数字高程模型数据质量分析与控制.pptx

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1、几个概念几个概念误差误差 误差反映了数据与真实值或大误差反映了数据与真实值或大 家公认的真值之间的家公认的真值之间的差异。差异。数据的准确度 结果、计算值、估计值与真实值之间的差异。不确定性关于空间过程和特征不能被准确确定的程度。数据的精密度数据表示的精密程度，亦即数据表示的有效位数。第1页/共36页空间数据质量评价空间数据质量评价q数据情况说明数据情况说明q时间精度时间精度(现势性现势性)q位置精度位置精度(几何精度几何精度)q分类精度分类精度(属性精度属性精度)q可靠性可靠性q逻辑的一致性、完整性逻辑的一致性、完整性q数据采集与编码方法数据采集与编码方法第2页/共36页数据情况说明数据情况

2、说明 要求对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等做出准确、全面和详尽要求对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等做出准确、全面和详尽的说明。的说明。第3页/共36页位置精度位置精度 指空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，通常表现为空间三维指空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，通常表现为空间三维坐标数据精度。它包括数学基础精度、平面精度、高程精度、接边精度、形坐标数据精度。它包括数学基础精度、平面精度、高程精度、接边精度、形状再现精度、像元定位精度。平面精度又分为相对精度和绝对精度。状再现精度、像元定位精度。平面精度又分为相对精度和绝对精度。第4页/共36页属性精度属性精度 指

3、空间实体的属性与其真值相符的程度。通常取决于地理数据的类型，且常指空间实体的属性与其真值相符的程度。通常取决于地理数据的类型，且常常与位置精度有关，包括要素分类与标准的正确性、要素属性值的准确性、常与位置精度有关，包括要素分类与标准的正确性、要素属性值的准确性、名称的正确性等。名称的正确性等。第5页/共36页时间精度时间精度 指数据的现势性。可以通过数据更新的时间和频度来表现。指数据的现势性。可以通过数据更新的时间和频度来表现。第6页/共36页逻辑一致性逻辑一致性 指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容，以及拓扑性质上指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容，以及拓扑性质上的

4、内在一致性。的内在一致性。第7页/共36页数据完整性数据完整性 指地理数据在范围、内容和结构等方面满足所有要求的完整程度，包括数指地理数据在范围、内容和结构等方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、空间实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完整性。据范围、空间实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完整性。第8页/共36页表达形式的合理性表达形式的合理性 主要指数据抽象、数据表达与真实地理世界的吻合性，包括空间特征、专主要指数据抽象、数据表达与真实地理世界的吻合性，包括空间特征、专题特征、时间特征表达的合理性。题特征、时间特征表达的合理性。第9页/共36页误差来源误差来源原始数据的

5、采集误差原始数据的采集误差1 1）、原始资料误差：航片的误差）、原始资料误差：航片的误差(包含航摄的各种误差的包含航摄的各种误差的 综合综合)、定向点误差；、定向点误差；2 2）、采点设备误差：测图仪的误差和计算机计算有效位数；）、采点设备误差：测图仪的误差和计算机计算有效位数；3 3）、人为误差：测标切地面的误差）、人为误差：测标切地面的误差(采用数字影像相关时为采用数字影像相关时为 影像的相关误差影像的相关误差)；4 4）、坐标转换误差：相对定向和绝对定向的误差。）、坐标转换误差：相对定向和绝对定向的误差。高程内插误差高程内插误差 不管采用哪种内插算法，内插点的计算高程与实际不管采用哪种内

6、插算法，内插点的计算高程与实际量测高程之间总存在差值。高程内插的误差一方面和选量测高程之间总存在差值。高程内插的误差一方面和选用的数学方法用的数学方法(内插算法内插算法)有关，另一方面和采点的方式有关，另一方面和采点的方式有关。有关。第10页/共36页常见的人为误差常见的人为误差漏输或错输高程注记点漏输或错输高程注记点 矢量化过程中由于要在效果并不太好、密密麻麻的底图上寻矢量化过程中由于要在效果并不太好、密密麻麻的底图上寻找大量高程注记点及其高程值找大量高程注记点及其高程值,很容易使矢量化人员错输或者漏很容易使矢量化人员错输或者漏输山头上的高程注记点输山头上的高程注记点,这样造成的影响是产生许

7、多错误地形这样造成的影响是产生许多错误地形,如如平顶山。因此平顶山。因此,在数字化过程中要特别留意对高程注记点的全面、在数字化过程中要特别留意对高程注记点的全面、正确赋值。正确赋值。第11页/共36页常见的人为误差常见的人为误差等高线赋值误差等高线赋值误差 等高线赋值误差是一个比较常见的问题。将等高线赋值误差是一个比较常见的问题。将A A、B B两条等高线的值两条等高线的值由由200200和和250250错赋值为错赋值为10001000和和750750，使得原来平缓的山坡变为有陡崖，使得原来平缓的山坡变为有陡崖,地地形非常复杂的山坡。将等高线由形非常复杂的山坡。将等高线由280280错赋值为错

8、赋值为100,100,使得原来凸出来的台使得原来凸出来的台地变为凹下去的台地。这种对实际地形、地貌的错误描述严重影响地变为凹下去的台地。这种对实际地形、地貌的错误描述严重影响DEMDEM的精度。减少这种误差除了需要加倍仔细外的精度。减少这种误差除了需要加倍仔细外,提高识图技能提高识图技能,掌握必掌握必要的地形、地貌知识也是很重要的。要的地形、地貌知识也是很重要的。第12页/共36页DEMDEM构造误差构造误差对对“陡崖陡崖”地貌的表示地貌的表示 遇到陡崖的时候遇到陡崖的时候,地形图上一般都会有特定的符号表示。这种情况地形图上一般都会有特定的符号表示。这种情况若按照地形图上等高线的画法来数字化等

9、高线若按照地形图上等高线的画法来数字化等高线,即使将等高线正确赋值、即使将等高线正确赋值、没有遗漏没有遗漏,也不能够把实际地貌表现出来。必须对陡崖出现的地方进行也不能够把实际地貌表现出来。必须对陡崖出现的地方进行专业化处理专业化处理,把断掉的等高线按照实际走向连接起来把断掉的等高线按照实际走向连接起来,并且密集一些。至并且密集一些。至于陡崖符号于陡崖符号,只是一种表示符号只是一种表示符号,不能把它当作等高线连接起来不能把它当作等高线连接起来 对于一些特殊地形、地貌并没有输入错误,但是也可能出现较大误差。对于这种情况,必须实施一些专业的技术处理。第13页/共36页DEMDEM构造误差构造误差消除

10、消除“平顶山平顶山”地形图中有一些山头有高程注记点地形图中有一些山头有高程注记点,但是仍然有许多小山包没有加高程注但是仍然有许多小山包没有加高程注记点记点,遇到这种情况应该人为添加高程值不超过一个等高距的高程注记点遇到这种情况应该人为添加高程值不超过一个等高距的高程注记点,或者或者借用大比例尺地形图上的有效高程点借用大比例尺地形图上的有效高程点,否则插值得出的否则插值得出的DEMDEM会出现平顶山。会出现平顶山。第14页/共36页误差分类（观察的角度）误差分类（观察的角度）系统误差系统误差 跟物理方面的因素有关，也即它们可能源于摄影胶片跟物理方面的因素有关，也即它们可能源于摄影胶片的温度变化或

11、测量仪器本身。另外，测量仪器在使用前缺的温度变化或测量仪器本身。另外，测量仪器在使用前缺乏必要的校正，或者因为观测者自身的限制乏必要的校正，或者因为观测者自身的限制(如观测立体的如观测立体的敏锐度或未能进行正确的绝对定向等敏锐度或未能进行正确的绝对定向等)，也有可能产生。，也有可能产生。系统误差一般为常数，也可以互相抵消。系统误差一般为常数，也可以互相抵消。偶然误差偶然误差 对同一目标的量测由于观测误差的存在，其测量值会对同一目标的量测由于观测误差的存在，其测量值会有所不同，且不表现出任何必然规律。有所不同，且不表现出任何必然规律。粗差粗差 实质是一种错误。同随机误差和系统误差相比，它们实质是

12、一种错误。同随机误差和系统误差相比，它们在测量中出现的可能性一般较小。在测量中出现的可能性一般较小。第15页/共36页原始数据误差处理原始数据误差处理 DEMDEM原始数据的质量可使用原始数据的三个属原始数据的质量可使用原始数据的三个属性性(即即精度、密度精度、密度和和分布分布)的质量来衡量。的质量来衡量。涉及涉及DEMDEM原始数据质量的重要因素是原始数据质量的重要因素是数据点自身的精度数据点自身的精度。主要方法主要方法 1 1、滤波法：、滤波法：分离数据集合中人们感兴趣的主要信息与其余分离数据集合中人们感兴趣的主要信息与其余的作为随机噪声的信息。的作为随机噪声的信息。2 2、基于趋势面及三

13、维可视化的粗差检测与剔除、基于趋势面及三维可视化的粗差检测与剔除 3 3、基于坡度信息的格网数据粗差检测与剔除、基于坡度信息的格网数据粗差检测与剔除4 4、基于等高线拓扑关系的粗差检测与剔除、基于等高线拓扑关系的粗差检测与剔除第16页/共36页基于趋势面及三维可视化基于趋势面及三维可视化 对于一个特定的研究区域，在三维透视图上对于一个特定的研究区域，在三维透视图上可疑点是否表现为粗差非常直观，很容易据此作可疑点是否表现为粗差非常直观，很容易据此作出正确判定。出正确判定。第17页/共36页基于坡度信息的格网数据基于坡度信息的格网数据 1 1、坡度阀值检测：检测、坡度阀值检测：检测P P点周围的点

14、周围的(八个八个)坡度值，判断其是坡度值，判断其是 否正常，也即坡度值是否超过某一预先设定的阀值；否正常，也即坡度值是否超过某一预先设定的阀值；2 2、局部邻域坡度一致性检测：检查横跨、局部邻域坡度一致性检测：检查横跨P P点的四对坡度差值点的四对坡度差值 的绝对值，以确定是否有差值超过给定的阀值；的绝对值，以确定是否有差值超过给定的阀值；3 3、远邻域坡度一致性检测：检测跨越、远邻域坡度一致性检测：检测跨越P P点周围八邻域点的每点周围八邻域点的每 个点的坡度差值是否超过给定的阀值。个点的坡度差值是否超过给定的阀值。主要步骤主要步骤 对起伏不平的地区它产生了过于平坦化的不良结果，对起伏不平的

15、地区它产生了过于平坦化的不良结果，而在平坦地区它又产生了一些不自然的特征。而在平坦地区它又产生了一些不自然的特征。整体效果整体效果 所有接受或拒绝一个点的既定准则都建立在绝对的意义之上。所有接受或拒绝一个点的既定准则都建立在绝对的意义之上。缺点缺点第18页/共36页基于等高线拓扑关系基于等高线拓扑关系1）、同一条等高线上的各个数据点高程值相等；）、同一条等高线上的各个数据点高程值相等；2）、等高线为连续的曲线，一个拓扑节点最多只能连接两条高程）、等高线为连续的曲线，一个拓扑节点最多只能连接两条高程值相同的等高线，高程值不等的等高线不能相接，不能相交；值相同的等高线，高程值不等的等高线不能相接，

16、不能相交；3）、相邻等高线的变化应是渐进的，并适应实地坡形变化的规律。）、相邻等高线的变化应是渐进的，并适应实地坡形变化的规律。等高线特征等高线特征1 1）、空间位置错误）、空间位置错误 ：错误的悬挂线、两条等高线相交和同一等高线：错误的悬挂线、两条等高线相交和同一等高线 应该连接处未能相连应该连接处未能相连 2 2）、赋值错误：首尾相连两条等高线高程值不等、相邻等高线高程）、赋值错误：首尾相连两条等高线高程值不等、相邻等高线高程 值突变。值突变。错误类型错误类型第19页/共36页等高线错误图示等高线错误图示第20页/共36页DEMDEM精度的数学模型精度的数学模型精度：误差分布的密集或离散程

17、度精度：误差分布的密集或离散程度分布规律：分布规律：P(X=xP(X=xi i)=p)=pi i x xi i为随即采样点值为随即采样点值 n n数学期望：数学期望：E(X)=xE(X)=xi ip pi i 随机变量所有可能取值的平随机变量所有可能取值的平 i=1i=1 均值，表示随机变量的大小均值，表示随机变量的大小方差：方差：D(X)=EX-E(X)D(X)=EX-E(X)2 2 表示随机变量的离散度表示随机变量的离散度标准差：标准差：x x=sqrt(D(X)=sqrt(D(X)方差的算术平方根，表示随方差的算术平方根，表示随 机变量离散度的特征值机变量离散度的特征值中误差：中误差：R

18、MSE=sqrt(Z-z)RMSE=sqrt(Z-z)2 2/n)/n)Z Z为真值，为真值，z z为观测或计算值为观测或计算值粗差：粗差：限限=3=3 超过极限误差的误差超过极限误差的误差第21页/共36页DEMDEM精度评定方法精度评定方法 评定方式评定方式1 1、平面精度和高程精度分开评定、平面精度和高程精度分开评定2 2、两种精度同时评定、两种精度同时评定评定途径评定途径 1 1、理论分析；、理论分析；2 2、试验检测；试验检测；3 3、理论与试验相结合、理论与试验相结合共同特点：试图寻求对地表起伏复杂变化的统一量度，和共同特点：试图寻求对地表起伏复杂变化的统一量度，和各种内插数学模型

19、的通用表达方式，使评定方法、评定所各种内插数学模型的通用表达方式，使评定方法、评定所得的精度和某些带规律性的结论有比较普遍的理论意义。得的精度和某些带规律性的结论有比较普遍的理论意义。评定方法评定方法 1 1、检查点法、检查点法2 2、剖面法、剖面法3 3、等高线法、等高线法第22页/共36页DEMDEM精度评定方法精度评定方法 检查点法检查点法 事先将检查点按格网或任意形式进行分布，对生事先将检查点按格网或任意形式进行分布，对生成的成的DEMDEM在这些点处进行检查。将这些点处的内插高在这些点处进行检查。将这些点处的内插高程和实际高程逐一比较得到各个点的误差，然后算出程和实际高程逐一比较得到

20、各个点的误差，然后算出中误差。中误差。剖面法剖面法 将一定的剖面量测计算离程点和实际高程点进行将一定的剖面量测计算离程点和实际高程点进行比较的精度计算方法。剖面可以是沿比较的精度计算方法。剖面可以是沿X X方向、方向、Y Y方向方向或任意方向。可以用数学方法或任意方向。可以用数学方法(如传递函数法如传递函数法)计算任计算任意剖面的误差，也可以用实际剖面和内插剖面相比较意剖面的误差，也可以用实际剖面和内插剖面相比较的方法估算高程误差。的方法估算高程误差。第23页/共36页检查点法的国家规范检查点法的国家规范1：1万技术规定还有：高程最大误差为中误差的两倍；密林等隐蔽地区高程中误差按表1中数据的1

21、.5倍计；DEM内插点的高程中误差按表1数据1.2倍计；一般情况按二级精度要求执行，若原始资料精度较差，可放宽到三级精度。第24页/共36页DEMDEM质量检查质量检查 分类分类1 1、原始资料质量检查、原始资料质量检查2 2、数据处理的质量检查、数据处理的质量检查3 3、最终产品的质量检查、最终产品的质量检查DEM质量控制是指在DEM建设和应用过程中，对可能引入误差的步骤和过程规定一些指标和参数，并对检查出的误差和错误进行修正。DEM质量控制贯穿DEM建立的全过程，是DEM生产流程中的一条主线；应针对影响DEM质量的关键性问题，采取系列切实有效的方法，进行精度控制和错误改正。第25页/共36

22、页DEMDEM质量检查质量检查 DEMDEM质量检查的主要内容质量检查的主要内容 1 1、检查、检查DEMDEM原始的数学基础；原始的数学基础；2 2、检查、检查DEMDEM数据起止点坐标的正确性；数据起止点坐标的正确性；3 3、检查、检查DEMDEM原始数据的质量；原始数据的质量；4 4、检查、检查DEMDEM的高程值有效范围区是否正确；的高程值有效范围区是否正确；5 5、检查生成、检查生成DEMDEM的内插模型；的内插模型；6 6、检查生成的、检查生成的DEMDEM产品的质量；产品的质量；7 7、检查、检查DEMDEM的元数据文件是否正确。的元数据文件是否正确。第26页/共36页DEMDE

23、M质量检查方法质量检查方法 目视检查目视检查半自动检查半自动检查(交互式检查交互式检查)基基于于趋趋势势面面与与三三维维可可视视化化的的方方法法，以以及及基基于于等等高高线线拓拓扑扑关关系系的的方方法法都都属属于于此此类类。在在全全数数字字摄摄影影测测量量及及交交互互式式摄摄影影测测量量生生产产DEMDEM的的方方法法中，使用左右正射影像零立体对中，使用左右正射影像零立体对DEMDEM的检测手段也属于这类型方法。的检测手段也属于这类型方法。自动检查自动检查(影像分析法影像分析法)多种方法综合应用多种方法综合应用 最最常常用用的的DEMDEM通通常常是是一一组组用用矩矩阵阵形形式式表表示示的的高

24、高程程数数组组,实实际际上上为为栅栅格格数数据据。和和其其他他栅栅格格数数据据一一样样,可可用用影影像像来来表表达达和和检检查查DEMDEM高高程程误误差差。用用影影像像检检查查DEMDEM的的手手段段主主要要有有两两种种,即即灰灰度度和和彩彩色色影影像像两两种种方方法法均均采采用用色色彩彩对对照照表表建建立立各各高高程程值值和和灰灰度度或或彩彩色色之之间间的的对对应应关关系系,对对DEMDEM的的局局部部进进行行详详细细检检测测,进进而而计计算算出出局局部部区区域域DEMDEM的的误误差差。实实际际上上将将DEMDEM作为影像时作为影像时,许多对影像的操作都可用于对许多对影像的操作都可用于对

25、DEMDEM的检测。的检测。第27页/共36页DEMDEM质量的目视检查质量的目视检查基于立体影像的基于立体影像的DEMDEM检查法检查法 这这是是一一种种最最基基本本的的检检测测方方法法。对对DEMDEM的的局局部部检检查查最最简简单单有有效效的的方方法法是是恢恢复复立立体体像像对对,将将DEMDEM格格网网点点显显示示至至立立体体像像对对,通通过过立立体体观观察察检检查查格格网网点点和和立立体体模模型型的的套套合合情情况况。目目前前,全全数数字字摄摄影影测测量量系系统统均均提提供供立立体目视检查体目视检查DEMDEM的功能。的功能。基本过程如下基本过程如下 1.1.依依据据像像对对的的控控

26、制制点点确定显示范围确定显示范围;2.2.选选取取落落在在范范围围内内的的格网点格网点;3.3.将将DEMDEM反反算算至至立立体像对并进行显示；体像对并进行显示；第28页/共36页DEMDEM质量的目视检查质量的目视检查分层设色显示分层设色显示 首首先先求求出出DEMDEM中中高高程程的的最最大大和和最最小小值值,然然后后将将高高程程分分为为多多个个等等级级,按按高高程程由由低低到到高高每每组组赋赋予予由由浅浅到到深深的的颜颜色色进进行行显显示示。分分色色显显示示可可从从整整体体上上反反映映地地貌貌的的变变化化趋趋势势,配配合合水水平平和和垂垂直直方方向向的的断断面面图图显显示示,对对高高程

27、程异常变化的地方有一定检查效果。异常变化的地方有一定检查效果。第29页/共36页DEMDEM质量的目视检查质量的目视检查三维方式检查三维方式检查 等等高高线线可可以以是是DEMDEM应应用用的的产产物物,利利用用OpenGL3OpenGL3维维显显示示功功能能显显示示DEMDEM数数据据,并并将将等等高高线线叠叠加加在在DEMDEM上上,这这样样能能清清晰晰直直观观地地看看到到等等高高线线和和DEMDEM的的总总貌貌与与细细部部,便便于于用用户户发发现现问问题题。为为适适应应用用户户从从不不同同角角度度动动态态观观察察3 3维维灰灰度度图图和和等等高高线线的的需需要要,用用OpenGLOpen

28、GL函函数数对对生生成成的的DEMDEM和和等等高高线线进进行行变变换换,以以实实现现对对等等高高线线进进行行不不同同方方位位、不不同同远远近近、不不同同角角度度和和放大缩小的显示。放大缩小的显示。第30页/共36页DEMDEM质量检查步骤质量检查步骤1 1、实验数据的选择和精度要求、实验数据的选择和精度要求1)1)实验数据。实验数据。为为使使实实验验具具有有一一定定的的普普遍遍意意义义,在在数数据据的的选选择择上上,注注意意考考虑虑各各种种地地形形特特征征。测测绘绘学学通通常常考考虑虑的的地地形形特特征征有有山山地、平原和丘陵。地、平原和丘陵。2)2)精度要求。精度要求。以以地地形形图图数数

29、字字化化方方法法生生成成的的数数字字高高程程模模型型,其其格格网网点点高高程程中中误误差差应应不不大大于于相相应应比比例例尺尺地地形形图图的的2/2/等等高高距距(GB/T17941.12000(GB/T17941.12000数数字字测测绘绘产产品品质质量量要要求求第第一一部部分分:数数字线划地形图、数字高程模型质量要求字线划地形图、数字高程模型质量要求)。第31页/共36页DEMDEM质量检查步骤质量检查步骤2、检查点的选择实际上,从实验得到的DEM精度不是绝对可靠的,只能在一定的置信水平上接受这个精度。通常,以检查点作为真实地面点,利用检查点同相应模型点之间的高差H来计算DEM的精度。一般

30、从3个方面来考察用于DEM精度估计的检查点。1)检查点数目的确定。对于DEM精度Sd估计的可靠性度量,一般是采用定量的方式,即用Sd(Sd(H)/Sd(H)的百分比作为对DEM精度估计的可靠性度量。2)检查点的精度。利用原始等高线线性内插得到各检查点的高程值。通过对原始等高线图进行适当放大,用直尺确定检查点同相邻两等高线的距离比例,以求出检查点的高程。3)检查点的分布。第32页/共36页DEMDEM质量检查步骤质量检查步骤3精度分析方法对于各个软件的DEM产品,主要从总体精度和相对精度两个方面评价。1)总体精度。总体精度是用标准偏差(Sd)来表示的:式中,Zdati为检查点i的高程值;Zgrd

31、i为模型在检查点i处的高程值;Zdati-Zgrdi为残差;n为检查点的数目。如果Zdati-Zgrdi比较小,说明内插模型在统计上是精确的,而且Sd的值也比较小;否则的话,是不精确的。2)相对精度。利用残差可以提供误差在实验区域内分布的信息。在很多情况下,这个相对精度比绝对精度更有意义。这里,残差被定义为:式中abs表示取绝对值。第33页/共36页DEM生产的作业流程生产的作业流程 DEMDEM质量质量数据质量的检测和控制应贯穿数字高程模型数据生产的全过程数据质量的检测和控制应贯穿数字高程模型数据生产的全过程 结合工程要求制定适合具体工程项目的结合工程要求制定适合具体工程项目的DEMDEM生产技术规定，指导生产生产技术规定，指导生产 原始数据的精度是第一位的原始数据的精度是第一位的 第34页/共36页谢 谢！第35页/共36页感谢您的观看！第36页/共36页