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(cè)量方法，測(cè)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(guò)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(píng)價(jià),數(shù)據(jù)情況說(shuō)明時(shí)間精度(現(xiàn)勢(shì)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(shuō)明,要求對(duì)地理數(shù)據(jù)的來(lái)源、數(shù)據(jù)內(nèi)容及其處理過(guò)程等做出準(zhǔn)確、全面和詳盡的說(shuō)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(duì)精度和絕對(duì)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(shì)性?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)更新的時(shí)間和頻度來(lái)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(lái)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(cè)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(cè)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(duì)定向和絕對(duì)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(cè)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(jiàn)的人為誤差,漏輸或錯(cuò)輸高程注記點(diǎn),矢量化過(guò)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(guò)程中要特別留意對(duì)高程注記點(diǎn)的全面、正確賦值。,常見(jiàn)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(jiàn)的問(wèn)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(lái)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(lái)凸出來(lái)的臺(tái)地變?yōu)榘枷氯サ呐_(tái)地。,.,這種對(duì)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(shí)圖技能,掌握必要的地形、地貌知識(shí)也是很重要的。,DEM構(gòu)造誤差,對(duì)于一些特殊地形、地貌并沒(méi)有輸入錯(cuò)誤,但是也可能出現(xiàn)較大誤差。對(duì)于這種情況,必須實(shí)施一些專業(yè)的技術(shù)處理。,.,對(duì)“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(hào)表示。這種情況若按照地形圖上等高線的畫法來(lái)數(shù)字化等高線,即使將等高線正確賦值、沒(méi)有遺漏,也不能夠把實(shí)際地貌表現(xiàn)出來(lái)。必須對(duì)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(lái),并且密集一些。至于陡崖符號(hào),只是一種表示符號(hào),不能把它當(dāng)作等高線連接起來(lái),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(méi)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(guò)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(cè)量?jī)x器本身。另外，測(cè)量?jī)x器在使用前缺乏必要的校正，或者因?yàn)橛^測(cè)者自身的限制(如觀測(cè)立體的敏銳度或未能進(jìn)行正確的絕對(duì)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(duì)同一目標(biāo)的量測(cè)由于觀測(cè)誤差的存在，其測(cè)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?cè)跍y(cè)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(lái)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(shì)面及三維可視化的粗差檢測(cè)與剔除3、基于坡度信息的格網(wǎng)數(shù)據(jù)粗差檢測(cè)與剔除4、基于等高線拓?fù)潢P(guān)系的粗差檢測(cè)與剔除,基于趨勢(shì)面及三維可視化,對(duì)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(cè)：檢測(cè)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(guò)某一預(yù)先設(shè)定的閥值；2、局部鄰域坡度一致性檢測(cè)：檢查橫跨P點(diǎn)的四對(duì)坡度差值的絕對(duì)值，以確定是否有差值超過(guò)給定的閥值；3、遠(yuǎn)鄰域坡度一致性檢測(cè)：檢測(cè)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(guò)給定的閥值。,主要步驟,對(duì)起伏不平的地區(qū)它產(chǎn)生了過(guò)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(duì)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(cè)或計(jì)算值粗差：限=3超過(guò)極限誤差的誤差,DEM精度評(píng)定方法,評(píng)定方式,1、平面精度和高程精度分開評(píng)定2、兩種精度同時(shí)評(píng)定,評(píng)定途徑,1、理論分析；2、試驗(yàn)檢測(cè)；3、理論與試驗(yàn)相結(jié)合共同特點(diǎn)：試圖尋求對(duì)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(píng)定方法、評(píng)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(píng)定方法,1、檢查點(diǎn)法2、剖面法3、等高線法,DEM精度評(píng)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(duì)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(cè)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(guó)家規(guī)范,1：1萬(wàn)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(jí)精度要求執(zhí)行，若原始資料精度較差，可放寬到三級(jí)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(guò)程中，對(duì)可能引入誤差的步驟和過(guò)程規(guī)定一些指標(biāo)和參數(shù)，并對(duì)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(guò)程，是DEM生產(chǎn)流程中的一條主線；應(yīng)針對(duì)影響DEM質(zhì)量的關(guān)鍵性問(wèn)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(shì)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(cè)量及交互式攝影測(cè)量生產(chǎn)DEM的方法中，使用左右正射影像零立體對(duì)DEM的檢測(cè)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(lái)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(duì)照表建立各高程值和灰度或彩色之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)DEM的局部進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè),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(duì)影像的操作都可用于對(duì)DEM的檢測(cè)。,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(cè)方法。對(duì)DEM的局部檢查最簡(jiǎn)單有效的方法是恢復(fù)立體像對(duì),將DEM格網(wǎng)點(diǎn)顯示至立體像對(duì),通過(guò)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(cè)量系統(tǒng)均提供立體目視檢查DEM的功能。,基本過(guò)程如下1.依據(jù)像對(duì)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(duì)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(jí),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(shì),配合水平和垂直方向的斷面圖顯示,對(duì)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(wèn)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(duì)生成的DEM和等高線進(jìn)行變換,以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)繪學(xué)通?？紤]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(cè)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(duì)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(lái)計(jì)算DEM的精度。一般從3個(gè)方面來(lái)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(duì)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(duì)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(guò)對(duì)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(duì)于各個(gè)軟件的DEM產(chǎn)品,主要從總體精度和相對(duì)精度兩個(gè)方面評(píng)價(jià)。1)總體精度。總體精度是用標(biāo)準(zhǔn)偏差(Sd)來(lái)表示的:式中,Zdati為檢查點(diǎn)