面向大规模数字正射影像的质量检查方法

程 滔， 郭雅琳， 周 旭， 廖安平， 张宏伟， 吴秀龙

（1.国家基础地理信息中心，北京 100830；2.工业和信息化部 软件与集成电路促进中心，北京 100876；3.安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

国家1∶50 000基础地理信息数据库建设，是国家测绘地理信息局组织的一项基础性测绘工作。作为该数据库中极其重要的数据之一，大规模数字正射影像（digital orthophoto maps，简称DOM）的质量需要严格把关。由于DOM在生产过程中，数据源种类较多（包括SWDC、UCD、UCX、RC30、QuickBird、IKONOS、SPOT5、ALOS、P5等航空或航天遥感平台），分辨率有多种，影像处理算法与工艺流程等不尽相同，因此，在入库前须进行层层质量检查，准确掌握存在的质量问题，并有效地解决，以保证数据入库的完整性和规范性，数据质量符合规定要求。

目前的检查手段主要是针对不同的检查内容，利用不同的商业软件进行的。然而，DOM是遵循项目“技术规定”、“数据规定”以及相关的其他标准规范生产而成的［1］，精度指标等参数还与图幅地形类别、分辨率等有紧密联系，商业软件无法对诸如此类问题实现检查；覆盖全国范围的DOM规模大、数量多、数据量大，每幅DOM包括影像数据、信息数据和元数据，三者之间相互关联，其元数据项数较多，各项内容的检查需设置多项检查条件才能完成，这些问题商业软件无法解决。

为此，本文提出一种全新的检查方法，并设计了优化算法，研发了一套数字正射影像质量检查软件（简称RSDataCheck）。该方法结合DOM数据特点，设置各项检查内容的判定条件，以高效率、自动化、系统化检查大规模DOM质量为目的，利用遥感技术、计算机技术与数据库技术，综合应用程序自动与人机交互2种方式，实现DOM各项内容的全面检查，解决了大数据量DOM数据的高效率检查的难题。

RSDataCheck软件已应用于国家1∶50 000基础地理信息数据库建设项目中，对DOM质量检查的开展起到了支撑作用，大大提高了工作效率和准确性，为质量评价提供了重要方法和手段。

1 检查软件设计

RSDataCheck软件是在集成开发环境中，使用 Mircosoft Visual C＋＋6.0与 Visual Basic 6.0语言实现的，并调用了GDAL函数库，充分利用其栅格空间数据支持能力，实现影像的读取、显示与处理；采取分模块开发的方式，模块之间相对独立，完成后进行模块集成。

1.1 总体框架设计

软件总体设计包括整个软件的功能模块设计、各功能模块参数传递设计、各模块集成设计、数据库设计等内容。为了保证各模块之间能够进行合理、有效的集成，从总体上考虑了各模块的具体工作流程，建立了统一的数据接口。软件框架如图1所示。

在模块集成设计中，定义了统一的连接数据库参数（public变量）［2］。在软件登录模块，进行数据库的连接。使用 WinExec（）外部程序调用函数启动各模块，将数据库连接参数传递给WinExec（）函数，使登录用户在各模块能够访问权限许可的数据库，进行数据操作。

图1 软件框架

定义了统一的数据库接口函数，进行检查结果的入库，该函数设置了所有检查项的入库参数，参数类型与各检查记录项字段类型相同。各模块完成检查后，调用该函数，将检查结果录入数据库，存储于各检查记录项中。调用时，只传递该模块检查项对应的参数。经过了模块检查，检查记录项有记录；未经过模块检查，则检查记录项为空。这种方式有利于核查是否对DOM进行了所有内容的详查，且各模块可同时进行。

1.2 算法设计

DOM各项内容的检查方法和判定条件不尽相同，顺序检查各项内容时，属于唯一值的检查项，直接将其与真值比较，判定其是否正确；属于区间值的检查项，判定其是否处于正确的区间内；相互之间具有逻辑关联性的检查项，根据关联特征，判定其逻辑关系是否正确；与地形要素相关的检查项，根据图幅所处的地理空间特征，结合外部数据，判定其是否正确；查出问题后，得到解决的检查项，需重新检查，新记录覆盖数据库中的原记录信息；批量检查过程中，一幅图幅检查结束后，循环到下一幅图幅，直至导入的所有DOM各项内容检查完毕。算法流程如图2所示。

图2中，Ai、Bi、Ci、Di为检查项的值，ai、bi、ci、di为检查项的真值，Ti为检查项对应的地形数据值，ti为检查项对应的地形数据真值。

图2 算法流程图

1.3 功能模块设计

国家1∶50 000基础地理信息数据库更新工程中，DOM数据包括影像数据（TIF）、信息数据（TFW）、元数据（MDB）3种格式数据，RSData－Check软件充分利用3种数据的内容特征规范及其之间存在的数据关联和逻辑关系，判断相互之间的数据一致性，检查和发现数据生产中存在的错误。检查内容包括数据完整性、数据一致性、元数据质量、几何精度、接边精度、影像质量、数学基础等。对程序可以客观评价的检查项进行计算机编程自动检查，对需要人工参与的检查项利用计算机编程实现统一的人机交互检查平台。功能模块主要包括用户管理、质量检查、统计分析、辅助工具4个部分，由8个基本模块组成。

（1）用户管理。数据库中建立了信息表，保存用户信息，软件登录时，需要输入正确的用户名和密码，从数据库信息表中获取用户所能访问的数据库的连接信息，并连接数据库。

（2）元数据检查。支持带地形类别参考数据的元数据检查，主要是在数据库中创建标准分幅DOM唯一的检查记录项；批量自动检查标准分幅DOM的TIF文件、TFW文件、MDB文件是否存在，命名是否正确；设置一定规则，批量自动检查标准分幅DOM元数据各项内容是否正确。

（3）几何精度检查。该模块批量自动检查标准分幅DOM的平面最大误差和中误差［3］；批量自动检查标准分幅DOM各方向图幅接边最大误差和中误差。方法是在接边图幅之间的重叠区域内，大致均匀量测一定量的同名点，计算其较差，从而统计最大误差及中误差。

（4）影像质量检查。影像质量检查模块是软件比较重要的部分，承载的功能较多，并需要人工交互进行。其中，“数据完整性”检查有无漏洞和空洞区域。“整体细节质量”检查有无局部发黑或高亮丢失细节区域。“圈内镶嵌质量”检查镶嵌处色彩过渡是否自然，有无镶嵌引起的重影、模糊和纹理断裂等现象。“色彩调整”如果是卫片，则检查影像整体色彩是否接近自然真彩色，有无偏色、失真现象；如果是航片，则检查影像整体颜色是否清晰自然。“影像融合质量”（针对卫片）检查有无因配准不好造成模糊以及因影像色调而造成质量较差。“接边色彩过渡”检查，是通过目视查看图幅东、南、西、北4个方向接边的色彩过渡情况。“平面精度”检查是套合DRG影像检查标准分幅DOM的平面精度。“影像直方图”检查是统计标准分幅DOM的直方图，看是否大致成正态分布。

（5）裁切范围检查。该模块是利用标准分幅DOM的TFW文件中记录的左上角坐标和本幅影像的行列数据来计算出4个角点的坐标，与理论值进行比较，检查裁切范围是否正确。

（6）查询分析。该模块是在对标准分幅DOM进行部分检查或全部检查后，查询图幅的检查结果信息，整体把握质量检查情况，并对“元数据检查备注”和“影像质量检查备注”项中记录的问题进行处理，将处理结果保存到“解决方案备注”项中。

（7）统计总分。该模块是对标准分幅DOM进行完所有项的检查后，根据评分标准，自动对每个图幅进行评分，作为图幅质量评定的依据。检查完毕，系统自动将结果记录在服务器端数据库记录表的总分记录项中。

（8）辅助工具。该模块是对标准分幅DOM的检查、入库等提供数据处理辅助工具，主要包括合并元数据所有字段、合并元数据部分字段、缩编处理时自动拷贝组织1∶10 000DOM元数据、以及由1∶10 000DOM元数据生成1∶50 000 DOM元数据、生成统计报表等。对元数据进行格式编辑和生产，并在质量检查完毕后，以生产单位为单位，对DOM检查中发现的问题进行分类统计，生成统计报表，输出到报告中。

在每一步检查完毕后，软件都自动将错误类别及个数记录在服务器端数据库记录表的相应记录项中，并将错误信息详细记录在“备注”项中。检查完毕，通过查询分析模块可查询图幅检查结果。

1.4 数据结构设计

RSDataCheck软件是一套基于C／S结构的质量检查软件［4］，服务器端采用 Microsoft SQL Server数据库对检查结果进行管理和存储，以ADO作为访问服务器端数据库的编程接口［5－7］，对数据库进行质量检查数据的录入、更新、删除、查询等。该数据库是DOM质量评定的基础，建立一个良好的数据组织结构和数据库［8］，使整个软件系统可以便利地访问和调用所需的数据，是软件系统建设的重要任务之一。因此，数据库设计是本软件开发和建设的重要组成部分。

在国家1∶50 000数据库更新工程中，1∶50 000数字正射影像包括卫星数字正射影像和航空数字正射影像，因此，在数据库中建立了2个记录表，分别为“五万卫片检查记录表”和“五万航片检查记录表”，对卫片和航片的检查结果进行存储，保证了检查成果的统一性和规范性。

存储表包含了记录项与各记录项的字段类型，存储内容主要包括图幅基本信息、文件名称、数学基础及裁切范围检查结果信息、元数据检查结果信息、几何精度检查结果信息、影像质量检查结果信息、总体质量评价信息等。

2 算法效率与特点

利用RSDataCheck软件，能够对大规模DOM质量进行批量检查，该算法主要具备以下特点：

（1）检查方案采用C／S结构，可多用户并行操作，提高了质量检查的效率。

（2）检查内容包含了DOM各个方面，软件功能全面。

（3）检查过程尽可能降低人工检查工作量，程序对于可以客观评价的检查项完全进行自动检查；并且各模块具有批处理功能，检查效率高。

（4）检查结果入库统一，各模块相互独立，有利于软件维护与升级。

利用该检查方法，随机选取200幅标准分幅1∶50 000DOM进行质量检查测试，检查效率见表1所列。计算机配置为32位操作系统、1GB内存。

表1 软件质量检查效率

经测试，软件显示了极高的检查速度，并且占用内存适中，运行比较稳定。相比于通用方法，检查效率有明显的优势。

3 结束语

数字正射影像质量检查软件RSDataCheck是国家1∶50 000基础地理信息数据库建设项目的研究成果之一，解决了大规模DOM质量检查中的关键技术问题，完成了20 000多幅DOM质量的检查工作，在项目实施过程中发挥了重要作用。

检查方法严格参考项目“技术规定”、“数据规定”与“质量检查验收规定”等文件进行［9］，软件算法设计和流程设计比较合理。研发的软件为DOM验收入库阶段提供了很好的质量检查平台，对检查内容进行100%详查，具备批处理功能，大大提高了工作效率，满足了项目的需求。部分1∶50 000DOM成果由1：10 000DOM缩编而来，需要进行大量的预处理工作，软件提供了元数据处理、文件操作等辅助工具，给数据组织与管理提供了便利。

［1］国家测绘地理信息局.国家1∶50 000数据库更新工程：数字正射影像数 据规定［EB／OL］.（2007－06－01）［2007－08－12］.http：／／www.docin.com／p－212711796.html.

［2］宋 坤，刘锐宁，李伟明.Visual C＋＋开发技术大全［M］.北京：人民邮电出版社，2007：157－176.

［3］李卫国，高 飞，陈文玲.基于QuickBird卫星遥感影像的几何纠正方法对比［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2012，35（2）：238－241.

［4］何小翔，蒋叶青，蒋守仁.Client／Server Java应用系统分析与设计方法［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2003，26（3）：456－459.

［5］徐 鑫，康 波，吕炳朝.基于ADO的数据库编程技术在VC＋＋中的应用［J］.微机发展，2004，14（12）：92－94.

［6］刘增军，向 为，孙广富.基于ADO的数据库开发技术研究［J］.科学技术与工程，2007，7（5）：747－752.

［7］陈小春.ADO数据库访问技术在VC＋＋中的应用［J］.科技信息，2009（12）：203－205.

［8］汪 沁，奚李峰.数据结构［M］.北京：清华大学出版社，2009：14－24.

［9］GB／T 18316－2008，数字测绘成果质量检查与验收［S］.