空間數(shù)據(jù)質(zhì)量在GIS中的影響

1、地理信息系統(tǒng)(GIS)的基礎(chǔ)是空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)的核心是質(zhì)量，空間數(shù)據(jù)的生 產(chǎn)與質(zhì)量控制是一個(gè)相互作用的過程，生產(chǎn)數(shù)據(jù)是為了應(yīng)用，而數(shù)據(jù)質(zhì)量是一個(gè) 關(guān)系到數(shù)據(jù)可靠性和系統(tǒng)可靠性的重要問題。隨著數(shù)據(jù)質(zhì)量在建設(shè)數(shù)字地球、進(jìn) 行礦產(chǎn)預(yù)測的計(jì)算機(jī)模擬中發(fā)揮著越來越重要的作用，但如果空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量及 其精度未能引起足夠的重視，由這些空間數(shù)據(jù)進(jìn)行重新運(yùn)算和組合產(chǎn)生的空間數(shù) 據(jù)就不是最終需要的結(jié)果，可能導(dǎo)致最終決策錯(cuò)誤。要提高空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量，減 小空間數(shù)據(jù)誤差，就要對空間數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生和擴(kuò)散的所有過程和環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。 在數(shù)據(jù)采集時(shí)對元數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，采取相應(yīng)的措施提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。以地圖數(shù)字化 為例，對紙質(zhì)地圖進(jìn)行

2、數(shù)字化前應(yīng)對其進(jìn)行校正或配準(zhǔn)，選用精度比較高的數(shù)字 化儀和掃描儀提高柵格數(shù)據(jù)的精度等；根據(jù)空間數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)制定相 應(yīng)的細(xì)則來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；對采集和處理空間數(shù)據(jù)人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)等也都能減 小誤差的傳播。1 GIS空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究現(xiàn)狀GIS空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量優(yōu)劣直接影響著GIS應(yīng)用中分析結(jié)果的可靠程度及應(yīng)用 的真正實(shí)現(xiàn)，也影響著GIS產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。因此，近年來國內(nèi)外越來越關(guān)注 GIS數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量控制的研究。GIS數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制問題涉及面很廣，包括 數(shù)據(jù)質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)、表示方法，數(shù)據(jù)誤差的來源和性質(zhì)，評價(jià)方法和控制方法 及相關(guān)政策等。如政府部門積極制定法規(guī)保障數(shù)據(jù)質(zhì)量；將數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品

3、，采用 管理產(chǎn)品質(zhì)量的方法管理數(shù)據(jù)質(zhì)量；數(shù)據(jù)質(zhì)量的教育、培訓(xùn)與咨詢；初步形成了 地理數(shù)據(jù)質(zhì)量的系列國際標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 19100系列標(biāo)準(zhǔn)中地理信息質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；方 法上，主要成果和結(jié)論，包括直線不確定性模型的改進(jìn)、曲線不確定性模型的建 立；將平差理論引入GIS數(shù)據(jù)誤差處理和質(zhì)量控制，并提出了實(shí)用方法；對GIS 數(shù)字化誤差的性質(zhì)、分布進(jìn)行了深入研究；從抽樣檢驗(yàn)的理論出發(fā)，探討了 GIS 產(chǎn)品的質(zhì)量控制技術(shù)和方法。2空間數(shù)據(jù)質(zhì)量的概念2.1空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量空間數(shù)據(jù)是有關(guān)空間位置、專題特征以及時(shí)間信息的符號記錄，而數(shù)據(jù)質(zhì)量 是空間數(shù)據(jù)在表達(dá)這3個(gè)基本要素時(shí)所能達(dá)到的準(zhǔn)確性、一致性、完整性以及它 們?nèi)咧g

4、統(tǒng)一性的程度。由于現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜性、模糊性以及人類認(rèn)識和表達(dá) 能力的局限性，空間數(shù)據(jù)在表達(dá)上不可能完全達(dá)到真值，只能在一定程度上接近 真值。用戶根據(jù)需要對空間數(shù)據(jù)的處理也會導(dǎo)致出現(xiàn)一定的質(zhì)量問題。所以空間 數(shù)據(jù)的誤差產(chǎn)生于各種數(shù)據(jù)源及空間數(shù)據(jù)的輸入和處理過程中。2.2與空間數(shù)據(jù)質(zhì)量相關(guān)的幾個(gè)概念2.2. 1誤差(Error )反映了數(shù)據(jù)與真實(shí)值或公認(rèn)的真值之間的差異，它是 一種常用的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的表達(dá)方式。2.2.2準(zhǔn)確度(Accuracy )指結(jié)果值、計(jì)算值或估計(jì)值與真實(shí)值或公認(rèn)的 真值的接近程度。2.2.3精密度(Resolution)表示數(shù)據(jù)的精密程度，亦即數(shù)據(jù)表示的有效位數(shù)。它表現(xiàn)了測量

5、值本身的離散程度。2.2.4不確定性(Uncertainty)關(guān)于空間過程和特征不能被準(zhǔn)確確定的程 度，是自然界各種空間現(xiàn)象自身固有的屬性。在內(nèi)容上，它是以真值為中心的一 個(gè)范圍，這個(gè)范圍越大，數(shù)據(jù)的不確定性也越大。2.2.5分辨率(Resolution)指最小的可分離單元或最小的可表達(dá)單元。對 柵格數(shù)據(jù)，指圖像象元大??；對于矢量數(shù)據(jù)，指坐標(biāo)點(diǎn)的密集程度。2.2.6現(xiàn)勢性(Modernistic)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性是指數(shù)據(jù)采集的時(shí)間,數(shù)據(jù)的更 新時(shí)間等。地理數(shù)據(jù)有些具有明確的時(shí)效特征，如土地利用測量數(shù)據(jù)，隨地區(qū)的 差異在時(shí)間上有明顯的變化。一般來說，具有動態(tài)特征的數(shù)據(jù)，它們的時(shí)間有效 性較短，相反則

6、長。3空間數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的來源從GIS中不同數(shù)據(jù)的表達(dá)形式到生成計(jì)算機(jī)可識別數(shù)據(jù)，從不同數(shù)據(jù)的處理 變換到數(shù)據(jù)的應(yīng)用，在這些過程中都會有數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的產(chǎn)生。3.1現(xiàn)象自身存在的不穩(wěn)定性空間現(xiàn)象自身存在的不穩(wěn)定性包括空間特征和過程在空間、專題和時(shí)間內(nèi)容 上的不確定性?？臻g現(xiàn)象在空間上的不確定性指其在空間位置分布上的不確定性 變化，如某種土壤類型邊界劃分的模糊性，某種土地利用類型邊界變動的頻繁性； 空間現(xiàn)象在時(shí)間上的不確定性表現(xiàn)為其在發(fā)生時(shí)間段上的游移性；空間現(xiàn)象在屬 性上的不確定性表現(xiàn)為屬性類型劃分的多樣性，非數(shù)值型屬性值表達(dá)的精確性。 因此，空間數(shù)據(jù)存在質(zhì)量問題是不可避免的。3.2現(xiàn)象的表達(dá)數(shù)據(jù)

7、采集、制圖過程中采用的測量方法、量測精度的選擇，人們對同一變量 概念理解的不一致性以及對某一空間地理特征表達(dá)方式是否合理等，由于它們都 受到人類自身的關(guān)于空間過程和特征的認(rèn)知以及表達(dá)的影響，因此，通過它們生 成的數(shù)據(jù)都有可能出現(xiàn)誤差。例如，在地圖投影中，由橢球體到平面的投影轉(zhuǎn)換 必然產(chǎn)生誤差；制圖綜合必然要綜合掉一部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容而使地圖數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差； 在一些像土壤、地質(zhì)、森林、地理等的學(xué)科中，許多概念還沒有取得一致性的認(rèn) 識，即使是同一學(xué)科領(lǐng)域的專家，他們歲同一種具有空間特征的變量的認(rèn)識也可 能有很大差異，也必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)測量誤差的產(chǎn)生。3.3空間數(shù)據(jù)處理中的誤差在數(shù)據(jù)處理過程中，容易產(chǎn)生誤差的幾

8、種情況：3.3.1投影變換 地圖投影是開口的三維地球橢球面或球面到二維平面的拓 撲變換。在不同的投影形式下，地理特征的位置、面積和方向表現(xiàn)會有差異。3.3.2地圖數(shù)字化和掃描后的矢量化處理 數(shù)字化過程采點(diǎn)的位置精度、空 間分辨率、屬性賦值等都有可能出現(xiàn)誤差。3.3.3數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換在矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換中，數(shù)據(jù)所表達(dá)的 空間特征的位置具有差異性。3.3.4數(shù)據(jù)抽象 在數(shù)據(jù)發(fā)生比例尺變換時(shí)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行的聚類、歸并、合 并等操作時(shí)產(chǎn)生的誤差，它包括知識性誤差（例如，操作符合地學(xué)規(guī)律的程度） 和數(shù)據(jù)所表達(dá)的空間特征位置的變化誤差。3.3.5建立拓?fù)潢P(guān)系 拓?fù)溥^程中伴隨著數(shù)據(jù)所表達(dá)的空間特征的位

9、置坐標(biāo) 的變化。3.3.6與主控?cái)?shù)據(jù)層的匹配 一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，常存存儲同一地區(qū)的多層數(shù)據(jù) 面，為了保證各數(shù)據(jù)層之間空間位置的協(xié)調(diào)性，一般建立一個(gè)主控?cái)?shù)據(jù)層以控制 其他數(shù)據(jù)層的邊界和控制點(diǎn)。在與主控?cái)?shù)據(jù)層匹配的過程中也會存在空間位移， 導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)。3.3.7數(shù)據(jù)疊加操作和更新數(shù)據(jù)在進(jìn)行疊加運(yùn)算以及數(shù)據(jù)更新時(shí)，會產(chǎn)生 空間位置和屬性值的差異。3.3.8數(shù)據(jù)集成處理 指在來源不同、類型不同的各種數(shù)據(jù)集的相互操作過 程中所產(chǎn)生的誤差。數(shù)據(jù)集成是包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)集之間的相互運(yùn)算、數(shù)據(jù) 表達(dá)等過程在內(nèi)的復(fù)雜過程，其中位置誤差、屬性誤差都會出現(xiàn)。3.3.9數(shù)據(jù)處理過程中誤差的傳遞和擴(kuò)散 在數(shù)據(jù)處理的各

10、個(gè)過程中，誤差 是累積和擴(kuò)散的，前一過程的累積誤差可能成為下一階段的誤差起源，從而導(dǎo)致 新的誤差的產(chǎn)生。3.4空間數(shù)據(jù)使用中的誤差3.4.1對數(shù)據(jù)的解釋過程 對于同一種數(shù)據(jù)來說，不同用戶對它的內(nèi)容的解 釋和理解可能不同。例如，對于土壤數(shù)據(jù)，城市開發(fā)部門、農(nóng)業(yè)部門、環(huán)境部門 對某一級別土壤類型內(nèi)涵的理解和解釋會有很大差異。處理這類問題的方法是隨 空間數(shù)據(jù)提供各種相關(guān)的文檔說明，如元數(shù)據(jù)。3.4.2缺少文檔 缺少對某一地區(qū)不同來源的空間數(shù)據(jù)的說明，諸如缺少投 影類型、數(shù)據(jù)定義等描述信息，這樣往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)用戶對數(shù)據(jù)的隨意性使用而使 誤差擴(kuò)散開來。4空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是個(gè)復(fù)雜的過程，要控制數(shù)

11、據(jù)質(zhì)量應(yīng)從數(shù)據(jù)產(chǎn)生和擴(kuò)散的所有 過程和環(huán)節(jié)入手，分別用一定的方法減少誤差。4.1空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制常見的方法有：4.1.1傳統(tǒng)的手工方法質(zhì)量控制的人工方法主要是將數(shù)字化數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)源進(jìn)行比較，圖形部分的檢 查包括目視方法、繪制到透明圖上與原圖疊加比較，屬性部分的檢查采用與原屬 性逐個(gè)對比或其他比較方法，這要求操作人員具有較高水平的專業(yè)素質(zhì)和一定的 耐心。例如，在地圖數(shù)字化過程中，不可避免地會出現(xiàn)空間點(diǎn)位丟失或重復(fù)、線 段過長或過短、區(qū)域標(biāo)識點(diǎn)遺漏等問題。幾何數(shù)據(jù)錯(cuò)誤如圖所示，其中(a)為區(qū) 域標(biāo)識點(diǎn)遺漏，(b)為線段過長。為此，可采用目視檢查邏輯檢驗(yàn)和圖形檢驗(yàn)等方 法進(jìn)行檢查與處理。4.1.2地理

12、相關(guān)法用空間數(shù)據(jù)的地理特征要素自身的相關(guān)性來分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量。例如，從地表 自然特征的空間分布著手分析，山區(qū)河流應(yīng)位于微地形的最低點(diǎn)，因此，疊加河 流和等高線兩層數(shù)據(jù)時(shí)，若河流的位置不在等高線的外凸連線上，則說明兩層數(shù) 據(jù)中必有一層數(shù)據(jù)質(zhì)量有問題，如不能確定哪層數(shù)據(jù)有問題時(shí)，可以通過將它們 分別與其他質(zhì)量可靠的數(shù)據(jù)層疊加來進(jìn)一步分析。因此，可以建立一個(gè)有關(guān)地理 特征要素相關(guān)關(guān)系的知識庫，以備各空間數(shù)據(jù)層之間地理特征要素的相關(guān)分析之 用。4.1.3元數(shù)據(jù)方法元數(shù)據(jù)(Metadata)是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù).在地理界，最典型的元數(shù)據(jù)便是各種 地圖中的圖例內(nèi)容,如圖名、比例尺、精度、生產(chǎn)者、出版單位和日期以

13、及其它 可以在地圖圖廓上找到的標(biāo)識信息等。使用元數(shù)據(jù)的目的就是促進(jìn)數(shù)據(jù)集的準(zhǔn) 確、高效利用，其內(nèi)容包括對數(shù)據(jù)集中各數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)所有者及數(shù)據(jù) 生產(chǎn)歷史等的說明；對數(shù)據(jù)質(zhì)量的描述，如數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)的邏輯一致性、數(shù)據(jù) 完整性、分辨率、比例尺等；對數(shù)據(jù)處理信息的說明；對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法的描述； 對數(shù)據(jù)庫的更新、集成等的說明.通過使用元數(shù)據(jù)，可以檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，跟蹤數(shù)據(jù) 加工處理過程中精度質(zhì)量的控制情況。例如在數(shù)據(jù)集成中，不同層次的元數(shù)據(jù)分 別記錄了數(shù)據(jù)格式、空間坐標(biāo)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)使用的軟硬件環(huán)境、數(shù)據(jù)使用規(guī) 范、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等信息，這些信息在數(shù)據(jù)集成的一系列處理中，如數(shù)據(jù)空間匹配、 屬性一致化處理、

14、數(shù)據(jù)在各平臺之間的轉(zhuǎn)換使用等是必要的。這些信息能夠使系 統(tǒng)有效地控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流。4.2以地圖數(shù)字化生成地圖數(shù)據(jù)過程為例說明空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的方法地圖數(shù)字化是數(shù)據(jù)采集的重要手段。在地圖數(shù)字化過程中，為了控制數(shù)字化 過程的質(zhì)量，我們應(yīng)從數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)字化設(shè)備及軟件的選用、地圖配準(zhǔn)、數(shù)字 化方式以及數(shù)據(jù)精度檢查等環(huán)節(jié)加以控制。4.2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理首先對原始地圖、表格等進(jìn)行整理、譽(yù)清或清繪。對于質(zhì)量不高的數(shù)據(jù)源， 如散亂的文檔和圖面不清晰的地圖，通過預(yù)處理工作不但可減少數(shù)字化誤差，還 可提高數(shù)字化工作的效率。對于掃描數(shù)字化的原始圖形或圖像，還可采用分版掃 描的方法，以減少數(shù)字化誤差，提高數(shù)字化的工

15、作效率。為了減少圖紙?jiān)跀?shù)字化 過程中變形對數(shù)據(jù)精度的影響，保證紙質(zhì)地圖存放環(huán)境有適宜的溫度和濕度，以 減小地圖由于環(huán)境原因造成的變形，對質(zhì)量不好的紙質(zhì)地圖應(yīng)將其復(fù)印到變形小 于0.2%。的聚脂薄膜上。另外，對地圖上的封閉曲線或較長的線狀要素應(yīng)將其進(jìn) 行分段，因?yàn)榇蠖鄶?shù)GIS軟件能存貯的線狀實(shí)體頂點(diǎn)數(shù)有限，而且對線狀要素進(jìn) 行分段處理有利于減少數(shù)字化誤差，提高數(shù)字化精度。4.2.2正確選擇數(shù)字化軟件設(shè)備數(shù)字化儀的分辨率和精度對數(shù)字化的質(zhì)量有著決定性的影響。所以在選用數(shù) 字化設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮其分辨率和精度等參數(shù)不應(yīng)低于設(shè)計(jì)的精度要求。一般數(shù)字化 儀的分辨率應(yīng)達(dá)到0.025 mm,精度達(dá)到0.2 mm,

16、掃描儀的分辨率不低于0.083 mm。 此外，軟件誤差也是影響矢量化精度的一個(gè)極重要因素?，F(xiàn)在通常采用半自動矢 量化方式，進(jìn)行人機(jī)交互操作。因此在選擇軟件時(shí)不應(yīng)僅僅關(guān)心自動化程度，還 要特別注意是否具有以下功能：智能去斑、裁剪、扭曲校正、比例控制、水平校 正、光柵編輯和交互式矢量化等。4.2.3地圖定向地圖數(shù)字化時(shí)數(shù)字化跟蹤頭采集地圖上點(diǎn)的坐標(biāo)是數(shù)字化儀平面坐標(biāo)，這種 坐標(biāo)定義取決于數(shù)字化儀的精度和配置，同時(shí)這些點(diǎn)還有其地理坐標(biāo)意義。因此 在數(shù)字化過程中，還需要將地圖上點(diǎn)的數(shù)字化儀平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為該點(diǎn)的實(shí)際地理 坐標(biāo)，也就是地圖定向。地圖定向?qū)崿F(xiàn)了地圖的數(shù)學(xué)法則及設(shè)備坐標(biāo)到實(shí)際地理 坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，

17、同時(shí)它對控制數(shù)據(jù)采集的精度有重要的意義。實(shí)際操作中，在圖面 上均勻選取適當(dāng)?shù)目刂泣c(diǎn)，控制點(diǎn)的選取應(yīng)不少于4個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)分幅地圖在內(nèi)圖廓 四角上的4個(gè)圖廓點(diǎn)可作為控制點(diǎn)并標(biāo)有相應(yīng)的實(shí)際地理坐標(biāo)，圖面上往往還有 大地測量控制點(diǎn)可共選擇。當(dāng)沒有現(xiàn)成可供選擇的控制點(diǎn)或需要增加控制點(diǎn)時(shí)， 控制點(diǎn)的選取應(yīng)盡可能選取在明顯地物點(diǎn)上，如線狀地物的交點(diǎn)，最好是正交的 點(diǎn)上，并在圖幅上大致均勻分布，這樣有利于提高數(shù)字化的精度。例如在SuperMap軟件的支持下，導(dǎo)入一幅泰安市政區(qū)圖進(jìn)行矢量化。首先確定投影方式，這 是保證數(shù)據(jù)精度的數(shù)學(xué)法則；其次進(jìn)行地圖配準(zhǔn)，選取圖廓的4個(gè)內(nèi)角點(diǎn)或政區(qū) 圖的4個(gè)方向的最遠(yuǎn)點(diǎn)即四至點(diǎn)為控

18、制點(diǎn)，系統(tǒng)稱之為參考點(diǎn)，其坐標(biāo)為設(shè)備坐 標(biāo)，再輸入控制點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)即大地坐標(biāo)，確定后就實(shí)現(xiàn)了精確的地圖定向。4.2.4數(shù)字化方式跟蹤數(shù)字化一般有點(diǎn)方式和流方式。所謂點(diǎn)方式是指操作員每按鍵一次，獲 取并向計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；流方式是指操作員按下按鍵，沿曲線移動 游標(biāo)時(shí)，能自動記錄經(jīng)過點(diǎn)的坐標(biāo)。實(shí)踐證明，點(diǎn)方式所產(chǎn)生的誤差要比流方式 小得多，實(shí)際應(yīng)用中多采用點(diǎn)方式。數(shù)字化時(shí)，地理要素圖形本身的寬度、密度、 復(fù)雜程度對數(shù)字化結(jié)果的質(zhì)量有顯著影響，如粗線比細(xì)線更易引起誤差，復(fù)雜曲 線比平直線更易引起誤差，密集要素比稀疏要素易引起誤差。這就要求數(shù)字化操 作者有熟練的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，注意適當(dāng)?shù)牟杉芏?，兼顧?shù)據(jù)量的大小和精 度。4.2.5數(shù)字化的精度檢查數(shù)字化的誤差可以被定義為數(shù)字化點(diǎn)、線對原地圖上點(diǎn)、線的偏差，其圖形 部分的檢查可通過目視檢查：將數(shù)字化的結(jié)果打印到透明圖上與原圖疊加，屬性 數(shù)據(jù)與原圖逐個(gè)對比。要求直線地物和獨(dú)立地物的誤差小于0.2 mm，曲線地物 和水系一般小于0.3 mm，邊界模糊的要素小于0.5 mm；接邊誤差小于0.3 m