數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與控制

.,第七章數(shù)字高程模型生產(chǎn)的質(zhì)量控制,數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與控制,影響DEM精度的因素是多種多樣的，其中DEM原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量是最主要的因素.不管采用何種測量方法，測量數(shù)據(jù)總會(huì)包含各種各樣的誤差，DEM數(shù)據(jù)也不例外，這些誤差從不同方面影響了DEM原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而DEM原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量又將嚴(yán)重影響最終DEM產(chǎn)品及其派生產(chǎn)品的精度或保真度，因此必須予以專門的處理。,空間數(shù)據(jù)質(zhì)量及其精度分析,數(shù)據(jù)質(zhì)量是空間數(shù)據(jù)在表達(dá)空間位置、專題特征以及時(shí)間這三個(gè)基本要素時(shí)，所能夠達(dá)到的準(zhǔn)確性、一致性、完整性，以及它們?nèi)咧g統(tǒng)一性的程度。（1）誤差(Error)（2）數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度(Accuracy)（3）數(shù)據(jù)的精密度(Resolution)（4）不確定性(Uncertainty),幾個(gè)概念,誤差誤差反映了數(shù)據(jù)與真實(shí)值或大家公認(rèn)的真值之間的差異。,數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度結(jié)果、計(jì)算值、估計(jì)值與真實(shí)值之間的差異。,.,不確定性關(guān)于空間過程和特征不能被準(zhǔn)確確定的程度。,數(shù)據(jù)的精密度數(shù)據(jù)表示的精密程度,亦即數(shù)據(jù)表示的有效位數(shù)。,空間數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià),數(shù)據(jù)情況說明時(shí)間精度(現(xiàn)勢性)位置精度(幾何精度)分類精度(屬性精度)可靠性邏輯的一致性、完整性數(shù)據(jù)采集與編碼方法,數(shù)據(jù)情況說明,要求對地理數(shù)據(jù)的來源、數(shù)據(jù)內(nèi)容及其處理過程等做出準(zhǔn)確、全面和詳盡的說明。,位置精度,指空間實(shí)體的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實(shí)體真實(shí)位置的接近程度，通常表現(xiàn)為空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)精度。它包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)精度、平面精度、高程精度、接邊精度、形狀再現(xiàn)精度、像元定位精度。平面精度又分為相對精度和絕對精度。,屬性精度,指空間實(shí)體的屬性與其真值相符的程度。通常取決于地理數(shù)據(jù)的類型，且常常與位置精度有關(guān)，包括要素分類與標(biāo)準(zhǔn)的正確性、要素屬性值的準(zhǔn)確性、名稱的正確性等。,時(shí)間精度,指數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性?？梢酝ㄟ^數(shù)據(jù)更新的時(shí)間和頻度來表現(xiàn)。,邏輯一致性,指地理數(shù)據(jù)關(guān)系上的可靠性，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)內(nèi)容，以及拓?fù)湫再|(zhì)上的內(nèi)在一致性。,數(shù)據(jù)完整性,指地理數(shù)據(jù)在范圍、內(nèi)容和結(jié)構(gòu)等方面滿足所有要求的完整程度，包括數(shù)據(jù)范圍、空間實(shí)體類型、空間關(guān)系分類、屬性特征分類等方面的完整性。,表達(dá)形式的合理性,主要指數(shù)據(jù)抽象、數(shù)據(jù)表達(dá)與真實(shí)地理世界的吻合性，包括空間特征、專題特征、時(shí)間特征表達(dá)的合理性。,誤差來源,原始數(shù)據(jù)的采集誤差,1）原始資料誤差：航片的誤差(包含航攝的各種誤差的綜合)、定向點(diǎn)誤差；2）采點(diǎn)設(shè)備誤差：測圖儀的誤差和計(jì)算機(jī)計(jì)算有效位數(shù)；3）人為誤差：測標(biāo)切地面的誤差(采用數(shù)字影像相關(guān)時(shí)為影像的相關(guān)誤差)；4）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差：相對定向和絕對定向的誤差。,.,高程內(nèi)插誤差,不管采用哪種內(nèi)插算法，內(nèi)插點(diǎn)的計(jì)算高程與實(shí)際量測高程之間總存在差值。高程內(nèi)插的誤差一方面和選用的數(shù)學(xué)方法(內(nèi)插算法)有關(guān)，另一方面和采點(diǎn)的方式有關(guān)。,常見的人為誤差,漏輸或錯(cuò)輸高程注記點(diǎn),矢量化過程中由于要在效果并不太好、密密麻麻的底圖上尋找大量高程注記點(diǎn)及其高程值,很容易使矢量化人員錯(cuò)輸或者漏輸山頭上的高程注記點(diǎn),這樣造成的影響是產(chǎn)生許多錯(cuò)誤地形,如平頂山。因此,在數(shù)字化過程中要特別留意對高程注記點(diǎn)的全面、正確賦值。,常見的人為誤差,等高線賦值誤差,等高線賦值誤差是一個(gè)比較常見的問題。將A、B兩條等高線的值由200和250錯(cuò)賦值為1000和750，使得原來平緩的山坡變?yōu)橛卸秆?地形非常復(fù)雜的山坡。將等高線由280錯(cuò)賦值為100,使得原來凸出來的臺地變?yōu)榘枷氯サ呐_地。,.,這種對實(shí)際地形、地貌的錯(cuò)誤描述嚴(yán)重影響DEM的精度。減少這種誤差除了需要加倍仔細(xì)外,提高識圖技能,掌握必要的地形、地貌知識也是很重要的。,DEM構(gòu)造誤差,對于一些特殊地形、地貌并沒有輸入錯(cuò)誤,但是也可能出現(xiàn)較大誤差。對于這種情況,必須實(shí)施一些專業(yè)的技術(shù)處理。,.,對“陡崖”地貌的表示,遇到陡崖的時(shí)候,地形圖上一般都會(huì)有特定的符號表示。這種情況若按照地形圖上等高線的畫法來數(shù)字化等高線,即使將等高線正確賦值、沒有遺漏,也不能夠把實(shí)際地貌表現(xiàn)出來。必須對陡崖出現(xiàn)的地方進(jìn)行專業(yè)化處理,把斷掉的等高線按照實(shí)際走向連接起來,并且密集一些。至于陡崖符號,只是一種表示符號,不能把它當(dāng)作等高線連接起來,DEM構(gòu)造誤差,消除“平頂山”,地形圖中有一些山頭有高程注記點(diǎn),但是仍然有許多小山包沒有加高程注記點(diǎn),遇到這種情況應(yīng)該人為添加高程值不超過一個(gè)等高距的高程注記點(diǎn),或者借用大比例尺地形圖上的有效高程點(diǎn),否則插值得出的DEM會(huì)出現(xiàn)平頂山。,誤差分類（觀察的角度）,系統(tǒng)誤差,跟物理方面的因素有關(guān)，也即它們可能源于攝影膠片的溫度變化或測量儀器本身。另外，測量儀器在使用前缺乏必要的校正，或者因?yàn)橛^測者自身的限制(如觀測立體的敏銳度或未能進(jìn)行正確的絕對定向等)，也有可能產(chǎn)生。系統(tǒng)誤差一般為常數(shù)，也可以互相抵消。,偶然誤差,對同一目標(biāo)的量測由于觀測誤差的存在，其測量值會(huì)有所不同，且不表現(xiàn)出任何必然規(guī)律。,粗差,實(shí)質(zhì)是一種錯(cuò)誤。同隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差相比，它們在測量中出現(xiàn)的可能性一般較小。,原始數(shù)據(jù)誤差處理,DEM原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量可使用原始數(shù)據(jù)的三個(gè)屬性(即精度、密度和分布)的質(zhì)量來衡量。涉及DEM原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素是數(shù)據(jù)點(diǎn)自身的精度。,主要方法,1、濾波法：分離數(shù)據(jù)集合中人們感興趣的主要信息與其余的作為隨機(jī)噪聲的信息。2、基于趨勢面及三維可視化的粗差檢測與剔除3、基于坡度信息的格網(wǎng)數(shù)據(jù)粗差檢測與剔除4、基于等高線拓?fù)潢P(guān)系的粗差檢測與剔除,基于趨勢面及三維可視化,對于一個(gè)特定的研究區(qū)域，在三維透視圖上可疑點(diǎn)是否表現(xiàn)為粗差非常直觀，很容易據(jù)此作出正確判定。,基于坡度信息的格網(wǎng)數(shù)據(jù),1、坡度閥值檢測：檢測P點(diǎn)周圍的(八個(gè))坡度值，判斷其是否正常，也即坡度值是否超過某一預(yù)先設(shè)定的閥值；2、局部鄰域坡度一致性檢測：檢查橫跨P點(diǎn)的四對坡度差值的絕對值，以確定是否有差值超過給定的閥值；3、遠(yuǎn)鄰域坡度一致性檢測：檢測跨越P點(diǎn)周圍八鄰域點(diǎn)的每個(gè)點(diǎn)的坡度差值是否超過給定的閥值。,主要步驟,對起伏不平的地區(qū)它產(chǎn)生了過于平坦化的不良結(jié)果，而在平坦地區(qū)它又產(chǎn)生了一些不自然的特征。,整體效果,所有接受或拒絕一個(gè)點(diǎn)的既定準(zhǔn)則都建立在絕對的意義之上。,缺點(diǎn),基于等高線拓?fù)潢P(guān)系,1）、同一條等高線上的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)高程值相等；2）、等高線為連續(xù)的曲線，一個(gè)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)最多只能連接兩條高程值相同的等高線，高程值不等的等高線不能相接，不能相交；3）、相鄰等高線的變化應(yīng)是漸進(jìn)的，并適應(yīng)實(shí)地坡形變化的規(guī)律。,等高線特征,1）、空間位置錯(cuò)誤：錯(cuò)誤的懸掛線、兩條等高線相交和同一等高線應(yīng)該連接處未能相連2）、賦值錯(cuò)誤：首尾相連兩條等高線高程值不等、相鄰等高線高程值突變。,錯(cuò)誤類型,等高線錯(cuò)誤圖示,DEM精度的數(shù)學(xué)模型,精度：誤差分布的密集或離散程度,分布規(guī)律：P(X=xi)=pixi為隨即采樣點(diǎn)值n數(shù)學(xué)期望：E(X)=xipi隨機(jī)變量所有可能取值的平i=1均值，表示隨機(jī)變量的大小方差：D(X)=EX-E(X)2表示隨機(jī)變量的離散度標(biāo)準(zhǔn)差：x=sqrt(D(X)方差的算術(shù)平方根，表示隨機(jī)變量離散度的特征值中誤差：RMSE=sqrt(Z-z)2/n)Z為真值，z為觀測或計(jì)算值粗差：限=3超過極限誤差的誤差,DEM精度評定方法,評定方式,1、平面精度和高程精度分開評定2、兩種精度同時(shí)評定,評定途徑,1、理論分析；2、試驗(yàn)檢測；3、理論與試驗(yàn)相結(jié)合共同特點(diǎn)：試圖尋求對地表起伏復(fù)雜變化的統(tǒng)一量度，和各種內(nèi)插數(shù)學(xué)模型的通用表達(dá)方式，使評定方法、評定所得的精度和某些帶規(guī)律性的結(jié)論有比較普遍的理論意義。,評定方法,1、檢查點(diǎn)法2、剖面法3、等高線法,DEM精度評定方法,檢查點(diǎn)法,事先將檢查點(diǎn)按格網(wǎng)或任意形式進(jìn)行分布，對生成的DEM在這些點(diǎn)處進(jìn)行檢查。將這些點(diǎn)處的內(nèi)插高程和實(shí)際高程逐一比較得到各個(gè)點(diǎn)的誤差，然后算出中誤差。,剖面法,將一定的剖面量測計(jì)算離程點(diǎn)和實(shí)際高程點(diǎn)進(jìn)行比較的精度計(jì)算方法。剖面可以是沿X方向、Y方向或任意方向?？梢杂脭?shù)學(xué)方法(如傳遞函數(shù)法)計(jì)算任意剖面的誤差，也可以用實(shí)際剖面和內(nèi)插剖面相比較的方法估算高程誤差。,檢查點(diǎn)法的國家規(guī)范,1：1萬技術(shù)規(guī)定還有：高程最大誤差為中誤差的兩倍；密林等隱蔽地區(qū)高程中誤差按表1中數(shù)據(jù)的1.5倍計(jì)；DEM內(nèi)插點(diǎn)的高程中誤差按表1數(shù)據(jù)1.2倍計(jì)；一般情況按二級精度要求執(zhí)行，若原始資料精度較差，可放寬到三級精度。,DEM質(zhì)量檢查,分類,1、原始資料質(zhì)量檢查2、數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量檢查3、最終產(chǎn)品的質(zhì)量檢查,DEM質(zhì)量控制是指在DEM建設(shè)和應(yīng)用過程中，對可能引入誤差的步驟和過程規(guī)定一些指標(biāo)和參數(shù)，并對檢查出的誤差和錯(cuò)誤進(jìn)行修正。DEM質(zhì)量控制貫穿DEM建立的全過程，是DEM生產(chǎn)流程中的一條主線；應(yīng)針對影響DEM質(zhì)量的關(guān)鍵性問題，采取系列切實(shí)有效的方法，進(jìn)行精度控制和錯(cuò)誤改正。,DEM質(zhì)量檢查,DEM質(zhì)量檢查的主要內(nèi)容,1、檢查DEM原始的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；2、檢查DEM數(shù)據(jù)起止點(diǎn)坐標(biāo)的正確性；3、檢查DEM原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量；4、檢查DEM的高程值有效范圍區(qū)是否正確；5、檢查生成DEM的內(nèi)插模型；6、檢查生成的DEM產(chǎn)品的質(zhì)量；7、檢查DEM的元數(shù)據(jù)文件是否正確。,DEM質(zhì)量檢查方法,目視檢查,半自動(dòng)檢查(交互式檢查),基于趨勢面與三維可視化的方法，以及基于等高線拓?fù)潢P(guān)系的方法都屬于此類。在全數(shù)字?jǐn)z影測量及交互式攝影測量生產(chǎn)DEM的方法中，使用左右正射影像零立體對DEM的檢測手段也屬于這類型方法。,自動(dòng)檢查(影像分析法),多種方法綜合應(yīng)用,最常用的DEM通常是一組用矩陣形式表示的高程數(shù)組,實(shí)際上為柵格數(shù)據(jù)。和其他柵格數(shù)據(jù)一樣,可用影像來表達(dá)和檢查DEM高程誤差。用影像檢查DEM的手段主要有兩種,即灰度和彩色影像兩種方法均采用色彩對照表建立各高程值和灰度或彩色之間的對應(yīng)關(guān)系,對DEM的局部進(jìn)行詳細(xì)檢測,進(jìn)而計(jì)算出局部區(qū)域DEM的誤差。實(shí)際上將DEM作為影像時(shí),許多對影像的操作都可用于對DEM的檢測。,DEM質(zhì)量的目視檢查,基于立體影像的DEM檢查法,這是一種最基本的檢測方法。對DEM的局部檢查最簡單有效的方法是恢復(fù)立體像對,將DEM格網(wǎng)點(diǎn)顯示至立體像對,通過立體觀察檢查格網(wǎng)點(diǎn)和立體模型的套合情況。目前,全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)均提供立體目視檢查DEM的功能。,基本過程如下1.依據(jù)像對的控制點(diǎn)確定顯示范圍;2.選取落在范圍內(nèi)的格網(wǎng)點(diǎn);3.將DEM反算至立體像對并進(jìn)行顯示；,DEM質(zhì)量的目視檢查,分層設(shè)色顯示,首先求出DEM中高程的最大和最小值,然后將高程分為多個(gè)等級,按高程由低到高每組賦予由淺到深的顏色進(jìn)行顯示。分色顯示可從整體上反映地貌的變化趨勢,配合水平和垂直方向的斷面圖顯示,對高程異常變化的地方有一定檢查效果。,DEM質(zhì)量的目視檢查,三維方式檢查,等高線可以是DEM應(yīng)用的產(chǎn)物,利用OpenGL3維顯示功能顯示DEM數(shù)據(jù),并將等高線疊加在DEM上,這樣能清晰直觀地看到等高線和DEM的總貌與細(xì)部,便于用戶發(fā)現(xiàn)問題。為適應(yīng)用戶從不同角度動(dòng)態(tài)觀察3維灰度圖和等高線的需要,用OpenGL函數(shù)對生成的DEM和等高線進(jìn)行變換,以實(shí)現(xiàn)對等高線進(jìn)行不同方位、不同遠(yuǎn)近、不同角度和放大縮小的顯示。,DEM質(zhì)量檢查步驟,1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的選擇和精度要求1)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為使實(shí)驗(yàn)具有一定的普遍意義,在數(shù)據(jù)的選擇上,注意考慮各種地形特征。測繪學(xué)通常考慮的地形特征有山地、平原和丘陵。2)精度要求。以地形圖數(shù)字化方法生成的數(shù)字高程模型,其格網(wǎng)點(diǎn)高程中誤差應(yīng)不大于相應(yīng)比例尺地形圖的2/等高距(GB/T17941.12000數(shù)字測繪產(chǎn)品質(zhì)量要求第一部分:數(shù)字線劃地形圖、數(shù)字高程模型質(zhì)量要求)。,DEM質(zhì)量檢查步驟,2、檢查點(diǎn)的選擇實(shí)際上,從實(shí)驗(yàn)得到的DEM精度不是絕對可靠的,只能在一定的置信水平上接受這個(gè)精度。通常,以檢查點(diǎn)作為真實(shí)地面點(diǎn),利用檢查點(diǎn)同相應(yīng)模型點(diǎn)之間的高差H來計(jì)算DEM的精度。一般從3個(gè)方面來考察用于DEM精度估計(jì)的檢查點(diǎn)。1)檢查點(diǎn)數(shù)目的確定。對于DEM精度Sd估計(jì)的可靠性度量,一般是采用定量的方式,即用Sd(Sd(H)/Sd(H)的百分比作為對DEM精度估計(jì)的可靠性度量。2)檢查點(diǎn)的精度。利用原始等高線線性內(nèi)插得到各檢查點(diǎn)的高程值。通過對原始等高線圖進(jìn)行適當(dāng)放大,用直尺確定檢查點(diǎn)同相鄰兩等高線的距離比例,以求出檢查點(diǎn)的高程。3)檢查點(diǎn)的分布。,DEM質(zhì)量檢查步驟,3精度分析方法對于各個(gè)軟件的DEM產(chǎn)品,主要從總體精度和相對精度兩個(gè)方面評價(jià)。1)總體精度。總體精度是用標(biāo)準(zhǔn)偏差(Sd)來表示的:式中,Zdati為檢查點(diǎn)