大比例尺地形圖數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)自動(dòng)化方法初探

萬(wàn)　磊，程效軍，郭　王

（同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海200092）

大比例尺地形圖數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)自動(dòng)化方法初探

萬(wàn)磊，程效軍，郭王

（同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海200092）

針對(duì)當(dāng)前地形圖數(shù)據(jù)檢驗(yàn)仍主要依靠人工的問(wèn)題，通過(guò)分析人工檢驗(yàn)的流程和數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)算法，開發(fā)了數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)軟件，在數(shù)據(jù)的屬性精度、完整性、邏輯一致性等方面實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)化檢驗(yàn)程序能夠輔助質(zhì)檢人員在數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方面提高效率，同時(shí)可以統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，為后期分析數(shù)據(jù)錯(cuò)誤原因提供參考。

數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)；地形圖數(shù)據(jù)；自動(dòng)化算法

隨著數(shù)字城市的深入發(fā)展，全國(guó)大多數(shù)城市正在或已經(jīng)建立基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)［1］，大比例尺地形圖作為城市空間信息系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，需要滿足國(guó)家規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及用戶期望的目標(biāo)。數(shù)據(jù)的質(zhì)量不僅關(guān)系到各項(xiàng)工程建設(shè)的質(zhì)量和安全，而且關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，影響著信息化建設(shè)的順利進(jìn)行。在目前實(shí)際測(cè)繪工程中，大量自動(dòng)化的采集手段雖然廣泛使用，但其采集成果還存在各種各樣的問(wèn)題，因此對(duì)入庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)顯得極其重要。然而大比例尺地形圖一般數(shù)據(jù)量大、實(shí)際情況復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工檢驗(yàn)已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的建庫(kù)速度與質(zhì)量要求，利用計(jì)算機(jī)輔助人工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢驗(yàn)是未來(lái)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)的發(fā)展方向。

一、研究現(xiàn)狀

《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（GB/T 18316—2008）規(guī)定了數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品的9個(gè)質(zhì)量元素［2］為檢驗(yàn)的主要內(nèi)容，其中屬性精度、完整性和邏輯一致性是實(shí)際檢驗(yàn)工作的重點(diǎn)，一些學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了卓有成效的探討。曾衍偉研究分析了空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量模型，總結(jié)了地形圖數(shù)據(jù)各質(zhì)量元素的檢驗(yàn)方法，但對(duì)于屬性精度、位置精度的自動(dòng)化檢驗(yàn)涉及較少［3］；丁建勛等從GIS角度出發(fā)分析了地形圖數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原因，為檢驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)提出了方向［4］；范大昭提出利用模板匹配的方法自動(dòng)檢查屬性正確性，利用套合方法檢查分類正確性，但其采用的模板固定無(wú)法修改，且未考慮屬性值的邏輯組合的正確性［5］；張彥彥進(jìn)一步擴(kuò)充了檢驗(yàn)?zāi)０澹⒃试S用戶自定義［6］；吳芳華在套合檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出通過(guò)設(shè)計(jì)符號(hào)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，從而提高人工檢查的效率［7］，該方法目前已成為生產(chǎn)實(shí)踐中最常用的方法之一，但其對(duì)符號(hào)設(shè)計(jì)的結(jié)果依賴較大，且仍需要大量的人工作業(yè)；于煥菊從多源空間數(shù)據(jù)角度出發(fā)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析與地址匹配的方法檢驗(yàn)城市大比例尺地形圖數(shù)據(jù)的邏輯一致性與完整性［8］，該方法過(guò)于依賴外部數(shù)據(jù)的正確性，且檢查對(duì)象較少。本文根據(jù)地形圖檢驗(yàn)工作中的實(shí)際需要，針對(duì)大比例尺地形圖的屬性精度、完整性和邏輯一致性等質(zhì)量檢驗(yàn)，提出一種實(shí)用性強(qiáng)、適用性廣的自動(dòng)化檢驗(yàn)方法。

二、檢驗(yàn)方法

1.地理數(shù)據(jù)分層

為了更好地規(guī)范地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，符合當(dāng)?shù)貙?shí)際需求，各地相關(guān)部門出臺(tái)了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。以浙江省為例，《基礎(chǔ)地理信息要素分類與圖形表達(dá)代碼》（DB33/T 817—2010）和《1∶500 1∶1000 1∶2000基礎(chǔ)地理信息及地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)規(guī)程》（征求意見稿）規(guī)定了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)應(yīng)分為以下21層:水系點(diǎn)、線、面，居民地及設(shè)施點(diǎn)、線、面，交通點(diǎn)、線、面，管線點(diǎn)、線，境界及政區(qū)點(diǎn)、線、面，地貌點(diǎn)、線、面，植被與土質(zhì)點(diǎn)、線、面與注記，同時(shí)對(duì)各層的基本屬性進(jìn)行了規(guī)定。這些規(guī)范都是檢驗(yàn)時(shí)所需要參考的重要標(biāo)準(zhǔn)，需根據(jù)圖層的不同分別設(shè)計(jì)檢驗(yàn)方法。

2.檢驗(yàn)內(nèi)容與方法

（1）屬性精度檢驗(yàn)

主要檢驗(yàn)分類正確性與屬性正確性，包括分類代碼值錯(cuò)漏與屬性值錯(cuò)漏的情況。

1）分類正確性。分類代碼作為各要素在信息系統(tǒng)中的“身份證”，表征了其性質(zhì)與內(nèi)容，是信息系統(tǒng)最重要的組成部分，系統(tǒng)中各應(yīng)用（如檢索、查找、決策等）都依賴其正確性，因此對(duì)分類代碼值正確性的檢驗(yàn)是檢驗(yàn)中最重要的一部分。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，基礎(chǔ)地理信息要素分類代碼采用10位十進(jìn)制數(shù)字碼，分別為按數(shù)字順序排列的要素分類碼、幾何特征碼和圖形特征碼，其中要素分類碼各位數(shù)代表不同含義，而幾何特征碼與圖形特征碼應(yīng)按規(guī)則組合使用，具體規(guī)定見表1和圖1。

表1　幾何特征碼和圖形特征碼組合

目前主要的檢驗(yàn)內(nèi)容包括:①分類代碼屬性不為空；②不存在非法分類代碼，即在標(biāo)準(zhǔn)文件及項(xiàng)目設(shè)計(jì)書、技術(shù)總結(jié)中均不存在的代碼；③要素的幾何特征碼與要素幾何類型一致，如點(diǎn)要素分類代碼的幾何特征碼應(yīng)為1或2；④要素的大類碼與要素層類型一致，如水系要素分類代碼的大類碼應(yīng)為2。人工檢查需要提取每一個(gè)要素的代碼，檢查其長(zhǎng)度、格式等并與標(biāo)準(zhǔn)代碼表比對(duì)，操作復(fù)雜且重復(fù)性嚴(yán)重。使用自動(dòng)檢驗(yàn)可以減少人工作業(yè)，提高效率，分類代碼自動(dòng)檢驗(yàn)的流程如圖2所示。

圖1　分類代碼結(jié)構(gòu)

圖2　分類代碼自動(dòng)檢驗(yàn)流程

提取分類代碼唯一值可以減少循環(huán)執(zhí)行的次數(shù)，提高速度，檢驗(yàn)程序中使用數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言LINQ實(shí)現(xiàn)。

2）屬性正確性。分類代碼是所有要素共同的屬性，除此外不同要素有其他不同屬性字段，檢驗(yàn)內(nèi)容也不盡相同，概括起來(lái)包括:①控制點(diǎn)坐標(biāo)不能為負(fù)且不能超出測(cè)區(qū)范圍；②有向點(diǎn)要素旋轉(zhuǎn)角度屬性應(yīng)在值域0～360°內(nèi)；③居民地及設(shè)施面樓層屬性值不能為0；④交通線技術(shù)等級(jí)屬性應(yīng)在值域范圍內(nèi)；⑤交通線、居民地及設(shè)施面材質(zhì)屬性應(yīng)在值域范圍內(nèi)等，歸納可知檢驗(yàn)核心為屬性值應(yīng)在值域范圍內(nèi)。自動(dòng)檢驗(yàn)算法為:

a.坐標(biāo)屬性的檢驗(yàn)包括小數(shù)位數(shù)是否正確、是否為非數(shù)字、是否為半角字符、是否超出測(cè)區(qū)范圍等。該部分檢查需對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷，人工操作煩瑣且容易出現(xiàn)漏查、錯(cuò)查的現(xiàn)象。

b.其他屬性檢驗(yàn)主要包括必填屬性項(xiàng)是否不為空、字符是否為半角、屬性值是否在值域范圍內(nèi)等。為提高容錯(cuò)性，允許用戶修改默認(rèn)值域，添加自定義值，程序內(nèi)部使用List型數(shù)據(jù)構(gòu)建值域列表，以保證快速自動(dòng)判斷目標(biāo)值是否在范圍內(nèi)。

（2）完整性檢驗(yàn)

主要檢驗(yàn)要素多余與遺漏的情況，目前常用的檢驗(yàn)方法是模板套合檢驗(yàn)法，但由于實(shí)際地物豐富，人工檢驗(yàn)漏查率較高。

檢驗(yàn)點(diǎn)元素時(shí)，對(duì)于控制點(diǎn)和地貌點(diǎn)，比較坐標(biāo)值是否相同，若相同則為重復(fù)；對(duì)于其他類型點(diǎn)，則應(yīng)比較關(guān)鍵屬性值，如兩個(gè)名稱對(duì)象點(diǎn)，雖然坐標(biāo)值不同，但名稱、分類代碼屬性值均相同，且距離很近（一般認(rèn)為小于500 m），也應(yīng)判斷為重復(fù)。更特殊的是，對(duì)于居民地及設(shè)施（點(diǎn)）要素，若為行政區(qū)劃、政府機(jī)構(gòu)、行政單位等獨(dú)一性要素，只要名稱相同一定是重復(fù)。

檢驗(yàn)線、面要素時(shí)，第一步比較長(zhǎng)度與面積是否一致，地物在數(shù)據(jù)庫(kù)中以線或面狀要素表現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)賦予長(zhǎng)度與面積屬性值（SHAPE_Length、SHAPE_Area）且精確位數(shù)高（一般為10-6），因此基本不會(huì)出現(xiàn)完全相等的情況；第二步輔助其他屬性值進(jìn)一步判斷，如對(duì)于交通（線）要素，當(dāng)SHAPE_ Length一致時(shí)可以比較道路寬度、名稱屬性值是否也相同。圖3為完整性檢查的流程。

圖3　完整性檢查流程

（3）邏輯一致性檢驗(yàn)

主要檢驗(yàn)屬性項(xiàng)定義、數(shù)據(jù)格式、拓?fù)潢P(guān)系是否正確。屬性項(xiàng)定義及數(shù)據(jù)格式的檢查參照有關(guān)規(guī)定并通過(guò)模板匹配的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢查。

DB33/T 817—2010中對(duì)于各類要素的基本屬性進(jìn)行了規(guī)范，包括要素的中、英文名稱，要素基礎(chǔ)字段的名稱、類型、閾值及可否為空等，其中屬于邏輯一致性的檢查項(xiàng)包括名稱、類型、長(zhǎng)度等。傳統(tǒng)的人工檢查方法需對(duì)所有圖層的所有字段進(jìn)行查看并與規(guī)范比較，重復(fù)操作較多，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)遍歷圖層讀取字段屬性并與預(yù)先錄入的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢驗(yàn)，算法步驟如下:

1）進(jìn)入圖層i。

2）選擇字段j，提取該字段的名稱、類型、長(zhǎng)度。

3）與標(biāo)準(zhǔn)值比較，若正確，進(jìn)入下一步；若不正確，報(bào)錯(cuò)并進(jìn)入下一步。

4）選擇下一字段并返回步驟2）直到遍歷完該圖層所有字段。

5）進(jìn)入下一圖層直到遍歷完所有圖層。

綜上所述，人工檢驗(yàn)雖然可行，但由于數(shù)據(jù)量巨大，人工檢驗(yàn)往往效率低、錯(cuò)漏率高，且操作煩瑣，重復(fù)性工作多，將這部分工作采用自動(dòng)化檢驗(yàn)代替，可以大大提高檢驗(yàn)的效率與正確性。

三、試驗(yàn)分析

根據(jù)前文介紹的自動(dòng)化檢驗(yàn)算法，使用ArcGIS Engine與C#進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，并將檢驗(yàn)程序運(yùn)用到實(shí)際檢驗(yàn)項(xiàng)目中，以驗(yàn)證自動(dòng)化檢驗(yàn)的效果。

以某地區(qū)1∶2000 DLG地理數(shù)據(jù)入庫(kù)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目覆蓋范圍為302.5 km2，數(shù)據(jù)大小為462 MB，共包含1 062 846條記錄，經(jīng)業(yè)務(wù)熟練的質(zhì)檢員對(duì)其進(jìn)行檢查，共發(fā)現(xiàn)65處錯(cuò)誤，耗時(shí)2 h 50 min。利用自動(dòng)化檢驗(yàn)程序?qū)ζ溥M(jìn)行檢查，運(yùn)行時(shí)間為20 min 11 s。程序運(yùn)行界面如圖4所示，檢查結(jié)果見表2，人工檢驗(yàn)結(jié)果與程序檢驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見表3。

圖4　檢驗(yàn)時(shí)自定義參數(shù)設(shè)置與運(yùn)行結(jié)果界面

表2　某地區(qū)1∶2000 DLG地理數(shù)據(jù)檢查結(jié)果

造成人工漏查的原因主要有兩點(diǎn):一是數(shù)據(jù)編碼問(wèn)題，如屬性值為空與屬性值填寫為空格顯示時(shí)是沒(méi)有區(qū)別的，但對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)編碼是完全不同的，因此無(wú)法通過(guò)人工檢查出來(lái)；二是數(shù)據(jù)量過(guò)大的問(wèn)題，如地貌點(diǎn)個(gè)數(shù)為116 218，數(shù)據(jù)量大，人工逐個(gè)檢查位數(shù)錯(cuò)誤或在測(cè)區(qū)范圍外的點(diǎn)很容易出現(xiàn)遺漏，這類需要遍歷實(shí)現(xiàn)的檢查項(xiàng)通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢查更容易保證其準(zhǔn)確性和完整性。

造成程序漏查的原因有兩點(diǎn):一是數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致算法無(wú)法完全兼容，如河流配置點(diǎn)的方向錯(cuò)誤，對(duì)于有方向（角度）屬性的記錄來(lái)說(shuō)，單獨(dú)檢查其方向值是沒(méi)有意義的，只有與其他地物參照比較才能進(jìn)一步判斷，然而入庫(kù)時(shí)這些有方向?qū)傩缘呐渲命c(diǎn)往往沒(méi)有按鄰接順序存儲(chǔ)，而是散亂地分布在數(shù)據(jù)庫(kù)中，這就導(dǎo)致難以提出有效算法進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)。對(duì)這類問(wèn)題的檢查目前仍需要人工進(jìn)行，如果可以在數(shù)據(jù)采集和錄入時(shí)提高數(shù)據(jù)規(guī)范化程度，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)符合標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)檢驗(yàn)方法將更具準(zhǔn)確性和兼容性。二是缺少進(jìn)一步約束條件，如某交通線名稱屬性值為“A公路”，但實(shí)際上應(yīng)為“B公路”，這類與實(shí)際不符的錯(cuò)誤在缺少外部約束條件時(shí)程序難以檢驗(yàn)出來(lái)，如果可以引入其他多源數(shù)據(jù)如遙感影像數(shù)據(jù)等作為約束條件，并保證數(shù)據(jù)的及時(shí)更新與維護(hù)，可以解決此類問(wèn)題。

造成程序錯(cuò)判的原因是個(gè)別地理要素名稱中存在特殊字符，程序未能識(shí)別導(dǎo)致錯(cuò)判。特殊字符在實(shí)際中并不經(jīng)常使用，因此這類錯(cuò)誤數(shù)量較少，且易于排除。

綜上所述，自動(dòng)化檢驗(yàn)程序可以將大部分錯(cuò)誤迅速、完整地檢查出來(lái)，且正確率較高，雖然對(duì)于一些需要依賴外部參考數(shù)據(jù)、情況更加復(fù)雜的檢查項(xiàng)存在漏查的現(xiàn)象，但仍顯著地縮小了檢驗(yàn)范圍，有效地提高了效率。由此可見，自動(dòng)化檢驗(yàn)在解放人力、提高效率、提高檢驗(yàn)結(jié)果正確性方面具有重要的意義。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)城市地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)將會(huì)更加海量，更新將會(huì)更加頻繁，因此對(duì)質(zhì)檢速度和質(zhì)量要求也會(huì)越來(lái)越高，自動(dòng)化檢驗(yàn)是必然趨勢(shì)。本文在當(dāng)前人工檢驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)可以自動(dòng)化檢驗(yàn)的項(xiàng)目提出了相關(guān)算法并編程實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法實(shí)用可行，能夠顯著提高效率，但仍不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢驗(yàn)。因此如何進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度是下一步研究的問(wèn)題。

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Research on Automatic Quality Inspection for Large-Scale Topographic Maps

WAN Lei，CHENG Xiaojun，GUO Wang

10.13474/j.cnki.11-2246. 2016.0235.

P208

B

0494-0911（2016）07-0106-04

2015-08-10

萬(wàn) 磊（1991—），男，碩士，主要研究方向?yàn)槿S激光掃描。E-mail:1052590944@qq.com

引文格式：萬(wàn)磊，程效軍，郭王.大比例尺地形圖數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)自動(dòng)化方法初探［J］.測(cè)繪通報(bào)，2016（7）:106-109.