MAPGIS矢量化地形图精度可靠性分析

　　摘要：矢量化数据已经成为地理信息系统的重要数据源之一，矢量化数据的质量（精度）高低直接关系到GIS的可靠性和应用范围。本文根据在测绘单位做地图矢量化及数据校正的工作经验，结合相关理论，以MAPGIS软件为例,对图形矢量化的实际操作过程中产生误差的原因及如何减小误差、误差校正等问题进行了深入的分析和探讨。
　　关键词：MAPGIS；矢量化；可靠性分析；误差
　　0、引言
　　数字地形图不仅是各种工程建设、城乡规划的基本资料，也是建立GIS数据库和构成国家地理信息系统的基本构架的一个重要数据来源。目前，地形图的扫描矢量化已经成为地形图矢量化的主要方法，但作业过程中存在的各种误差会影响到扫描矢量化的精度；精度问题是决定数据优劣及其应用范围的重要因素。矢量化数据是否符合《规范》规定的精度要求？这些误差总体来说表现出什么性质？精度评定结果的可信度有多大？本文在分析地形图扫描矢量化误差来源的基础上通过统计检验对扫描矢量化的误差分布作了初步分析，并采用多种方法对矢量化成果的精度可靠性进行假设检验，这些分析对进一步探讨矢量化误差性质、误差校正、控制空间数据质量具有一定的现实意义。
　　1、误差的来源
　　1.1原图误差
　　原图误差主要包括原图固有误差和纸张变形误差。
　　原图固有误差：包括测量误差m测、采用的投影方法误差m投、坐标格网绘制误差m网、控制点展点误差m控、碎部点展点误差m碎、制图综合误差m制和图纸绘制误差m绘等等。这些误差的关系较为复杂，所以很难对其作出准确评定，一般取有关《规范》规定的限差。
　　纸张变形误差：受湿度和温度变化的影响,图纸在长期的储存中会产生伸缩变形，变形后不可能恢复到原来的尺寸。此外在印刷过程中，纸张先随温度升高而变长变宽，又因冷却而产生收缩。而基于聚酯薄膜图因材料变形产生的误差相对小得多，因此建议扫描矢量化时最好采用聚酯薄膜图作为扫描底图。
　　1.2图纸处理过程中的误差
　　由于光学误差、电信号传输过程中造成的辐射误差、沿导轨扫描过程中由于机械运动、或其它原因造成的各种误差，特别是不均匀的扫描误差加上图纸不均匀变形，扫描可产生较大的扫描误差，扫描误差是扫描矢量化的主要误差源。扫描误差除了原图的质量因素外，还包括扫描仪分辨率、扫描灰度阀值、扫描速度、外界环境影响、人员因素、图像处理误差等。
　　1.3软件误差
　　软件误差是由于软件的功能有限和所要求的运行环境不同而带来的矢量化误差，其中包括人的错位识别误差。目前扫描矢量化逐渐形成了一种以细化、曲线跟踪拟合为核心的技术，该技术的弊病表现为抗干扰性差、产生的识别畸变直接影响到最终成果。软件误差属于系统误差，包括扫描矢量化软件的图纸定向、坐标系统转换、数据精度定义、操作方法、线划跟踪、在线质量检查与编辑功能、图像交换格式等等。以MAPGIS为例
　　1.3.1图像分析形成的误差
　　MAPGIS是以MSI图像为处理对象，提供了强大的控制点编辑环境，但无论是标准图幅的校正还是非标准图幅的校正都需要人为的进行录入，以完成MSI图像的几何控制点的编辑处理；当图像具有四个以上控制点时，MSI图像的显示引擎就能实时完成MSI图像的几何变换、重采样，从而实时完成图像的配准。就控制点录入来说，MAPGIS没有捕捉的功能，不能直接捕捉到参照物的交叉点上，以造成控制点录入的误差。
　　1.3.2子图库、线型库定位点(定位线)不精确形成的误差
　　MAPGIS的系统库（Slib）包括子图库、线型库、色库、图案库。子图库是各类基础地理及专题要素的符号库。线型库是各类地物界线及专题要素界线的符号库。地图符号是地图的语言,在地图上用来表示实地物体与现象的特点图解记号,它是地图的主要表现形式,也是地理信息得以传输的媒体。地图符号按地面物体和符号的比例关系分为依比例尺、半依比例尺和不依比例尺符号。在传统制图理论中,任何符号都有它的定位点和定位线。符号的定位点和定位线都有严格的规定,它决定了地物在空间的分布位置和相互关系。符号库(子图库,线形库)形成误差的主要原因是符号的定位点和定位线不在规定的位置上。工作人员在矢量化地图过程中往往把符号移动到与原图相同的位置,当坐标点可见时,符号的定位点(定位线)和符号的坐标可见点不在同一点上,其图上距离的误差一般在0.1～0.5mm之间,图件比例尺越小其误差变形越大。
　　1.3.3矢量化形成的误差
　　在矢量化地图的领域中，全自动化矢量技术尚未成熟。目前MAPGIS只能在大比例尺的、图像比较清晰的、内容较少的图像里采用交互式矢量化，但应用率也只有百分之十。在日常的应用中，我们通常采用人为跟踪矢量化。把校正完的图像与系统自动生成的图幅框进行融合，形成完整的图幅后对单幅地形图进行矢量化。在矢量化的过程中MAPGIS软件可对图像进行可无限放大及缩小，导致工作人员在跟踪线划或其它要素时，往往不是十分的精确。
　　2、扫描矢量化精度的可靠性分析
　　由上述分析可知地形图矢量化数据是含有误差的，那么下面我们就对误差进行进一步的精度评定和可靠性分析。
　　2.1扫描矢量化的精度估算
　　扫描矢量化方法的误差可由式（1）计算:
　　(1)
　　式中：
　　—图幅定向误差；—图纸扫描误差；—图像细画误差；
　　—矢量化误差。
　　设地形图接边时同一地物偏差及同幅地形图的矢量图与栅格图的同名十字格网线之间的偏差为，按公式（2）计算子样平均值中误差（n为样本个数）：
　　(2)
　　若扫描矢量化的中误差<(误差范围)，则符合《规范》要求。
　　2.2均值检验（T检验法）
　　为了检验矢量化过程中系统误差的影响，需对上述误差进行假设检验。设总体的分布函数F（），总体均值，标准差S，构造检验统计量：
　　，(3)
　　原假设：,备选假设：
　　其拒绝域为
　　若接受原假设。
　　2.3误差分布检验
　　为检验扫描矢量化误差是否服从正态分布，对上述样本数据用皮尔逊（Pearson）检验法，和检验法进行检验。
　　1）皮尔逊（Pearson）检验法
　　依矢量化误差分布情况，将其分为r个区间，统计误差落在各区间内的频数为(i=1,2,…r),并求得△的均值和中误差。根据每个区间的区间中值，计算概率和理论频数。构造统计量：
　　(4)
　　，拒绝原假设，表明扫描矢量化误差不服从正态分布。
　　2）和检验
　　按下列公式分别计算、及修正统计量
　　(5)
　　(6)
　　3、消除误差的方法
　　在利用MAPGIS6.6做地图矢量化的过程中必须尽可能地提高各个环节的精度,减小误差,提高数字信息的质量和精度。
　　3.1对矢量化底图的预处理
　　对矢量化底图因折叠或其它原因导致的褶皱问题,用电熨斗熨平。用高精度的日历瓦尺量测内图廓边长和对角线长度：
　　测量值 理论值 调整幅度 处理方案
　　A1 436.2 436.0 -0.1～0.3 热处理
　　A2 435.6 436.0 +0.3～0.5 湿处理
　　B1 321.4 322.0 +0.5～0.7 湿处理
　　B2 322.1 322.0 -0.0～0.2 可不处理
　　C1 540.8 541.0 +0.1～0.3 湿处理
　　C2 541.6 541.0 -0.5～0.7 热处理
　　精度控制＜0.1
　　量测的长度（A1、A2、B1、B2、C1、C2）与图幅理论值进行比较,大于理论值进行热处理,用电熨斗均匀的熨一遍,但温度应控制在低温状态。小于理论值进行湿处理,用湿拖布把地拖湿,在地上铺上一层纸,在纸上放上图纸进行潮温。热处理或湿处理后,应使内图廓边长和对角线长度误差控制在0.1～0.2ｍｍ,对于大比例尺地图，工作底图可适当放宽精度要求：①图廓点位误差≤0.15mm，②图廓边长误差≤0.2mm，③图廓对角线误差≤0.3mm，④公里网点间距误差≤0.2mm。
　　3.2扫描矢量化形成误差的处理
　　扫描底图扫描仪的分辨率一般不应小于每厘米157点。在地图矢量化之前,首先利用MAPGIS6.6图像处理模块提供的图像镶嵌配准功能对光栅文件进行误差处理。对于控制点数量的选择,图幅越大,选取的控制点应越多;比例尺越小,选取的控制点也应越多。一般不低于13个控制点。在矢量化的过程中(以10万比例尺的
　　等高线为例),一般矢量化工作人员应将图像放大70倍以上进行矢量化，特别熟练的数据加工老手可以只放大到30～50倍进行。对线状地物矢量化时,其转弯处应多加点,使其光滑、自然。以保证达到GB/T17160－1997规定的重复定位最大较差绝对值不超过0.16mm，线状符号跟踪中误差不超过±0.25mm。
　　3.3子图库和线型库定位点(定位线)形成误差的处理
　　MAPGIS6.6的子图库和线型库是地图矢量化的主要符号,它们位置的精确性决定了地物的空间分布特征。地图符号的定位点(定位线)具有严格的规定。在使用MAPGIS6.6图形处理模块制图的过程中,首先要检查子图库、线型库(定位点、定位线)的精确性,与制图理论规定的定位点(定位线)不相符的符号利用MAPGIS6.6编辑符号的功能,修改符号中心位置使符号的定位点(定位线)在编辑符号柜的中心位置。用双线表示的地物符号(如公路、铁路)其定位线在两线的中心位置,以一侧为基线的符号,其中心线在基线上(如不整合地层界线、陡坎等)。同时，在采点中的误差亦不允许超过±0.20mm。
　　4结论
　　通过上述分析表明，扫描矢量化地形图精度误差的来源有多种多样。在数据信息输入的过程中应尽量避免各个环节所产生的误差,以提高数据信息的质量,为数据空间分析和数据管理提供优质数据。另外作业人员还应尽可能提高业务素质，弄清其中的规律，制订合理的生产流程，把扫描矢量化误差的产生可能性降低到最小。
　　【参考文献】
　　[1]中国地质大学信息学院，MAPGIS地理信息系统实用教程，武汉：中国地质大学出版社，2000
　　[2]MAPGIS地理信息系统使用手册，武汉：中地数码，2005
　　[3]测量平差学科组.误差理论与测量平差基础[M].武汉：
　　武汉大学出版社，2003：190-208.
　　[4]童小华，周德意.地形图扫描的精度分析［J］.同济大学学报，2003,(1):33.
　　[5]余晓红.地形图扫描矢量化的误差分析［J］.测绘科学，2000,(3):26

《MAPGIS矢量化地形图精度可靠性分析》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： MAPGIS矢量化地形图精度可靠性分析

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-13756