一種基于FME的數(shù)字地形圖數(shù)學(xué)精度檢測(cè)方法

李 歡

(中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

FME軟件是加拿大Safe Software公司開(kāi)發(fā)的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)，F(xiàn)ME Workbench是定義數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)變換最主要的工具，能實(shí)現(xiàn)多種不同空間數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、空間數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)及整合。隨著數(shù)字化測(cè)圖方法的普及與應(yīng)用，產(chǎn)生了大量的數(shù)字化地形圖成果，而對(duì)其數(shù)學(xué)精度的檢測(cè)也已成為技術(shù)質(zhì)檢人員面臨的一項(xiàng)亟待高效解決的問(wèn)題[1-4]。常規(guī)的地形圖精度檢測(cè)方法是采用程序軟件或人機(jī)交互的方法進(jìn)行[5]，用人機(jī)交互的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)精度檢測(cè)時(shí)，質(zhì)檢人員需要完成數(shù)據(jù)采集、精度統(tǒng)計(jì)、統(tǒng)計(jì)結(jié)果的整理等一系列瑣碎的工作，對(duì)大量的數(shù)字化地形圖成果而言檢測(cè)效率太低[6]；而程序軟件具有單一性，程序員一旦寫(xiě)定程序，質(zhì)檢人員將無(wú)法按照測(cè)區(qū)要求靈活的進(jìn)行更改[7]。為此，基于FME軟件進(jìn)行地形圖數(shù)學(xué)精度檢測(cè)，提出實(shí)現(xiàn)數(shù)字地形圖數(shù)學(xué)精度的批量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，以減少人工繁雜的檢測(cè)工作，提高檢測(cè)的效率和質(zhì)量[8]。

1 基于FME的地形圖精度檢測(cè)方法

1.1 檢測(cè)要求

地形圖數(shù)學(xué)精度檢測(cè)包括對(duì)成果數(shù)據(jù)的高程精度檢測(cè)、平面位置精度檢測(cè)及相對(duì)位置精度檢測(cè)，其檢測(cè)都是基于外業(yè)實(shí)測(cè)檢測(cè)點(diǎn)來(lái)衡量地形圖成果精度(即實(shí)測(cè)點(diǎn)和成圖點(diǎn))。檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)分布均勻、位置明顯，且每幅圖一般各選取20～50個(gè)(對(duì)于測(cè)區(qū)選點(diǎn)困難地區(qū)，也可選取10～20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行該幅圖精度評(píng)定)，檢測(cè)點(diǎn)(邊)數(shù)量少于20時(shí)，以誤差的算術(shù)平均值代替中誤差，大于20時(shí)按中誤差統(tǒng)計(jì)[9]。

1.2 檢測(cè)方法設(shè)計(jì)思路

基于FME Workbench進(jìn)行3項(xiàng)高精度檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)思路，如圖1所示。

圖1 檢測(cè)設(shè)計(jì)流程示意Fig.1 The design process of detection

設(shè)A(X1，Y1)為外業(yè)實(shí)測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)、B(X2，Y2)為地形圖成圖點(diǎn)平面坐標(biāo)；A(H1)為外業(yè)實(shí)測(cè)高程值；B1(H2)為成圖點(diǎn)高程值；用FME提取其坐標(biāo)值后采用公式(1)計(jì)算其平面點(diǎn)位中誤差

(1)

采用式(2)計(jì)算其高程點(diǎn)位中誤差

Δgao=H2-H1

(2)

分別對(duì)DLG平面、高程及相對(duì)位置精度進(jìn)行了檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于點(diǎn)數(shù)小于20式(3)與多于20式(4)采用不同的計(jì)算公式進(jìn)行粗差率計(jì)算

Error 1=[|Δ|]/n

(3)

(4)

在實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)提取的基礎(chǔ)上，需運(yùn)用高精度檢測(cè)中誤差計(jì)算式(5)編寫(xiě)轉(zhuǎn)換器參數(shù)，按測(cè)區(qū)要求批量提取檢查記錄表。

(5)

式中，M為該圖幅的高精度檢測(cè)高程/平面/相對(duì)位置成果中誤差；n為圖幅檢測(cè)點(diǎn)(邊)數(shù)；Δi為較差。

2 基于FME的數(shù)學(xué)精度檢測(cè)難點(diǎn)解決方案

2.1 高程精度檢測(cè)

2.1.1 高程精度檢測(cè)問(wèn)題概述

高程精度檢測(cè)是對(duì)高程點(diǎn)中誤差的檢測(cè)，其具體檢測(cè)方法是外業(yè)以實(shí)測(cè)的方法按照地形圖成圖高程點(diǎn)所在位置進(jìn)行打點(diǎn)實(shí)測(cè)，并將外業(yè)的實(shí)測(cè)點(diǎn)與地形圖同位置處的高程點(diǎn)進(jìn)行高程差比較，計(jì)算其高差中誤差。其選點(diǎn)應(yīng)盡量選在道路硬化路面上或者具有特殊定位意義的特征點(diǎn)上。由于電子地形圖的局限性，人工在實(shí)地進(jìn)行打點(diǎn)時(shí)除了部分特征點(diǎn)外，難免會(huì)選取與地形圖上同名高程點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的情況，形成距離高差，造成粗差的出現(xiàn)。一般遇此問(wèn)題，都需質(zhì)檢人員人工依次核實(shí)圖上點(diǎn)高程位置或重新讀取同名點(diǎn)高程值，從而造成繁重的工作量，降低質(zhì)檢效率。

2.1.2 基于FME實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配同名點(diǎn)的高程注記

將地形圖高程點(diǎn)層與實(shí)測(cè)點(diǎn)高程層讀取至FME軟件，編寫(xiě)模板，通過(guò)設(shè)置Neighbor Finder參數(shù)，設(shè)置與實(shí)測(cè)點(diǎn)鄰近的搜索閾值范圍，如圖2所示。應(yīng)結(jié)合測(cè)區(qū)地形實(shí)際，設(shè)置搜索距離，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)山區(qū)高山區(qū)地形距離應(yīng)給小，以防高差超限；平地、丘陵地可適當(dāng)給大，以保證搜索到對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并挑選出實(shí)測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的圖上高程點(diǎn)。將范圍內(nèi)未匹配上的實(shí)測(cè)點(diǎn)及已匹配但通過(guò)TESTER轉(zhuǎn)換器高差超限的實(shí)測(cè)點(diǎn)輸出至新的文件圖層，如圖3圓圈位置所示，以供檢測(cè)者直觀地進(jìn)行修改，直至新的文件圖層為空。

圖2 鄰近閾值搜索參數(shù)設(shè)置Fig.2 Parameter setting of proximity threshold search

圖3 未匹配上的實(shí)測(cè)點(diǎn)及高差超限錯(cuò)誤Fig.3 Unmatched measured points and height difference overrun errors

2.2 平面精度檢測(cè)

2.2.1 平面精度檢測(cè)問(wèn)題概述

平面精度主要是對(duì)地物點(diǎn)絕對(duì)位置中誤差的檢測(cè)，其具體檢測(cè)方法是外業(yè)以實(shí)測(cè)的方法均勻測(cè)取地形圖圖幅內(nèi)房角或者具有特殊定位意義的特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)，與地形圖上同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得出距離差，并最終計(jì)算中誤差是否符合規(guī)范要求。在進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)比時(shí)，由于原地形圖上的房角是以線或面的形式存在，這就要求質(zhì)檢人員需手工抓取同名位置的房角點(diǎn)坐標(biāo)，若遇到測(cè)區(qū)面積大、質(zhì)檢圖幅多的情況，會(huì)造成人工抓點(diǎn)的工作量大從而影響質(zhì)檢效率。

2.2.2 基于FME實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取同名位置的房角點(diǎn)坐標(biāo)

將參與平面實(shí)測(cè)點(diǎn)匹配的地形圖要素層和實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行讀取，通過(guò)轉(zhuǎn)換器Chopper，將參與的要素層內(nèi)的線面交點(diǎn)輸出為點(diǎn)的形式，如圖4所示。將未匹配上的平面實(shí)測(cè)點(diǎn)輸出為Pmcw層，如圖5所示，以供檢測(cè)者直觀地進(jìn)行修改，直至Pmcw層為空。

圖4 線面交點(diǎn)輸出為點(diǎn)Fig.4 The intersection of line and surface is output as point

圖5 未匹配上的平面實(shí)測(cè)點(diǎn)錯(cuò)誤Fig.5 Error of unmatched plane measured points

2.3 相對(duì)位置精度檢測(cè)

2.3.1 平面精度檢測(cè)問(wèn)題概述

相對(duì)精度主要檢測(cè)了地物點(diǎn)間距中誤差。其具體檢測(cè)方法是先在地形圖圖幅內(nèi)均勻選取圖上相鄰兩房角，測(cè)量其距離，后外業(yè)在實(shí)地選取同名房角進(jìn)行距離測(cè)量，將內(nèi)外業(yè)分別測(cè)取的距離長(zhǎng)度進(jìn)行差值對(duì)比，并計(jì)算其中誤差。其難點(diǎn)在于外業(yè)量測(cè)邊長(zhǎng)與圖上相應(yīng)邊長(zhǎng)如何匹配[10-11]。在地形圖上選取圖上相鄰兩房角距離時(shí)，為方便外業(yè)識(shí)別，可以連線的方式抓取兩房角的角點(diǎn)，即線段長(zhǎng)度即為距離，在與外業(yè)測(cè)取的長(zhǎng)度進(jìn)行差值對(duì)比時(shí)，只需識(shí)別測(cè)量線段長(zhǎng)度即可，因而采用批量手段量取線段長(zhǎng)度是高效完成相對(duì)精度檢測(cè)的途徑。

2.3.2 基于FME實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量取兩房角間距的長(zhǎng)度

將量取的成圖房角點(diǎn)邊線與實(shí)測(cè)的距離進(jìn)行讀取，并通過(guò)Length Calculator轉(zhuǎn)換器計(jì)算出量取的邊線長(zhǎng)度，參數(shù)如圖6所示。可輸出線劃圖直觀查看，如圖7所示，再進(jìn)行后續(xù)中誤差計(jì)算。

圖6 成圖邊邊長(zhǎng)量取Fig.6 Measurement of edge length in mapping

圖7 圖上距離(黑線)及實(shí)測(cè)距離(數(shù)字)Fig.7 Distance on the graph(brack line)and measured distance(number)

2.4 基于FME實(shí)現(xiàn)批量提取檢查記錄表

地形圖精度計(jì)算完成后，就需對(duì)大量的圖幅檢測(cè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并提取，對(duì)面積較大的測(cè)區(qū)而言采用人機(jī)交互的方式填寫(xiě)檢查記錄表耗時(shí)耗力，因而批量提取檢查記錄表尤為重要，F(xiàn)ME Workbench可實(shí)現(xiàn)對(duì)統(tǒng)計(jì)表的批量提取，即對(duì)每幅圖的圖幅號(hào)、點(diǎn)號(hào)、成圖點(diǎn)坐標(biāo)值、實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值、差值、檢測(cè)點(diǎn)數(shù)、點(diǎn)位中誤差、最大及最小較差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，輸出成果檢測(cè)表。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述基于FME的數(shù)字地形圖數(shù)學(xué)精度檢測(cè)方法的可行性，特選取1∶1 000大比例尺測(cè)區(qū)測(cè)繪項(xiàng)目數(shù)字地形圖成果進(jìn)行3項(xiàng)精度檢測(cè)，隨機(jī)抽取3項(xiàng)檢查記錄,見(jiàn)表1～表3。其中，DLG平面選取了25個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)統(tǒng)計(jì)：平面位置最大較差為0.1，平面位置最小較差為0.0 m，標(biāo)準(zhǔn)中誤差為±0.6 m，中誤差為0.05 m。DLG高程選取了26個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)統(tǒng)計(jì)：高程最大較差為0.2 m，高程最小較差為0.00 m，標(biāo)準(zhǔn)中誤差為±0.4 m，中誤差為0.1 m。DLG相對(duì)位置選取了25條邊進(jìn)行檢測(cè)統(tǒng)計(jì)：標(biāo)準(zhǔn)中誤差為±0.8 m，中誤差為0.10 m。以上精度完全滿(mǎn)足1∶1 000地形圖測(cè)繪DLG精度要求及項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)的精度要求[12]，即平面位置中誤差小于0.6 m，高程位置中誤差小于0.4 m，相對(duì)位置中誤差小于0.8 m。

表1 DLG平面位置精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of DLG plane position accuracy detection

表2 DLG高程精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of DLG elevation accuracy detection

表3 DLG平面相對(duì)位置精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of DLG plane relative position accuracy detection

4 結(jié)論

(1)FME軟件的數(shù)據(jù)處理功能已經(jīng)滲入到數(shù)據(jù)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)使用基于FME軟件編寫(xiě)模板程序，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)點(diǎn)位精度與相對(duì)精度并輸出統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，較常規(guī)地形圖精度檢測(cè)質(zhì)檢人員一幅幅手動(dòng)檢查相比，質(zhì)檢工作效率成倍提高，同時(shí)大大地縮短了質(zhì)檢周期。此外，應(yīng)用FME軟件編寫(xiě)模板程序，其形式具有靈活性，可針對(duì)不同測(cè)區(qū)不同比例尺精度要求靈活地對(duì)精度指標(biāo)進(jìn)行更改，在實(shí)際工作中也可根據(jù)不同的表格樣式修改輸出字段，在使用程序方面更加靈活方便，質(zhì)檢人員操作簡(jiǎn)單、靈活易實(shí)施。

(2)FME軟件基于語(yǔ)義的轉(zhuǎn)換，通過(guò)使用不同語(yǔ)義轉(zhuǎn)換器函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接并減少信息丟失，且能直接轉(zhuǎn)換成目標(biāo)格式數(shù)據(jù)，不需要再做額外的數(shù)據(jù)后處理，至少減少30%以上手動(dòng)修改復(fù)雜數(shù)據(jù)的工作量。

(3)FME軟件的應(yīng)用之廣使得空間數(shù)據(jù)處理的效率大大提高，即可將FME軟件應(yīng)用于測(cè)繪地理信息行業(yè)，以保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行，減少工作量，也為空間數(shù)據(jù)加工項(xiàng)目提供了一個(gè)很好的思路。