基于遥感数据的GIS数据库几何精度分析

1、文章编号: 049420911 (2000) 0920005203中图分类号: p 208文献标识码: b基于遥感数据的 g is 数据库几何精度分析朱光良(浙江教育学院 地理系, 浙江 杭州 310012)geom e tr ic a ccura cy ana ly s is of rs d a ta - ba sed g is d a ta ba sezhu guang2liang摘要: 通过用误差传播理论及 g is 数据库与遥感资料的叠合两种方法, 对海宁市土地详查 g is 数据库进行几何精度分析以说明这两种方法的可行性。关键词: g is 数据库; 几何精度; 遥感; tm 图像;

2、 叠合据库的两个主要建库工序, 继而估算其几何精度。一、引言g is 数据库的几何精度评价, 通常可采用理论分析的方 法, 即采用误差传播理论进行分析。 用该方法进行几何精度 评价必须获得 g is 数据库各项基础数据的误差和建立 g is 数据库各个步骤中产生的误差。本研究除用误差传播理论进 行 g is 数据库的几何精度分析之外, 还尝试用遥感图像与 g is 数据库叠合并计算叠合吻合度的办法进行几何精度分 析。具体包括: 用误差传播理论对一个 g is 数据库进行几 何精度分析; 对与 g is 数据库相对应的遥感图像进行尽 可能好的几何精校正; 用精校正后的遥感图像与 g is 数 据

3、库相叠合来分析 g is 数据库的几何精度。这种方法随着 g is 技术与遥感技术集成化程度和水平 的提高, 会越来越受到重视并得到发展。二、研究资料概况本研究所使用的 g is 数据库资料, 是浙江省海宁市土地 管理局与浙江省资源与环境信息系统重点实验室共同建立 的海宁市 11 万土地利用现状详查 g is 数据库。 这个库于1996 年进行了实地修测调绘, 并在图上以地面固定地物作为 参照物给出了修测数据, 进而, 又返回到 g is 库中进行了相应的改正。可以说, 库内明显的相对 (位置) 误差已基本消除。但是, 它的绝对精度以及在必须结合甚高分辨率遥感分类数 据的形势下, 能否胜任作为

4、基础库的角色等都有待于进一步 研究。遥 感 资 料 是 北 京 卫 星 地 面 站 接 收 的 陆 地 卫 星 5 号 的tm 影像。 考虑到尽可能节省计算机工作机时, 节约硬盘空 间, 确定试验区为一个乡或镇。由于海宁市长安镇及其周边地区可以找到分布比较均 匀的地面控制点, 几何精校能够达到预定精度; 其次长安镇境内有两条交叉的、近直线的人工河流, 在 tm 影像上非常 清楚, 这非常有利于借以观察和分析与 g is 矢量数据叠合的效果。 因此, 确定长安镇作为研究工作实验区。三、用误差传播理论对 g is 数据库进行几何精 度估价本节首先叙述海宁市 11 万土地利用现状详查矢量数1. 制作

5、 11 万国际分幅土地利用现状彩描薄膜二底图制作 11 万国际分幅土地利用现状彩描薄膜二底图的工作, 是由浙江省测绘局外业测绘大队承担, 工作步骤如下。(1) 控制测量和电算加密按国家测绘局15 000、110 000 比例尺地形图航空摄影测量 内、外 业 规 范的 要 求, 野 外 实 测 平 面 和 高 程 控 制点, 据此电算加密纠正点。经检验, 全部控制成果符合规范要求。(2) 制作影像图选 取 新 摄 的 ( 1988 年 5 月 初 航 摄) 1 3. 5 万 比 例 尺23 cm ×23 cm 航片, 利用上述纠正点, 制作影像图, 做到一张航片一幅图, 避免航片拼接镶

6、嵌过程中的误差。(3) 外业调绘外业调绘即野外实地调绘, 按浙江省土地利用现状调查技术规范中有关条款执行, 先调绘境界、权属界线, 然后调绘地类图斑。调绘作业直接在影像图上进行, 省去摹绘, 也不会引发摹绘误差。(4) 原图清绘在影像图上用多色相片墨水直接清绘, 质量符合要求。(5) 彩描薄膜二底图薄膜二底图上的所有解析点均由坐标仪展点定位, 二底图成果符合国家测绘局图件编绘技术规定的质量要求。2. 建设 11 万土地详查矢量数据库建设 11 万土地详查矢量数据库的工作, 是由浙江省资源与环境信息系统重点实验室承担, 工作质量按海宁市土 地 资 源 信 息 系 统 技 术 设 计 书的 要 求

7、 执 行。 工 作 在 pca rcinfo 软件平台上进行。(1) 图形数字化图形数字化是对薄膜二底图在 a 1 幅面数字化仪上的数字化过程。 数字化质量符合海宁市土地资源信息系统技术设计书的要求。(2) 图形编辑图形编辑包括几何编辑整理、建立图形拓扑关系、图形再编辑再整理等过程。(3) 输入属性数据收稿日期: 1999207223属性输入有两项内容: 几何图形上的图斑号和行政代码的输入; fo xba se 上其他图斑属性的输入。然后根据图斑号加行政 代码的惟一性把二者相联。各类界线属性全部在几何图形上输入。(4) 图幅接边 图幅接边由计算机人机交互完成。(5) 形成 11 万土地利用现状

8、矢量图形库 图幅接边后就得到全市域 11 万土地利用现状矢量图形库, 根据行政界线可提取各乡、镇、村 11 万土地利用现 状矢量图形库。3. 11 万土地详查矢量数据库点位精度估价11 万土地详查矢量数据库点位精度的估价, 将分别按 上述两个工序, 分两步进行。( 1) 11 万土地利用现状彩描薄膜底图的点位精度分 析浙江省土地利用现状调查技术规范规定, 转绘点位容的产品, 即 p s 类产品。 为了适应研究工作的需要, 该图像还需做几何精校正2 。几何精校正的思路是, 通过图像上若干已知或可知地面 实际地理坐标的点, 即所谓地面控制点, 构造一个图像坐标 与地理坐标之间的关系式。 假定图像坐

9、标为 x , y , 地理坐标为 u , v , 则关系式可一般地表示为二元 n 次多项式u = a + bx + cy + d x 2 + ex y + f y 2 +p x i y j + z y nv = a + bx + cy + d x 2 + ex y + f y 2 +p x iy j + z y n不 难 证 明, 只 要 能 寻 求 到 数 量 为 ( n + 1) ( n + 2 ) 2 的gc p (地面控制点) , 利用 gc p 已知的 x , y 和 u , v 值, 就可 以通过求解线性方程组来确定上述两式的系数 a , a , b, b, c,c, , z ,

10、z , 若 gc p 数量大于上述值, 则可利用最小二乘法求得系数的最佳拟合解, 这种思路相当于求取一个 gc p 的 两套坐标间的非线性回归拟合。为 了 提 高 长 安 镇 tm 图 像 精 校 正 精 度, 采 用 了 在erda s 软件环境下如下工作步骤:(1) 扩大 gc p 选取范围以提高 gc p 选取的数量和质量 我国江南农区 tm 图像上明显标志点较少。长安镇部分含 53 000 余个像元, 然而, 在高质量要求下, 该镇内真正可选的 gc p 仅 4 个。为此, 采取了扩展 gc p 选取范围的措施, 即 在长安镇四周搜寻可能的高质量 gc p , 并最终在一个较大范围选取

11、了 14 个较高质量的、较均匀地“包围”长安镇的 gc p ,以保证长安镇部分精校正的精度。(2) 确定 gc p 的地理坐标本研究所采用的地理坐标, 是土地详查实践所采用的北 京大地坐标系 (高斯2克吕格) 坐标。在 11 万地形图上河渠 相交的中点等 gc p 可明确认定, 并可由该图给出的北京坐 标系内插求取这些点的坐标值。(3) 读取 gc p 的图像坐标gc p 的图像坐标较难准确读取, 这正是前述需多一些 gc p 的原因。由于 tm 图像的分辨率, 海宁的河渠和道路在 放大的 tm 图像上表现为锯齿状、有时呈跳跃变动的同色调像元串。 因此, 确定这些线状地物相交中心是不容易的。

12、在 erda s 软 件 环 境 下, gc p 图 像 坐 标 可 以 精 确 到 18 个 像 元, 即 0. 125 个像元; 换言之, 研究者可在放大的屏幕上根据 两条相交地物的像元串的大致走势, 以 0. 125 的精度估计相 交中心点在哪个像元的哪一位置。(4) 多项式拟合分析和剔除部分质量不高的 gc p对 14 个 gc p 的图像坐标和高斯2克吕格坐标分别采用 一次和二次多项式进行拟合分析, 结果表明有 5 个 gc p 对拟合曲线的偏差相对偏大, 因这些 gc p 恰好都分别离另外的 gc p 较近, 换言之, 剔除它们并不影响 gc p 分布的范围 和均匀性。进一步计算表

13、明, 剔除这 5 个 gc p 确实导致拟合精度显著提高。 第二, 采用二次多项式比一次多项式的拟合程度明显偏高, 偏高程度因 gc p 数目不同而异, 在多数情况 下, 差异达一倍左右。为此, 最后采用二次多项式对 9 个 gc p 的两套坐标进许 标 准 差 为: 平 原 0.75 mm , 相 当 于 地 面 7. 5 m ; 丘 陵1. 00 mm , 相当于地面 10 m 。按 误差传播定律, 对转绘底图 ( 一般用 11 万地形图) 点位标准差 (航测规范定为地面5 m ) 进行累加, 得 11 万土 地利用现状彩描薄膜底图的点位标准差为(7. 52 + 52 ) 12 = 9 m

14、(102 + 52 ) 12 = 11. 2 m平原丘陵海宁市土地利用详查以制作正射投影影像图取代转绘成图工艺, 且作业人员技术熟练, 其最终图件成果 (11 万土 地利用现状彩描薄膜底图) 的精度显然高于上述规范规定。具体估算如下: 海宁市影像图符合航测规范规定, 其地物点位标准差 (m y ) 不大于地面 5 m。 调绘点位标准差 (m d )主要是“跑线量”, 经验表明m d 约为地面 2 m 。 清绘人员 技术熟练, 清绘点位标准差 (m q) 可取值 1 m 。 彩描人员技 术熟练, 彩描点标准差 (m c) 可取值 1 m。根据误差传播定律, 估得彩描薄膜二底图的点位标准差(m z

15、 ) 为m z = (m 2y + m 2 d + m 2q+ m 2c ) 12 = 5. 6 m(2) 图形数字化和编辑的标准差 (m s)数字化所用的 a 1 幅面数字化仪分辨率约为 0. 01 mm ,数字化精度约为 0. 1 mm 。 实践表明, 在 11 万土地利用现 状 图 上 数 字 化 跟 踪 的 点 位 误 差, 基 本 上 服 从 正 态 分 布 ( 0,m 2p ) , 其中, 期望值为零, 标准差m p 约为地面 1 m 。 图形编 辑标准差为地面 1 m 。按误差传播定律算得图形数字化和编 辑的标准差m s 为地面 1. 4 m 。由上面两步估算, 可算得 11 万

16、土地详查矢量数据库点位标准差m b 为m b= (m 2z + m 2s) 12 = 5. 8 m此点位标准差可作为海宁市 11 万土地利用现状详查g is 数据库的几何精度。四、tm 遥感数据几何精校正及精校正精度1.试验区 tm 图像的精校正本研究所用的遥感图像是卫星地面站已做过粗校正后行拟合。 拟合方程为u = a + bx + cy + d x 2 + ex y + f y 2v = a + bx + cy + d x 2 + ex y + f y 2其中a = 0. 428 640 698 929×103地物中心线之间的偏离来度量叠合的吻合度。在长安镇 tm图像内, 有两条

17、贯穿全图的、大角度相交的直线状的人工河渠, 即左上塘河和右上塘河, 这为吻合度的量度带来很大的方便。 首先, 水域像元在 tm 图像上最易判读, 在多波段上皆表现为最深的色调, 即使不经分类处理0. 340 716 836 955×104a =也易辨别。 其次, 直线型河渠可采用线性回归, 处理更方便。b= 0. 312 370 509 702×102b= - 0. 435 432 930 466×101c= - 0. 193 642 530 449×101吻合度度量的具体处理步骤如下 (以左上塘河为例)。首先, 利用矢量图形验证河渠的直线性, 若为直线

18、, 则用一次方程表示之。在左上塘河矢量图形中心线上大体等间隔0. 291 638 893 403×102c= -地采集 16 个点的坐标, 对这 16 个点的坐标进行直线回归,d = - 0. 169 783 764 644d = - 0. 567 012 508 706×10- 1相关系数达 0. 999 85, 说明该河可作直线处理, 其直线方程为e= - 0. 565 405 070 898e= - 0. 204 598 294 922f = 0. 316 596 644 590u = 0. 843 638 362v + 2 912 888. 16f = -0. 57

19、9 185 564 363其次, 求取栅格图像上左上塘河的像元串的中心拟合直2. 几何精校正精度分析一般采用 gc p 的实际坐标与它在多项式拟合曲线上对 应值之间的差距 (以像元为单位) 来估计校正精度。这个差距即一般采用的均方差 (rm s) , 对第 i 个 gc p , 其点位差为线。 由于像元串呈锯齿状, 有时还有跳变, 为了求得最佳拟合, 选取水域像元呈深色调的 tm 5, tm 4, tm 3 合成图像。沿该河像元串, 以大体同样的间隔取样: 若取样处仅一个深色调水域像元, 则以该像元中心坐标为采样点; 若取样处有两个或以上邻接的深色调像元, 则取色调最深的一个的中心x 2 +

20、y 2ri =i i坐标作为样本。 如此选出了 16 个样点, 对这 16 个样点作直这里 x i 和 y i 分别为该差距的 x 分量和 y 分量。 均方差可表示为线回归, 得回归方程u = 0. 839 483 226v + 2 915 140. 58nr = 1 (x 2 + y 2 )由回归方程可解得, 图域内 (539 808< v < 541 689) 这两条中iini= 1心线的最大距离为 7. 226 m , 最小距离为 1. 246 m , 平均距离这里 n 为 gc p 数目。本次精校正的均方差为 r = 0. 227 37, 按长安镇 tm 图 像每个像元 2

21、8. 5 m 的平均尺度, 此精度相当于 r = 6. 5 m 。最 后, 考 虑 到 用 以 做 精 校 正 的 高 斯2克 吕 格 坐 标 来 自11万地形图, 而该图按国家规范, 其点位差应为 5 m , 按误 差传播理论, 则精校正图像的几何精度为 8. 2 m。 此精度与第三节用误差传播理论分析得到的 g is 数据库几何精度相当, 因此可以用精校正后的遥感图像与 g is 数据库相叠合来 进一步分析、验证 g is 数据库的几何精度。五、由精校正图像与 g is 图形的叠合进行 g is数据库几何精度分析对海宁市 11 万土地详查矢量图形与精校正后长安镇tm 图像进行叠合分析。 海宁 11 万土地详查数据库采用a rcinfo 软件平台的矢量格式, tm 图像系 erda s 软件环 境下的栅格图像。 由于这两个软件平台之间有良好的连通性, 进行 tm 图像与 g is 图形的叠合, 不存在技术困难。 叠合的结果非常吻合, 主要的河渠、道路和其他明显地物, 表现出相同的走势。就叠合效果给出定量度量中, 由于栅 格图像上线状地物表现为锯齿状、有时呈跳跃变化的像元串, 这给定量度量带来困难。为此, 作者为本次叠合设计了一 种定量评价方法。首 先, 用“吻合度”一词来描述叠合的精度, 吻合度