一种针对第一次全国地理国情普查DOM数据的实用质量模型

项皓东，万义良，史文中

(1. 武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079； 2. 湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081； 3. 香港理工大学武汉大学空间信息联合实验室，湖北 武汉 430079)



一种针对第一次全国地理国情普查DOM数据的实用质量模型

项皓东1，万义良2，史文中3

(1. 武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079； 2. 湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081； 3. 香港理工大学武汉大学空间信息联合实验室，湖北 武汉 430079)

数字正射影像作为地理空间数据的重要组成部分，是地理国情普查中的重要数据源，其数据质量直接影响到基于地理国情普查成果的决策可信度。本文结合第一次全国地理国情普查的要求，提出了一种实用的数字正射影像质量模型，并对数字正射影像质量检查的内容和方法进行了总结和比较分析，通过实际验证，本文提出的质量模型实用可靠。

DOM数据；质量模型；质量检查

随着测绘事业的发展，空间数据逐渐在国民生产、国防建设、规划勘测等方面发挥重要作用，数据质量直接影响到数据应用的可信度，空间数据质量检查至关重要。数字正射影像图(DOM)作为地理国情普查中主要的数据源和国家基础地理信息数字成果的重要组成部分，质量检查也是非常重要的环节。我国于2013年开展第一次全国地理国情普查工作，制定的多项规定中对DOM的数据内容作出了详细的描述和要求。因此，为了适应当前需求，提出一种实用的DOM数据质量模型，为质检工作提供一个高效稳定的检查系统很有必要[1]。

不少国内学者对空间数据质量模型与质量控制已作了大量研究。杜道生等认为不同质量评价方法决定不同的质量模型，提出一种基于不同评价方法的统一的空间数据质量模型，这是一种概念模型，质量元素还需进一步细化[2]。曾衍伟提出的DOM质量模型，对于不同数据用途和用户需求，各质量元素的权重会发生变化[3]。本文在总结前人研究的基础上，结合当前生产实际和质检需求，通过实际调研提出一种实用的DOM质量模型，为质检工作提供理论参考。并根据该质量模型开发出功能比较完善的质量检查系统[4]。

一、DOM数据的实用质量模型

数字正射影像数据产品包括影像和附属数据，其质量采用质量元素来描述，质量元素是指成果满足规定要求和使用目的的基本特性。根据DOM数据的性质和特点，总结其质量元素，质量子元素和检查项见表1。

表1　DOM数据质量模型

该质量模型完整地包含了DOM数据质量的内容，与以往的DOM质量模型相比，有如下改进：①细化并完善了各质量元素的内容，对各质量元素提出明确的检查项和质量指标；②增加了图幅裁切检查项，归在投影坐标系质量子元素中，由于图幅裁切的范围依据投影坐标系和影像的图幅号确定，因此，投影坐标系对图幅裁切的范围有决定性作用；③总结了色彩模式、色彩特征、影像噪声和信息丢失以描述影像特性；④结合实际生产与质检调研，明确附件质量检查的检查对象，包括元数据、投影信息文件、坐标信息文件和控制点文件，并明确了检查内容。

二、数字正射影像质量检查

1. 空间参考系

大地基准、地图投影和高程基准检查是将影像实际的坐标系及相关参数与参考坐标系及参数进行比较，判断坐标系是否符合要求。

对于图幅范围检查，DOM影像的裁切范围为对应的基本存储单元最小外接矩形向外扩展100个像素的范围，其角点像元中心点坐标计算公式为[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为4个角点坐标；R为影像地面分辨率；int()表示将数字向下舍入到最接近的整数；max()和min()为返回参数列表中的最大值和最小值。

影像图幅裁切检查是由图幅号计算影像角点坐标，再根据式(1)—式(4)计算外扩角点坐标，与实际影像角点坐标进行对比来判断裁切范围是否符合要求。

2. 位置精度

(1) 平面位置精度

平面位置精度检查有多种方法[6]，叙述如下。

① 数字摄影测量法

利用原加密点在数字摄影测量系统中对被检测模型进行内定向、相对定向和绝对定向，然后在立体模型上采集检测点坐标。并与数字正射影像中相应的地图点坐标比较，计算坐标差并统计平面位置中误差

(5)

(6)

(7)

式中，(X，Y)为影像图上拾取检查点的坐标；(X0，Y0)为检查点的真实坐标；Mx、My为地物点在X、Y方向上的点位中误差；N为检查点总数。

② 检查点法

利用外业勘测或内业加密得到的检查点，在数字正射影像图中手动拾取检查点的同名点，比较检查点坐标与拾取点坐标，再根据式(5)—式(7)计算平面位置中误差。

③ 已成图法

将已成图(通常为数字线划图DLG)与DOM影像套合显示，通过采集同名点坐标，统计平面位置中误差。

以上3种方法中，第1种在实际检验中受客观条件制约一般不采用，第2和第3种都是人机交互检查。第3种方法由于操作简单，检验成本低，被多数生产单位采用，但可能存在以下问题：

a. 由于放大DOM影像后会出现栅格，影响影像中的点位判断，由此无法保证得到的点位坐标的准确性。

b. 因为无法确保DLG中每个地物都正确，与DLG叠加后若有叠加不上的区域，无法确定DOM是否正确。

生产单位对DOM平面精度的检查应根据实际采取适当的方法，本系统兼顾效率，成本和检查精度的角度考虑，为了能快速准确地发现质量问题，选择检查点法。

(2) 影像接边

接边精度包括位置接边、灰度和色彩接边。接边检查主要有以下两种方法。

① 人机交互检查

此方法需人工拾取接边区域的同名点，要求同名点分布均匀，易于辨认，数量足够，再根据同名点坐标差计算接边中误差[7]。灰度和色彩接边需目视检查。该方法依赖检查员的经验和状态，费时费力且效率很低。

② 特征点匹配法

该方法结合特征点提取和特征点匹配，在接边区域提取特征点，根据特征点匹配获得同名点，再计算同名点的坐标差统计接边精度。该方法提高了检查效率，减少了对检查员的依赖，但接边区域的地形对特征点提取和匹配结果有很大影响，算法的选择对检查结果也会有很大影响，因此，该方法有一定的局限性。

当前DOM影像制作是先进行正射纠正和拼接，再外扩分幅裁切，因为影像接边区域是由于外扩产生的，所以可通过影像角点坐标内插得到影像接边区域各像素点的坐标，根据两幅影像对应像素点坐标是否一致来判断位置接边是否符合要求，以两幅待查接边影像为左上-右下的相对位置关系为例，如图1所示。

图1　接边影像示例图

图1中Δx和Δy表示两幅影像的行差和列差。根据下面公式计算对应像素的大地坐标。

(8)

(9)

(10)

(11)

3. 逻辑一致性

空间地理数据的逻辑一致性包括概念一致性、格式一致性和拓扑一致性。DOM数据只需检查格式一致性。格式一致性即检查数据文件的存储结构和格式的符合程度，包括数据归档、数据文件、数据格式和文件命名。主要检查文件存储组织是否符合要求，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。需对数据文件夹的各级文件夹及文件的内容、命名、数据格式等按照相关规定[8]进行对比检查。

4. 影像/栅格质量

分辨率检查是将影像地面分辨率与规定要求的分辨率[9-10]进行比较来判断其是否符合要求。

影像特性包括色彩模式、色彩特征、影像噪声和信息丢失。即检查影像色彩模式是否符合要求，色调是否均匀，噪声的影响程度，是否存在失真、模糊、裂缝、漏洞、丢失或反差不明显的区域[11]。目前常使用信噪比、信息熵、调制传递函数[12]等作为影像质量评价的参考，但并不适用所有的正射影像质量评价。对影像质量评价的研究也是目前数据质量研究的一个重要方向[13]。对于正射影像的影像质量检查，实际质检中主要依靠目视检查，效率低下且容易出错，因此，影像质量的自动评价方法还需要进一步研究。

5. 附件质量

元数据检查指项错漏和内容错漏检查[14]，分别检查属性项是否存在缺失、名称错误和属性内容填写是否有缺失和错误。采用模板匹配法[15]进行检查，根据元数据的标准内容制作检查模板，并对各项设置检查规则，将待查元数据各项与模板内容进行匹配检查，这种方法效率高，检查结果准确。

坐标信息文件和投影信息文件逐项检查其内容是否符合要求即可。

对控制点文件的检查有以下几项：①控制点命名检查；②文件中控制点经纬度坐标与大地投影坐标是否对应；③各项内容填写是否符合标准内容格式；④文件中的信息与影像元数据及影像相关信息是否一致。

对控制点索引文件需检查以下几项：①索引影像裁切范围是否正确；②格式是否符合要求；③十字丝是否在影像中央，且是否符合灰度要求。

三、应用实例

根据本文提出的DOM质量模型，笔者设计并开发了DOM数据质量检查系统，系统框架如图2所示。

除检查功能之外，系统也提供数据导入、制定检查方案、批量数据检查、生成质检报告等功能来辅助检查。

图2　系统框架

利用该质量检查系统对一个1∶50 000比例尺DOM数据文件夹进行检查，程序运行系统平台为WIN7 64位环境，CPU为Intel 酷睿i5 4200M，4 GB内存。各项检查结果与人工检查结果与时间对比见表2。

表2　系统检查结果与人工检查对比

系统的检查结果表明：①系统实现的各检查功能与人工检查的结果基本一致，结果准确，可用于DOM数据的质量检查；②平面位置精度检查人工检查通常采用与DLG数据套合对比来检查其平面位置精度，本系统采用检查点法，需要质检员手动选取影像中检查点的位置，因此，检查效率提升受到一定限制，但仍然缩短了检查时间；③附件质量检查的人工检查结果为合格，而系统检查结果为元数据检查不符合要求，存在内容错漏与项错漏，经与标准元数据内容对比验证，发现该元数据的属性项与属性内容存在单词拼写错误和英文大小写与标准元数据不一致的问题，系统检查的结果更准确，说明系统检查可克服由于检查人员的疏忽和经验等造成的检查结果不准确和不稳定的问题；④通过对比检查所需的时间，发现系统可极大减少检查工作所需的时间，检查工作的效率得到极大提高。

四、总　结

空间数据质量检查是空间数据质量控制的关键手段，而空间数据质量检查的重点在于如何将数据中存在的质量问题迅速检查出来。本文针对第一次全国地理国情普查的DOM成果数据提出了一种实用的质量模型，并探讨了各检查项的检查方法，设计并开发了DOM质量检查系统，完整实现了质量检查的流程，该系统被国内多家测绘单位采用，经实际使用，检查效果准确可靠，并极大提高了质检工作的效率，节省了人力。

[1]赵力彬, 谢露蓉, 吕志勇, 等. 空间数据质量检查与评价系统的设计与实现[J]. 测绘通报, 2010 (9): 45-47.

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[3]曾衍伟, 龚健雅. 空间数据质量控制与评价方法及实现技术[J]. 武汉大学学报(信息科学版)，2004, 29(8): 686-690.

[4]刘建军. 基础地理信息数据质量检查软件的设计探讨[J]. 测绘通报, 2010 (11): 18-21.

[5]国务院第一次全国地理国情普查领导小组办公室. 数字正射影像生产技术规定：GDPJ05—2013[S]. 北京:国务院第一次全国地理国情普查领导小组办公室，2014.

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[8]国务院第一次全国地理国情普查领导小组办公室. 地理国情普查成果资料汇交与归档基本要求：GDPJ07—2014[S]. 北京:国务院第一次全国地理国情普查领导小组办公室，2014.

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[10]国家测绘局测绘标准化研究所. 基础地理信息数字成果1∶5000、1∶10 000、1∶25 000、1∶50 000、1∶100 000数字正射影像图：CH/T9009.3—2010[S]. 北京: 测绘出版社，2010.

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[14]国家测绘局测绘标准化研究所. 数字测绘成果质量检查与验收：GB/T18316-2008[S].北京: 中国标准出版社，2008.

[15]聂小波.基础地理信息数据质量检查系统设计与实现[D].武汉：中国地质大学, 2006.

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

项皓东(1992—)，男，硕士，研究方向为空间数据质量。E-mail：xianghaodong@whu.edu.cn

P208

B

0494-0911(2016)08-0053-04

引文格式：项皓东，万义良，史文中.一种针对第一次全国地理国情普查DOM数据的实用质量模型[J].测绘通报，2016(8)：53-56.