地形測繪中數字表面模型數據質量檢查

任江峰 穆志杰

（自然資源部第二地形測量隊，陜西 西安 710054）

0.引言

數字表面模型屬于地面高程模型，模擬地物表面相關事物的高度，比如，地表建筑物、橋梁、樹木等等。數字表面模型范圍更廣，相比數字高程模型，對于地表信息的高程也可以由此獲取。隨著地面工程增多，數字表面模型越來越受到關注，應用范圍更加廣闊。尤其一些行業(yè)對建筑物高度有一定的標準，十分重視數字表面模型的應用，了解最真實的地面起伏情況。但仍缺乏標準化、完整的檢驗方法，檢查和評定數字表面模型的數據質量。現行標準的規(guī)范，沒有說明具體的質量檢測細則，只是有關數字表面模型的數據檢查項。本文進行合理地評價和改進，研究探索數字表面模型的數據質量檢查方法，用于生產生活中。

1.數字表面模型（DSM）的質量元素

（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。位置精度質量的主要子元素，為高程精度；（2）數據的現勢性是其主要質量子元素。質量元素為時間精度；（3）空間參考系。數字幾何對象、地面實體的對應數學基礎，為空間參考系[1]。高程基準是空間參考系的主要子元素，同時有地圖投影、大地基準；（4）格網或圖幅的范圍、格網尺寸，為柵格質量的主要質量子元素，也就是格網參數；（5）邏輯一致性[2]。就是一致性的拓撲關系，屬性編碼、數據格式、數據結構的正確性；（6）附件質量。圖歷簿、元數據及其他附屬文檔等，都是其主要質量子元素。

2.地形測繪中數字表面模型的質量檢查

地理信息資源的測繪工作中，通常需要利用數字表面模型（DSM）、數字正射影像圖（DOM）等工具，并通過主題模型(LDA)的潛在語義分析融合形成低維度的高層語義表征，最后以支持向量機(SVM)作為監(jiān)督學習訓練分類器，實現數字表面模型的高精度快速自動識別，同時使用非壓縮IMG數據格式，表示DSM成果。山地為10m，丘陵地為6m，平地為6m，格網間距為10m，高山地為13m[3]。評定DSM成果的質量，依據國家標準執(zhí)行。現行的國家相關標準，主要是數字測繪成果質量評定標準，并沒有細化測繪產品的評定方法，需制定具體的檢查細則。通常檢查細則制定，需要依據數字測繪成果的不同特點進行。對于具體的DSM產品，依據行業(yè)標準[4]。隨著實際檢驗工作的推進，進行修正完善。

3.地形測繪中數字表面模型的質量檢查評定體系

數字表面模型的質量檢查關鍵檢驗元素主要包括元數據、空間參考系、柵格質量、邏輯一致性、位置精度、時間精度，其檢查詳細內容如下：

（1）元數據。檢查元數據的內容、完整性、正確性、數據格式、數據結構等是否符合規(guī)定；

（2）空間參考系。檢查成果數據坐標系統(tǒng)、高程基準、投影各參數是否符合要求；

（3）柵格質量。檢查格網尺寸；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成果數據在影像控制范圍內是否已滿幅，針對影像無法匹配處可選用原始DEM填補，使用-99999填補無數據區(qū)域；

（4）位置精度。DSM格網數據精度，重點檢查內容為高程變化較大的區(qū)域，是否符合實際特征；高程精度重點包括檢查點位置合理性，檢查點數目是否足夠，中誤差是否超限；接邊檢查，換帶接邊時通常需小于地形類別要求的限差,最大應小于2倍中誤差；套合檢查，對比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、過渡是否合理；

（5）邏輯一致性檢查。檢查成果數據格式是否正確；對于補漏數據檢查其屬性項是否合理充分；進行數據文件檢查，檢查其文件命名是否符合規(guī)定、文件是否完善；

（6）時間精度。檢查基礎資料利用的正確性、檢查最終成果數據。

對上述檢查內容需要結合詳細的評分標準，判斷數據質量，評價檢驗樣本的具體質量等級。對此，評定測繪成果的質量，需要根據國家標準的評分體系[5]。在實際應用中，主要有兩種評分體系，包括《數字測繪成果質量檢查與驗收》質量體系和《測繪成果質量檢查與驗收》質量體系，各自有優(yōu)勢和缺點。

3.1 《數字測繪成果質量檢查與驗收》質量體系

《數字測繪成果質量檢查與驗收》，有一定的優(yōu)勢，對于數字產品。每一個質量元素，有判斷標準、評分公式相對應。同時可以有不同的評定標準，判定各個質量元素。根據“木桶原理”，獲取產品質量的最終得分，選取每個的最低分數。

在實際應用中，需要注意對于檢查員來說，此方式的操作比較困難，有一定的局限性。關鍵是柵格質量的編輯質量。如果出現較輕的錯誤，扣除的分值在此就會顯示。如果沒有重大的A類錯誤，成果評價得分的主要依據，就是編輯質量。同時，依據面積比的方式，針對這個質量子元素進行計分。一幅圖容易計算整體面積。但確定每一個錯誤區(qū)域的面積，可操作性比較低，存在較大困難：（1）部分高程錯誤的分布方式是成點狀散列。如果需要框選每一處錯誤的面積，檢查員的工作就會非常繁重。并且框選的面積值的準確性不能保證；（2）許多高程錯誤成線性分布，很難確定面積。比如，斷崖式高程異變在換帶區(qū)域等。由于異常的高程，對質量的判定要求更高，不能簡單依據框選面積。需要判定是A類的錯誤，或者B類。若判定為A類錯誤，則該產品即為不合格的產品，產生的影響較大。由此《數字測繪成果質量檢查與驗收》實際應用可操作性有限。

3.2 《測繪成果質量檢查與驗收》質量體系

應用《測繪成果質量檢查與驗收》，進行質量評分，判定需要錯誤類別。該體系屬于百分制的評分體系。錯誤類別A、B、C、D，對應扣除不同的分數，分別為42分、12分、4分、1分。總分100分，采取滿分減分制，獲得檢查評價結果。該體系的評分方法容易操作、簡單方便。通過加權，可以對質量元素的重要程度進行調節(jié)。由此在實際應用中，其良好的可操作性，獲得檢查員們的認可。

3.3 分析結果

在《測繪成果質量檢查與驗收》中，有關錯誤判定的標準不足。因為DSM屬于新的測繪產品，相關評定尚不完善。為更好地檢查質量，需要結合兩種質量評定體系。質量元素的分類，以及錯誤標準，更加明確。結合積累的質檢經驗，以及相關項目的大量統(tǒng)計，制定錯誤評定標準，評分可以使用百分制評定原則。

3.4 地形測繪數字表面模型質量檢查實例

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 網格狀高程異常

根據相關檢查規(guī)范，兩種錯誤類型屬于質量元素問題，歸于位置精度。但很難界定具體的錯誤面積，因為錯誤區(qū)域呈現線性分布的特點。根據評價體系,B類錯誤，屬于趨勢性錯誤，扣12分。

3.5 柵格數據質量檢查流程

數字表面模型、數字高程模型數據生產過程中，對成果檢查有具體的技術規(guī)程要求，比如，格網尺寸、文件命名、邏輯一致性、空間參考、邏輯關系檢查、接邊檢查等。在地理空間數據生產中，柵格數據的圖幅接邊檢查是重要的一部分。自動接邊檢查根據程序進行。程序化工作可以節(jié)約檢查時間，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，通過程序實現檢查，能夠獲得良好的結果。圖幅接邊質量問題檢查，采用的是FME系統(tǒng)，能夠進行自動批量檢查，滿足實際需求。對于此項目，降高處理以數字表面模型為基礎，對地物的高程進行編輯，比如，橋梁、房屋、植被、林地等，使其降低至地面，形成數字高程模型產品。

在實際生產中，需要數字表面模型的高程值，超過數字高程模型高程值。要求對數字表面模型、數字高程模型的邏輯關系進行檢查。通過FME轉換器，能夠實現批量化檢查工作，比如，文件命名、邏輯一致性、柵格數據的空間參考等數據質量。

柵格數據作為一種數據組織方式，主要表示空間地物或現象分布，采取二維矩陣的形式顯示。一個柵格單元就是一個矩陣單位。地理空間數據的存儲模型之一，就是柵格數據模型。采用FME轉換平臺，檢查數字表面模型數據質量，能夠批量檢查多項內容，為檢查柵格數據質量提供有效的途徑。FME可以整合不同地理信息系統(tǒng)要素，以及數據模型，對各種空間數據進行讀寫存儲和轉換。FME有多種轉換器，可以處理柵格數據，對于柵格數據分析檢查有良好的作用。采用FME，批量接邊檢查柵格數據，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，依據成果裁切框。將分幅成果裁切框輸入，進行面疊加。利用字符串連接器，標記圖幅接邊圖形。并進行融合。（如圖4所示）為提取接邊檢查范圍結果。接邊檢查范圍作為裁切框，分幅柵格成果為被裁切對象，通過CLIPPER得到接邊檢查柵格數據，對其進行柵格減運算，取運算結果最大值、最小值，當最大值、最小值滿足均為0或均為背景值時，表明同一格網點高程值一致，即接邊正確，否則表示存在不接邊問題，對應問題柵格數據將被輸出。對于平面換帶圖幅接邊檢查，可以設定接邊限（一般為內插點高程精度的2倍），當最大值或最小值的絕對值大于接邊限差表明存在接邊問題。

圖4 接邊檢查范圍提取

檢查邏輯關系，主要是出現數字表面模型，低于數字高程模型。實際應用中，通常以數字平面模型為基礎，將高程下降，編輯獲得數字高程模型。要求高程值不超過數字平面模型高程值，達到質量檢查的要求。使用FME，將分幅數字高程模型、數字表面模型的成果分別輸入。同名文件匹配，采取減運算的方式。同一位置像元的數字表面模型、數字高程模型進行相減。使用柵格運算器。獲得差值結果進行判斷。像元值最小值提取如果比0更小，負值部分輸出，以矢量點圖層方式。該圖幅內有異常的高程邏輯問題。對錯誤位置快速定位。邏輯關系成果批量檢查流程（如圖5所示）：

圖5 邏輯關系檢查

在FME中也能夠批量檢查格網尺寸、空間參考、有效范圍、邏輯一致性等數據質量。通過坐標系統(tǒng)提取轉換器，提取坐標系統(tǒng)，獲得相關的數據，評價與要求是否一致。柵格數據的屬性，通過Rasterpropertyextractor轉換器獲取，格網尺寸參數為_spacing_x、_spacing_y，評價數據是否正確。通過Attributeexposer提取數據存放路徑、數據文件名稱等，通過Substringextrsctor，獲得目錄組織信息、數據格式屬性等。依據設定的Stringconcatenator規(guī)則，對數據進行檢查。通過Rasterbandminmaxextractor轉換器，評價數據高程值與有效范圍是否一致，對柵格數據的最大值、最小值進行提取判斷。在FME中，批量接邊檢查柵格數據。對于圖幅接邊重疊區(qū)域為優(yōu)先提取圖幅部分。計算重疊區(qū)域，由于數據量小，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標準分幅的數字表面模型數據，有1115幅，只需要大約25′，即可完成接邊檢查。數字表面模型、數字高程模型的邏輯關系批量檢查，提升檢查質量。另外，檢查時可以準確定位出現錯誤的位置，解決傳統(tǒng)無法定位的問題。

4.結束語

數字地表模型可以反映最真實的地面起伏情況，可廣泛應用于各行各業(yè)，尤其是用在檢測森林生長情況，城市發(fā)展情況以及安防巡防等工作方面，都會使用到數字地表模型，但數據質量的檢查控制是一項關鍵的環(huán)節(jié)。任何測量方法都包含各種誤差，質量控制與精度密切相關。最主要的是原始數據的質量及控制。在地形測繪數字表面模型的質量檢查中，需要靈活運用檢查方法及評價體系，尤其是新型地理信息產品。比較優(yōu)劣性，制定合理的質量評定方法，提升單一成果質量檢查評定的準確性，有效把握成果的質量，減少工作量，提升工作效率。