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第七章地理空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量§7-1GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的概念§7-2GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的研究方法§7-3空間數(shù)據(jù)的不確定性§7-4空間數(shù)據(jù)標準—數(shù)據(jù)共享GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量是指GIS中的空間數(shù)據(jù)在表達空間位置、屬性和時間特征時所能達到的準確性、一致性、完整性及三者的統(tǒng)一。一、GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的定義§7-1GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的概念幾個相關(guān)的概念誤差:數(shù)據(jù)與真值的差異,衡量數(shù)據(jù)準確性的指標。準確度:數(shù)據(jù)與真值的接近程度的指標精度:數(shù)據(jù)的精密程度不確定性:空間過程和特征不能被準確確定的程度。內(nèi)容上是一個以真值為中心的范圍,范圍越大,數(shù)據(jù)的不確定性越大。關(guān)注GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的原因:私營部門生產(chǎn)數(shù)據(jù)增多、可以選擇數(shù)據(jù)增多、對二次數(shù)據(jù)源的依賴增加、數(shù)據(jù)的質(zhì)量決定了分析和決策的質(zhì)量目的:建立一套數(shù)據(jù)分析和處理的體系,包括源誤差、誤差的鑒別和度量、誤差傳播模型、控制和削弱誤差的方法。使未來元數(shù)據(jù)中含質(zhì)量指標二、GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量研究的目的三、研究GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的意義1、正確評定GIS的算法和分析結(jié)果2、減少開發(fā)和設(shè)計的盲目性1、GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的基本內(nèi)容1)位置(幾何)精度:如數(shù)學基礎(chǔ)、平面精度、高程精度等,用以描述幾何數(shù)據(jù)的誤差。2)屬性精度:如要素分類的正確性、屬性編碼的正確性、注記的正確性等,用以反映屬性數(shù)據(jù)的質(zhì)量。3)邏輯一致性:如多邊形的閉合精度、結(jié)點匹配精度、拓撲關(guān)系的正確性等,由幾何或?qū)傩哉`差也會引起邏輯誤差。4)完備性:如數(shù)據(jù)分類的完備性、實體類型的完備性、屬性數(shù)據(jù)的完備性、注記的完整性,數(shù)據(jù)層完整性,檢驗完整性等。5)現(xiàn)勢性:如數(shù)據(jù)的采集時間、數(shù)據(jù)的更新時間等。四、GIS的數(shù)據(jù)質(zhì)量的內(nèi)容(類型)邏輯誤差返回2、空間數(shù)據(jù)的誤差類型GIS空間數(shù)據(jù)的誤差可分為源誤差和處理誤差。(1)源誤差源誤差是指數(shù)據(jù)采集和錄入中產(chǎn)生的誤差,包括:儀器、紙張、原圖數(shù)據(jù)、屬性資料(2)處理誤差處理誤差是指GIS對空間數(shù)據(jù)進行處理時產(chǎn)生的誤差,包括:幾何糾正、坐標/格式/類型變換、編輯、化簡、轉(zhuǎn)換、數(shù)字截斷;空間內(nèi)插;(3)GIS中的誤差傳播誤差傳播是指對有誤差的數(shù)據(jù),經(jīng)過處理生成的GIS產(chǎn)品也存在著誤差。誤差傳播在GIS中可歸結(jié)為代數(shù)關(guān)系下的誤差傳播、邏輯關(guān)系下的誤差傳播和推理關(guān)系下的誤差傳播三種方式。3、誤差產(chǎn)生的主要原因具體分析原因4、誤差的具體來源階段誤差來源數(shù)據(jù)采集
實測誤差,地圖制圖誤差(制作地圖的每一過程都有誤差),航測遙感數(shù)據(jù)分析誤差(獲取、判讀、轉(zhuǎn)換、人工判讀(識別要素)誤差)數(shù)據(jù)輸入
數(shù)字化過程中操作員和設(shè)備造成的誤差,某些地理屬性沒有明顯邊界引起的誤差(地類界)
數(shù)據(jù)存貯
數(shù)字存貯有效位不能滿足(由計算機字長引起,單精度、雙精度類型)空間精度不能滿足數(shù)據(jù)操作
類別間的不明確、邊界誤差(不規(guī)則數(shù)據(jù)分類方法引起)多層數(shù)據(jù)疊加誤差多邊形疊加產(chǎn)生的裂縫(無意義多邊形)各種內(nèi)插引起的誤差
數(shù)據(jù)輸出比例尺誤差、輸出設(shè)備誤差、媒質(zhì)不穩(wěn)定(如圖紙伸縮)成果使用
用戶錯誤理解信息、不正確使用信息5、誤差傳播誤差傳播可分為三類:1)代數(shù)(算術(shù))關(guān)系如差、倍數(shù)、線性關(guān)系,有一套成熟的經(jīng)典測量誤差理論處理。2)邏輯關(guān)系a、布爾邏輯關(guān)系:GIS中存在大量的邏輯運算,如
疊置分析。b、不精確推理關(guān)系:如專家系統(tǒng)中的不精確推理。邏輯關(guān)系下的誤差傳播正處于研究中,需要借用信息論,模糊數(shù)學、人工智能、專家系統(tǒng)等學科有望解決。返回對GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的研究,傳統(tǒng)的概率論和數(shù)理統(tǒng)計是其最基本的理論基礎(chǔ)同時還需要信息論、模糊邏輯、人工智能、數(shù)學規(guī)劃、隨機過程、分形幾何等理論與方法的支持?!?-2GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的研究方法一、GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價方法
1、直接評價法1)用計算機程序自動檢測某些類型的錯誤可以用計算機軟件自動發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)中不符合要求的數(shù)據(jù)項的百分率或平均質(zhì)量等級也可由計算機軟件算出。此外,還可檢測文件格式是否符合規(guī)范、編碼是否正確、數(shù)據(jù)是否超出范圍等。2)隨機抽樣檢測在確定抽樣方案時,應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性。2、間接評價法-----(地理相關(guān)法和元數(shù)據(jù)法)指通過外部知識或信息進行推理來確定空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量的方法。用于推理的外部知識或信息如用途、數(shù)據(jù)歷史記錄、數(shù)據(jù)源的質(zhì)量、數(shù)據(jù)生產(chǎn)的方法、誤差傳遞模型等。3、非定量描述法通過對數(shù)據(jù)質(zhì)量的各組成部分的評價結(jié)果進行的綜合分析來確定數(shù)據(jù)的總體質(zhì)量的方法。二、研究GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的常用方法(1)敏感度分析法
分析由輸入數(shù)據(jù)的誤差所引起的輸出數(shù)據(jù)的變化。
一般有以下幾種:地理敏感度、屬性敏感度、面積敏感度、多邊形敏感度、增刪圖層敏感度等。(2)尺度不變空間分析法
地理數(shù)據(jù)的分析結(jié)果應(yīng)與所采用的空間坐標系統(tǒng)無關(guān),即為尺度不變空間分析,包括比例不變和平移不變。(3)MonteCarlo實驗仿真
MonteCarlo實驗仿真利用計算機進行模擬試驗,找出與實際結(jié)果最接近的模型。(4)空間濾波
空間濾波可分為高通濾波和低通濾波。高通濾波是從含有噪聲的數(shù)據(jù)中分離出噪聲信息;低通濾波是從含有噪聲的數(shù)據(jù)中提取信號。三、數(shù)據(jù)采集中數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價內(nèi)容GIS中數(shù)據(jù)采集的方法通??煞譃橹苯臃椒ê烷g接方法兩種。直接方法獲取的數(shù)據(jù)受人差、儀差、環(huán)境等的影響,但已有傳統(tǒng)的方法可以解決。間接方法獲取的數(shù)據(jù)中,除了含有直接方法中的誤差外,還有展繪控制點的誤差、編繪的誤差、制圖綜合的誤差,數(shù)字化的誤差等。1、地圖固有誤差的來源和類型在地圖的固有誤差中,除了含有控制點和碎部點引入的誤差外,至少存在下列誤差:(1)控制點展繪誤差(2)編繪誤差(3)繪圖誤差(4)綜合誤差(5)地圖復(fù)制誤差和分版套合誤差(6)繪圖材料的變形誤差(7)特征的定義的不確定性2、數(shù)字化的誤差數(shù)字化的精度主要受數(shù)字化儀的精度、數(shù)字化方式、操作員的水平、數(shù)字化軟件的算法等的影響,常采用下列方法進行評價。1)自動回歸法由于跟蹤數(shù)字化不僅是一個隨機序列,而且是一個時間序列,因此可用數(shù)理統(tǒng)計中的時間序列分析法來確定數(shù)字化的誤差。2)ε-Band法該方法適用于任何類型的GIS數(shù)據(jù),關(guān)鍵是如何給出合理的ε值。3)對比法把數(shù)字化后的數(shù)據(jù),用繪圖機繪出,與原圖疊合,選擇明顯地物點進行量測,以確定誤差。除了幾何精度外,屬性精度、完整性、邏輯一致性等也可用對比法進行對照檢查。ε-Band3、數(shù)字化過程中的質(zhì)量控制1)數(shù)字化預(yù)處理工作包括對原始地圖、表格等的整理、清繪。2)數(shù)字化設(shè)備的選用根據(jù)手扶數(shù)字化儀、掃描儀等設(shè)備的分辨率和精度等有關(guān)參數(shù)的進行挑選,這些參數(shù)不應(yīng)低于設(shè)計的數(shù)據(jù)精度要求。3)數(shù)字化對點精度(準確性)
數(shù)字化時數(shù)據(jù)采集點與原始點的重合程度,一般要求對點誤差小于0.1mm。4)數(shù)字化限差包括:采點密度(0.2mm)、接邊誤差(0.02mm)、接合距離(0.02mm)、懸掛距離(0.007mm)等。5)數(shù)據(jù)的精度檢查
輸出圖與原始圖之間的點位誤差,一般要求對直線地物和獨立地物,誤差小于0.2mm,對曲線地物和水系,誤差小于0.3mm,對邊界模糊的要素應(yīng)小于0.5mm。四、數(shù)據(jù)處理中數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價內(nèi)容主要受原始資料的精度(采樣密度、測量誤差、地形類別、控制點等)和內(nèi)插的精度(內(nèi)插方法、地形類型、原始數(shù)據(jù)的密度等)的影響。
1、數(shù)字高程模型(DEM)的精度DEM的內(nèi)插精度主要受原始采樣點的采樣密度的影響,與不同的插值方法的關(guān)系不很大。但在DEM精度評定的標準方面、地貌逼真度方面、DEM的粗差探測等方面仍沒有得到圓滿的解決。
目前,對DEM精度的評價常采用原始等高線與再生等高線疊合評價的方法。原始等高線DEM重新生成等高線原始等高線與重新生成等高線疊加內(nèi)插自動追蹤2、矢量數(shù)據(jù)柵格化的誤差包括屬性誤差和幾何誤差兩種。在矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)后,柵格數(shù)據(jù)中的每個象元只含有一個屬性數(shù)據(jù)值,它是象元內(nèi)多種屬性的一種概括。象元越大,屬性誤差越大。幾何誤差是指在矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)后所引起的位置的誤差,以及由位置誤差引起的長度、面積、拓撲匹配等的誤差。幾何誤差的大小與象元的大小成正比。其中矢量數(shù)據(jù)表示的多邊形網(wǎng)用象元逼近時會產(chǎn)生較嚴重的拓撲匹配問題。ABC行政區(qū)劃BA誤差分析的一種方法:假設(shè)存在一幅理想的矢量地圖,圖上不同屬性的制圖單元由很細的線分開;對理想地圖進行觀測采樣得到一幅具有規(guī)則格網(wǎng)的柵格地圖,把這兩幅圖進行疊置比較。3、多邊形疊置產(chǎn)生的誤差
多邊形疊置誤差計算的思路是,先計算單層圖的誤差,再計算疊置圖的誤差。會產(chǎn)生拓撲匹配誤差、幾何誤差和屬性誤差。1)拓撲匹配誤差多邊形疊置往往是不同類型的地圖、不同的圖層,甚至是不同比例尺的地圖進行疊置,因此,同一條邊界線往往是不同的數(shù)據(jù),這樣在疊置時必然會出現(xiàn)一系列無意義的多邊形。所疊置的多邊形的邊界越精確,越容易產(chǎn)生無意義的多邊形。這就是拓撲匹配誤差。多邊形疊置所形成的多邊形的數(shù)量與原多邊形邊界的復(fù)雜程度有關(guān)。如果多邊形之間具有統(tǒng)計獨立性時,產(chǎn)生中等數(shù)量的多邊形;如果是高度相關(guān)的,則產(chǎn)生大量無意義的多邊形。-----需要合并無意義的多邊形行政區(qū)劃街區(qū)線高度相關(guān):+統(tǒng)計獨立性:土地利用行政區(qū)劃合并無意義的多邊形的方法:A、用人機交互的方法把無意義的多邊形合并到大多邊形中;B、根據(jù)無意義多邊形的臨界值,自動合并到大多邊形中;C、用擬合后的新邊界進行合并。2)幾何誤差:
新邊界可能會偏離已制圖的邊界位置(或真實位置)。為了保證人們習慣上認為重要的邊界線的精度,如境界、河流、主要道路等,處理時應(yīng)對這些邊界上的點加權(quán)使他們能盡可能地不被移動。3)屬性誤差:
實際上每個進行疊置的多邊形本身的屬性就是有誤差的,因為屬性值是分類的結(jié)果(如把植被分為不同的類別),而分類就會產(chǎn)生誤差。多幅圖的疊置會使誤差急劇增加,以至使疊置出的結(jié)果不可信??臻g位置的不確定性指GIS中某一被描述物體與其地面上真實物體位置上的差別;屬性不確定性是指某一物體在GIS中被描述的屬性與其真實的屬性之差別;時域不確定性是指在描述地理現(xiàn)象時,時間描述上的差錯;邏輯上的不一致性指數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的不一致性,尤其是指拓撲邏輯上的不一致性;數(shù)據(jù)的不完整性指對于給定的目標,GIS沒有盡可能完全地表達該物體?!?-3空間數(shù)據(jù)的不確定性不確定性舉例幾何:海岸線、植被類型的界線屬性:植被面的類別、林中的樹種一、概述1、目前影響數(shù)據(jù)共享的因素體制上:行業(yè)數(shù)據(jù)保密政策。技術(shù)上:不同系統(tǒng)對空間數(shù)據(jù)采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式不同。網(wǎng)絡(luò)化程度:資源共享是網(wǎng)絡(luò)主要功能之一,用戶可共享網(wǎng)絡(luò)分散在不同地點的各種軟硬件。2、空間數(shù)據(jù)標準:是指空間數(shù)據(jù)的名稱、代碼、分類編碼、數(shù)據(jù)類型、精度、單位、格式等的標準形式。每個地理信息系統(tǒng)都必須具有相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)標準。返回§7-4空間數(shù)據(jù)標準--數(shù)據(jù)共享3、空間數(shù)據(jù)標準的狀況:如果只針對某一地理信息系統(tǒng)設(shè)計空間數(shù)據(jù)標準,并不困難;如果所建立的空間數(shù)據(jù)標準能為大家所承認,為大多數(shù)系統(tǒng)所接受和使用,就比較復(fù)雜和困難。
目前,我國已有一些與GIS有關(guān)的國家標準,內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)格式、地理格網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)范、數(shù)據(jù)記錄格式等。返回二、空間數(shù)據(jù)分類標準
1、原則:1)遵循已有的國家標準,以利于全國范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)共享。2)遵循國務(wù)院有關(guān)部委以及軍隊正在使用的數(shù)據(jù)標準。3)遵循各領(lǐng)域中普遍使用和認同的數(shù)據(jù)標準。4)當各種數(shù)據(jù)標準相互矛盾時,應(yīng)遵循由上而下的原則進行處理。5)制定新的數(shù)據(jù)標準時,應(yīng)盡可能參考同類標準。
返回2、目前我國已有的與GIS有關(guān)的關(guān)于空間數(shù)據(jù)分類的國家標準:GB2260-95《中華人民共和國行政區(qū)劃代碼》GB13923-92《國土基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)分類與代碼》GB11708-89《公路橋梁命名和編碼規(guī)則》GB14804-93《1:500、1:1000、1:2000地形要素分類與代碼》等等。三、空間數(shù)據(jù)交換標準
1、外部數(shù)據(jù)交換標準特點:自動化程度不高,速度較慢等,但它可解決不同GIS之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題。它仍然是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的主流方式。GIS1數(shù)據(jù)格式外部數(shù)據(jù)交換格式標準數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換GIS2數(shù)據(jù)格式2
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