智慧城市的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模型

周文鋒

(象山縣測繪與地理信息有限公司, 浙江 寧波 315700)

0 引言

作為社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ),測繪地理信息同時也是整體提升國民信息化程度的重要條件[1],不僅能夠用于維護國家安全,同時也能夠應(yīng)用于國民大眾的實際生活[2]。近些年,測繪地理信息的相關(guān)研究被社會大眾所廣泛關(guān)注,因此相關(guān)領(lǐng)域的研究發(fā)展也較快。測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的質(zhì)量至關(guān)重要,不僅要求其具有較高的完整性與準(zhǔn)確性,同時還要確保數(shù)據(jù)間的邏輯性[3]。因此，研究一種測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法也較為重要。

張烴與董樹屏等人在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究中采用分級管理模式[4],通過三級主體、兩級監(jiān)督的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制機制提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。李嬋與范增祿等人在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究中引入格式檢查[5],針對可能存在的錯誤信息,通過格式檢查以及內(nèi)部一致性檢查等方法進行質(zhì)量控制。本文在前人研究基礎(chǔ)上,研究基于智慧城市的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模型,以此提升測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模型

1.1 模型整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智慧城市中的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)是以城市為目標(biāo)[6],以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為紐帶,基于計算機技術(shù)與多媒體技術(shù),結(jié)合遙感測繪以及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)對目標(biāo)實施不同分辨率、不同尺度、不同時空以及不同種類的三維統(tǒng)計描述而生成的信息,可以利用這些信息對城市的過去、當(dāng)前與未來進行虛擬化展示?；谥腔鄢鞘械臏y繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模型整體結(jié)構(gòu),如圖1所示。

注：①全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS);②數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)。圖1 基于智慧城市的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模型整體結(jié)構(gòu)

該模型主要分為兩個部分,分別是智慧城市客戶端部分與桌面管控端部分,通過兩部分之間的有機結(jié)合形成一個有機的整體。通常,管控端部署在內(nèi)業(yè)工作站上,客戶端部署在外業(yè)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的移動端,通過移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)指令下達、數(shù)據(jù)上傳和交換共享。桌面管控端將測繪地理信息采集命令傳輸給智慧城市客戶端,并將城市地理底圖等資源傳輸至智慧城市客戶端;智慧城市客戶端采集測繪地理信息后,測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)經(jīng)由過程質(zhì)量控制后存儲至一體化存儲區(qū)域內(nèi)。測繪地理信息統(tǒng)計完成后,成果匯交至桌面管控端,利用成果質(zhì)量控制過程質(zhì)量管理,并將管理結(jié)果存儲至成果庫內(nèi)。

1.2 過程質(zhì)量控制

通過智慧城市客戶端對測繪地理信息的采集與統(tǒng)計進行過程質(zhì)量控制。

1.2.1 信息質(zhì)量控制

信息質(zhì)量控制是智慧城市中測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的主要環(huán)節(jié),指的是對測繪數(shù)據(jù)本身進行質(zhì)量控制,包括對數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)、數(shù)字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、數(shù)字線劃地圖(digital line graphic,DLG)等數(shù)據(jù)進行控制,其存在于測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的整體流程中。在海量智慧城市測繪地理信息采集過程中,不僅要提升相關(guān)作業(yè)人員與管理人員的責(zé)任心,同時還要保障測繪地理信息采集過程的標(biāo)準(zhǔn)化,關(guān)注開發(fā)生產(chǎn)作業(yè)程序,降低測繪地理信息采集的誤差率,需最大限度利用網(wǎng)絡(luò)資源,最終確保所采集的測繪地理信息數(shù)據(jù)的息一致性和唯一性。信息質(zhì)量控制。

信息質(zhì)量控制方法主要分為三個環(huán)節(jié),此處以DEM數(shù)據(jù)為例來描述整個過程。

具體描述如下：

(1)原始資源質(zhì)量檢查。這一環(huán)節(jié)的目的是確定DEM信息內(nèi)是否存在系統(tǒng)誤差、粗差或隨機誤差等,從而避免DEM信息精度不合格等問題。

(2)DEM信息處理中的質(zhì)量檢查。這一環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的內(nèi)容是確定內(nèi)插模型[7],并利用逼近度、平滑度以及計算時間等方法來確定合適的模型。大量研究結(jié)果表明,雙線性內(nèi)插的效果更為合適。

(3)最終DEM質(zhì)量檢查。這一環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的內(nèi)容是確定內(nèi)插模型的準(zhǔn)確度與可應(yīng)用性;其次,需要判斷DEM數(shù)據(jù)高程修正數(shù)的起始信息、終止信息、網(wǎng)格間距以及高程值取值范圍是否滿足要求;再次,需要針對非平滑區(qū)域?qū)嵤┚庉嬏幚?并進行優(yōu)化處理。通過DEM得到的同等高線疊加判斷非正?，F(xiàn)象,確保最鄰近圖幅DEM緊密接邊。

1.2.2 時空位置信息質(zhì)量控制

時空位置信息是測繪地理信息的重要組成部分。測繪數(shù)據(jù)采集后,為保障所采集信息中時空位置信息的準(zhǔn)確性,需對時空位置信息進行質(zhì)量控制。智慧城市客戶端中時空位置信息的質(zhì)量控制流程,如圖2所示。

圖2 時空位置信息質(zhì)量控制流程

可依照不確定傳播理論[8],利用式(1)描述初始時空位置信息的不確定性q1為

(1)

式中,q0和qd分別為初始時空位置信息以及地理數(shù)據(jù)數(shù)字化的不確定性;qs為測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)其他存儲導(dǎo)致的不確定性;q0c和f1分別為測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中的不確定性和不確定性傳輸函數(shù)。

可依照不確定性傳輸理論,利用式(2)描述中間時空位置信息的不確定性q2為

(2)

式中,qr和qg分別為時空位置信息恢復(fù)與代數(shù)運算導(dǎo)致的不確定性;qb和q1c分別為邏輯運算與時空位置信息轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的不確定性;f2為不確定性傳輸函數(shù)。

可依照不確定性傳輸理論,利用式(3)描述終極時空位置信息的不確定性q3為

(3)

式中,q2c和q0分別為時空位置信息與圖形轉(zhuǎn)換以及輸出設(shè)備分辨率導(dǎo)致的不確定性;f3表示不確定性傳輸函數(shù);qr、qg、qb、q1c和qa為q1的函數(shù);q2c和q0為q2的函數(shù)。依照式(1)～式(3)能夠判斷測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)中不同階段的時空位置信息的數(shù)據(jù)質(zhì)量[9]。

1.3 成果質(zhì)量控制

通過桌面管控端來對成果質(zhì)量進行控制,包括數(shù)據(jù)清洗、交互檢查與智能分析三方面的內(nèi)容。

1.3.1數(shù)據(jù)清洗和轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)清洗是根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)由智慧城市應(yīng)用端的一體化存儲區(qū)域自動提取測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)實例,以此提升測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量的過程。通過智慧城市應(yīng)用端的一體化存儲區(qū)域的前置交換單元來自動檢測測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)并實施反饋,包括重復(fù)信息檢測、缺失信息檢測、非正常信息檢測、非一致數(shù)據(jù)檢測以及邏輯錯誤檢測等[10]。

同源測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)源的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)之間存在相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯。在對測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)實施數(shù)據(jù)清洗過程中需符合相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯標(biāo)準(zhǔn),對不符合業(yè)務(wù)邏輯的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)需予以相應(yīng)的處理。被清洗掉的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)定義將被定義為非標(biāo)準(zhǔn)信息,剩余的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)被定義為標(biāo)準(zhǔn)信息。

數(shù)據(jù)清洗需符合以下幾點要求：

(1)確保測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)存在關(guān)鍵字屬性。

(2)最大限度放松清洗標(biāo)準(zhǔn),確保測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的原樣性。

(3)測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)清洗過程中,僅實施數(shù)據(jù)映射,不會自動糾正測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

(4)被清洗的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)將進行歸檔保存。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是將測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的格式與形式進行統(tǒng)一化處理,先制定測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)格式與形式上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),再依照轉(zhuǎn)換規(guī)則對不同來源的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)實施轉(zhuǎn)換,在此過程中需保障測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)自身意義不變[11]。

通過設(shè)計前置交換單元軟件模塊來完成測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的清洗過程,軟件結(jié)構(gòu)(圖3)。其中,前置交換單元包含服務(wù)調(diào)用、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)(extract transform load,ETL)工具以及測繪地理信息副本庫三個主要部分。

注：①數(shù)據(jù)工具平臺(data tool platform,DTP)。圖3 前置交換單元結(jié)構(gòu)

1.3.2交互檢查

將所采集的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)裝載在智慧城市系統(tǒng)內(nèi),從而完成測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可視化與查詢等[12],并結(jié)合人工判讀的方式確定測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的空間位置與屬性的準(zhǔn)確性。這種質(zhì)量控制方法能夠顯著提升測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)表現(xiàn)的直觀性,方便相關(guān)檢查人員確定數(shù)據(jù)的真實性,提升測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制效率。

1.3.3智能分析

基于智慧城市系統(tǒng),結(jié)合測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)則,設(shè)計專業(yè)的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件,快速、高效地完成測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)檢,充分降低交互檢查過程中存在的漏檢與誤檢的概率[13]。

2 測試結(jié)果與分析

為驗證本文所提出的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模型的實際應(yīng)用性能,開展以下實驗。

以我國某城市為測試對象,該城市于2016年開始實施智慧城市建設(shè)。將該城市區(qū)域范圍劃分為8個部分(圖4),并應(yīng)用本文提出的模型對該城市的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制實驗。

圖4 測試對象區(qū)域劃分

2.1 時空位置信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)精度分析

在時空位置信息采集過程中,在測試對象內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)分別采集一個地理位置坐標(biāo),將所采集的初始坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及本文模型控制后所得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實際坐標(biāo)數(shù)據(jù)相對比,獲取時空位置信息的準(zhǔn)確性[14],測試結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性統(tǒng)計表 單位：m

從表1可以看出,采用本文模型進行質(zhì)量控制后所得的地理位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)與初始坐標(biāo)數(shù)據(jù)相比更接近測試對象的實際地理位置坐標(biāo)數(shù)據(jù),誤差幾乎可以忽略。由此說明采用本文提出的模型能夠顯著改善測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的精度[15]。

2.2 數(shù)據(jù)清洗測試

采用本文模型對測試對象測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗,通過數(shù)據(jù)清洗去除冗余數(shù)據(jù)、拆分字段、合并字段、內(nèi)容替換等,并解決數(shù)據(jù)重疊和矛盾沖突等問題,數(shù)據(jù)清理成功的原則是“一數(shù)一源”。通過數(shù)據(jù)清洗統(tǒng)計該城市不同區(qū)域中數(shù)據(jù)清洗的耗時與準(zhǔn)確率,測試結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)清洗測試結(jié)果

分析表2能夠得到,采用本文模型對測試對象的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)實施數(shù)據(jù)清洗,效率與準(zhǔn)確率較高。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

為進一步驗證本文模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制性能,以文獻[4]中基于分級管理模式的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模型和文獻[5]中基于格式檢查的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模型為對比模型,參照國內(nèi)外相關(guān)研究成果,根據(jù)空間數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標(biāo),以數(shù)學(xué)基礎(chǔ)精度與平面位置精度等為標(biāo)準(zhǔn),評估本文模型與對比模型的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制性能,測試結(jié)果,如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果

經(jīng)分析,本文模型控制下的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量各指標(biāo)值均高于兩個對比模型,其中數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高達99%;文獻[4]模型控制下的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的邏輯一致度與完整性均顯著下降,均低于85%;文獻[5]模型控制下的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量各項指標(biāo)值較為均衡,但顯著低于本文模型,由此能夠充分證明本文模型具有較高的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制性能。

2.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用測試

采用柵格仿真器對2號區(qū)域內(nèi)的空間環(huán)境進行仿真測試,并分別基于原始測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)和本文模型控制下的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行路徑規(guī)劃,測試結(jié)果如圖6所示。其中的圓形與三角形分別表示起點和終點。

(a)原始數(shù)據(jù)

(b)本文模型質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù)圖6 路徑規(guī)劃結(jié)果

分析圖6能夠得到,基于本文模型控制下的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)規(guī)劃的出行路徑與基于原始測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)規(guī)劃的出行路徑相比,路線更為平緩,且整體路徑更短,由此說明本文模型具有較好的實際應(yīng)用性能。

3 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模型的基礎(chǔ)上,提出了基于智慧城市的測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量控制模型,并對該模型的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計,以及過程質(zhì)量控制、成果質(zhì)量控制等核心內(nèi)容進行了詳細的分析;其次,通過真實的實驗數(shù)據(jù),驗證了該模型可有效提升測繪地理信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的精度,具有較好的實際應(yīng)用性能。本文提出的研究方法能夠為我國智慧城市的規(guī)劃建設(shè)以及社會大眾生活出行提供更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于時間限制,此次測試樣本較少。在日后的研究中還需擴大測試樣本量,證實該方法的穩(wěn)定性。