工作，比如，文件命名、邏輯一致性、柵格數(shù)據(jù)的空間參考等數(shù)據(jù)質(zhì)量。

柵格數(shù)據(jù)作為一種數(shù)據(jù)組織方式，主要表示空間地物或現(xiàn)象分布，采取二維矩陣的形式顯示。一個(gè)柵格單元就是一個(gè)矩陣單位。地理空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模型之一，就是柵格數(shù)據(jù)模型。采用FME轉(zhuǎn)換平臺(tái)，檢查數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)質(zhì)量，能夠批量檢查多項(xiàng)內(nèi)容，為檢查柵格數(shù)據(jù)質(zhì)量提供有效的途徑。FME可以整合不同地理信息系統(tǒng)要素，以及數(shù)據(jù)模型，對(duì)各種空間數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換。FME有多種轉(zhuǎn)換器，可以處理柵格數(shù)據(jù)，對(duì)于柵格數(shù)據(jù)分析檢查有良好的作用。采用FME，批量接邊檢查柵格數(shù)據(jù)，接邊檢查流程（如圖3所示）：

圖3 FME接邊檢查

接邊檢查范圍提取，依據(jù)成果裁切框。將分幅成果裁切框輸入，進(jìn)行面疊加。利用字符串連接器，標(biāo)記圖幅接邊圖形。并進(jìn)行融合。（如圖4所示）為提取接邊檢查范圍結(jié)果。接邊檢查范圍作為裁切框，分幅柵格成果為被裁切對(duì)象，通過(guò)CLIPPER得到接邊檢查柵格數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行柵格減運(yùn)算，取運(yùn)算結(jié)果最大值、最小值，當(dāng)最大值、最小值滿足均為0或均為背景值時(shí)，表明同一格網(wǎng)點(diǎn)高程值一致，即接邊正確，否則表示存在不接邊問(wèn)題，對(duì)應(yīng)問(wèn)題柵格數(shù)據(jù)將被輸出。對(duì)于平面換帶圖幅接邊檢查，可以設(shè)定接邊限（一般為內(nèi)插點(diǎn)高程精度的2倍），當(dāng)最大值或最小值的絕對(duì)值大于接邊限差表明存在接邊問(wèn)題。

圖4 接邊檢查范圍提取

檢查邏輯關(guān)系，主要是出現(xiàn)數(shù)字表面模型，低于數(shù)字高程模型。實(shí)際應(yīng)用中，通常以數(shù)字平面模型為基礎(chǔ)，將高程下降，編輯獲得數(shù)字高程模型。要求高程值不超過(guò)數(shù)字平面模型高程值，達(dá)到質(zhì)量檢查的要求。使用FME，將分幅數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型的成果分別輸入。同名文件匹配，采取減運(yùn)算的方式。同一位置像元的數(shù)字表面模型、數(shù)字高程模型進(jìn)行相減。使用柵格運(yùn)算器。獲得差值結(jié)果進(jìn)行判斷。像元值最小值提取如果比0更小，負(fù)值部分輸出，以矢量點(diǎn)圖層方式。該圖幅內(nèi)有異常的高程邏輯問(wèn)題。對(duì)錯(cuò)誤位置快速定位。邏輯關(guān)系成果批量檢查流程（如圖5所示）：

圖5 邏輯關(guān)系檢查

在FME中也能夠批量檢查格網(wǎng)尺寸、空間參考、有效范圍、邏輯一致性等數(shù)據(jù)質(zhì)量。通過(guò)坐標(biāo)系統(tǒng)提取轉(zhuǎn)換器，提取坐標(biāo)系統(tǒng)，獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)與要求是否一致。柵格數(shù)據(jù)的屬性，通過(guò)Rasterpropertyextractor轉(zhuǎn)換器獲取，格網(wǎng)尺寸參數(shù)為_spacing_x、_spacing_y，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)是否正確。通過(guò)Attributeexposer提取數(shù)據(jù)存放路徑、數(shù)據(jù)文件名稱等，通過(guò)Substringextrsctor，獲得目錄組織信息、數(shù)據(jù)格式屬性等。依據(jù)設(shè)定的Stringconcatenator規(guī)則，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。通過(guò)Rasterbandminmaxextractor轉(zhuǎn)換器，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)高程值與有效范圍是否一致，對(duì)柵格數(shù)據(jù)的最大值、最小值進(jìn)行提取判斷。在FME中，批量接邊檢查柵格數(shù)據(jù)。對(duì)于圖幅接邊重疊區(qū)域?yàn)閮?yōu)先提取圖幅部分。計(jì)算重疊區(qū)域，由于數(shù)據(jù)量小，所有一定程度上，有效提升了檢查效率。比如，某區(qū)域的1∶50000標(biāo)準(zhǔn)分幅的數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)，有1115幅，只需要大約25′，即可完成接邊檢查。數(shù)字表面模型、數(shù)字高程模型的邏輯關(guān)系批量檢查，提升檢查質(zhì)量。另外，檢查時(shí)可以準(zhǔn)確定位出現(xiàn)錯(cuò)誤的位置，解決傳統(tǒng)無(wú)法定位的問(wèn)題。

4.結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字地表模型可以反映最真實(shí)的地面起伏情況，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是用在檢測(cè)森林生長(zhǎng)情況，城市發(fā)展情況以及安防巡防等工作方面，都會(huì)使用到數(shù)字地表模型，但數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查控制是一項(xiàng)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。任何測(cè)量方法都包含各種誤差，質(zhì)量控制與精度密切相關(guān)。最主要的是原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量及控制。在地形測(cè)繪數(shù)字表面模型的質(zhì)量檢查中，需要靈活運(yùn)用檢查方法及評(píng)價(jià)體系，尤其是新型地理信息產(chǎn)品。比較優(yōu)劣性，制定合理的質(zhì)量評(píng)定方法，提升單一成果質(zhì)量檢查評(píng)定的準(zhǔn)確性，有效把握成果的質(zhì)量，減少工作量，提升工作效率。