莊詩瑤 王春 李敏 徐燕

摘 要：在分析鄉(xiāng)鎮(zhèn)眾源地理數(shù)據(jù)的質(zhì)量特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種基于實(shí)景三維的數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性評(píng)估框架。該框架包括具體的評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估方法以及評(píng)估流程，用Context Capture和DP-Mapper獲取參考數(shù)據(jù)，并且使用ArcGIS評(píng)估數(shù)據(jù)的質(zhì)量一致性程度。結(jié)果表明，高精度實(shí)景三維模型不僅能夠作為數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性的參考數(shù)據(jù)，其特有的直觀、準(zhǔn)確、快捷、全面特征，還能作為新數(shù)據(jù)獲取良好數(shù)據(jù)源。

關(guān)鍵詞：地理數(shù)據(jù);實(shí)景三維;質(zhì)量一致性

中圖分類號(hào)：P208 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）6-0106-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.025

Research on Quality Consistency of Geographic Data Based on 3d Real Scene

ZHUANG Shiyao1，4，5 ? ?WANG Chun2 ? ?LI Min3 ? ?XU Yan3

（1.School of Geomatics， Anhui University of Science and Technology ，Huainan 232000， China; 2. School of Geographic Information and Tourism， Chuzhou University， Chuzhou 239000， China;3. Key Laboratory of Physical Geography of Anhui Province， Chuzhou 239000， China;4.Key Laboratory of Aviation-aerospace-ground Cooperative Monitoring and Early Warning of Coal Mining-Induced Disasters of Anhui Higher Education Institutes， Anhui University of Science and Technology， KLAHEI （KLAHEI18015）， Huainan 232001， China;5. Coal Industry Engineering Research Center of Mining Area Environmental And Disaster Cooperative Monitoring，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001， China）

Abstract： Based on the analysis of the quality characteristics of township geographic data， a data quality consistency assessment framework based on 3d real scene was constructed. The framework includes specific evaluation indicators， evaluation methods， and evaluation process. Context Capture and DP-Mapper are used to obtain reference data， and ArcGIS is used to evaluate the quality consistency of data. The results show that the high-precision real-scene 3D model can not only be used as reference data of data quality consistency， but also can be used as a good data source for new data acquisition.

Keywords： geographic data; Real 3D; quality consistency

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，我國數(shù)據(jù)類型日益豐富，數(shù)據(jù)量越來越大。各類數(shù)據(jù)資源逐步應(yīng)用于政府治理、民生改善、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域，大幅度提高了人們的生產(chǎn)效率與生活質(zhì)量，是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，支撐了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。各個(gè)部門前期進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)由于“缺規(guī)劃少標(biāo)準(zhǔn)”，數(shù)據(jù)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)規(guī)范不同，盡管單個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)質(zhì)量驗(yàn)收符合國家數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核標(biāo)準(zhǔn)，但不同部門之間數(shù)據(jù)的共享利用存在質(zhì)量不統(tǒng)一的問題。這些數(shù)據(jù)資源用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和宏觀展示沒有問題，但是應(yīng)用于實(shí)際建設(shè)（如宅基地改革、房地一體確權(quán)等）會(huì)存在質(zhì)量一致性問題?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出：“要完善城市信息模型平臺(tái)和運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)，構(gòu)建城市數(shù)據(jù)資源體系，推進(jìn)城市數(shù)據(jù)大腦建設(shè)，探索建設(shè)數(shù)字孿生城市。”隨著數(shù)字孿生城市的提出，在對(duì)城市數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一匯聚、挖掘分析、構(gòu)建數(shù)字孿生全信息實(shí)景地理環(huán)境平臺(tái)的過程中，要消除多源數(shù)據(jù)質(zhì)量不一的矛盾，保證數(shù)據(jù)唯一且與事實(shí)相符。

吳芳華[1]對(duì)軍事測繪數(shù)字信息工程中所用的各種作業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析，提出了矢量地圖數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)MapCheck軟件;彭強(qiáng)勇[2]研究了矢量基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)質(zhì)量模型，并建立了DLG質(zhì)量模型的一級(jí)質(zhì)量元素、二級(jí)質(zhì)量元素及相應(yīng)的權(quán)重系數(shù);張璐[3]以地理國情監(jiān)測矢量數(shù)據(jù)為主要研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套通用性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查系統(tǒng)，不僅可以對(duì)地理國情監(jiān)測矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，還可以通過創(chuàng)建不同的方案數(shù)據(jù)庫來對(duì)其他的地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查;馬博超[4]以三調(diào)數(shù)據(jù)庫最為基礎(chǔ)的縣級(jí)數(shù)據(jù)庫為研究對(duì)象，針對(duì)性設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套專門用于三調(diào)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的GIS軟件。隨著眾源數(shù)據(jù)的興起，為了解決來自非專業(yè)用戶協(xié)同編輯的眾源數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，王明等人[5]提出了一種地理空間數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)技術(shù)框架，選取數(shù)據(jù)完整性、屬性信息準(zhǔn)確性和定位精度三個(gè)方面質(zhì)量要素，提出了數(shù)據(jù)質(zhì)量的計(jì)算方法;李亞平等人[6]針對(duì)開放式地理空間數(shù)據(jù)，選取數(shù)學(xué)精度、數(shù)據(jù)時(shí)間精度、數(shù)據(jù)完整性與正確性、邏輯一致性、元數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)權(quán)威性、數(shù)據(jù)適用性以及數(shù)據(jù)可獲取性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立一種開放式地理空間數(shù)據(jù)可用性評(píng)價(jià)方法;蔡莉等人[7]在分析開放街道地圖（OSM）數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)新穎的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估框架，該框架包括具體的評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估模型和評(píng)估流程，評(píng)估指標(biāo)主要包括完整性、位置精度、屬性精度和拓?fù)湟恢滦?，并采用層次分析法確定了各個(gè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重。

通過以上已有的GIS空間數(shù)據(jù)質(zhì)量研究，可以發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)問題。①僅對(duì)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行質(zhì)量分析，不考慮數(shù)據(jù)是否與現(xiàn)實(shí)相符?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)質(zhì)量研究都是在國家的數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容完整性、空間拓?fù)湟恢滦?、屬性邏輯一致性等檢查，主要研究內(nèi)容放在自動(dòng)化程度、使用方法的方便性、檢查結(jié)果的輸出與修改和系統(tǒng)通用性等方面，對(duì)專業(yè)地理數(shù)據(jù)的檢核評(píng)價(jià)系統(tǒng)已經(jīng)非常全面，而對(duì)專業(yè)地理數(shù)據(jù)一致性的研究比較欠缺。②目前對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性的研究中，研究數(shù)據(jù)主要以開源數(shù)據(jù)或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為評(píng)估數(shù)據(jù)，開源數(shù)據(jù)包括OpenStreetMap、社交網(wǎng)站數(shù)據(jù)或爬取的POI，而以政府部門生產(chǎn)和使用的專業(yè)地理數(shù)據(jù)為真實(shí)參考數(shù)據(jù)。這類基于開源數(shù)據(jù)的評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估模型和評(píng)估流程可以借鑒，但是不太適用于專業(yè)地理數(shù)據(jù)的一致性分析。因此，為了實(shí)現(xiàn)各部門數(shù)據(jù)共同利用、評(píng)估數(shù)據(jù)在實(shí)際建設(shè)中的可行性，本研究以專業(yè)測量地理數(shù)據(jù)為評(píng)估數(shù)據(jù)，以高精度三維模型的精準(zhǔn)三維測圖數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)，提出并總結(jié)專業(yè)地理數(shù)據(jù)一致性分析方法，并詳細(xì)闡述了對(duì)應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)和評(píng)估流程。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性分析方法

1.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性評(píng)估框架

數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性是指數(shù)據(jù)與實(shí)體接近一致的程度。本研究提出一個(gè)針對(duì)專業(yè)地理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性評(píng)估方法，選用的一致性評(píng)價(jià)指標(biāo)為位置一致性、屬性一致性、圖斑一致性和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比。數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性的評(píng)估框架見圖1。

位置一致性是用來評(píng)估要素位置與現(xiàn)實(shí)實(shí)體相吻合程度;屬性一致性是指地理數(shù)據(jù)所代表的屬性信息與其所代表的真實(shí)實(shí)體一致性程度;圖斑一致性是指評(píng)估數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)圖斑與現(xiàn)實(shí)實(shí)地的一一對(duì)應(yīng)吻合程度;統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比是指評(píng)估數(shù)據(jù)的最終統(tǒng)計(jì)值與參考數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值的差異和接近程度。

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性評(píng)估指標(biāo)

1.2.1 位置一致性。從測量的角度看，同一區(qū)域不同作業(yè)的兩個(gè)數(shù)據(jù)不存在完全吻合的情況，所以位置的一致性是指在可允許的誤差范圍內(nèi)，兩個(gè)數(shù)據(jù)疊加吻合則代表數(shù)據(jù)位置一致。針對(duì)點(diǎn)、線和面數(shù)據(jù)都代表一個(gè)實(shí)體的情況，對(duì)數(shù)據(jù)做緩沖區(qū)疊加分析可以有效評(píng)估數(shù)據(jù)的位置一致性程度。評(píng)估數(shù)據(jù)疊加精準(zhǔn)三維測圖數(shù)據(jù)建立的內(nèi)外緩沖區(qū)，超出緩沖區(qū)則位置不一致，落在緩沖區(qū)內(nèi)則判定為位置一致，如圖2所示。另一種情況是點(diǎn)和線數(shù)據(jù)代表的是一個(gè)實(shí)體的范圍，直接在三維模型中測出實(shí)體的范圍用來評(píng)估數(shù)據(jù)的位置一致性程度，評(píng)估數(shù)據(jù)疊加精準(zhǔn)三維測圖數(shù)據(jù)，超出實(shí)體所代表范圍的數(shù)據(jù)判定為位置不一致，落在實(shí)體所代表范圍的則判定為位置一致，如圖3所示。

1.2.2 屬性一致性。屬性一致性分為屬性錯(cuò)誤和屬性缺失。屬性錯(cuò)誤是指評(píng)估數(shù)據(jù)所代表的屬性信息與實(shí)地所表達(dá)的屬性信息不一。例如，實(shí)地是坑塘，評(píng)估數(shù)據(jù)中顯示為農(nóng)用地（見圖4）。屬性缺失是指評(píng)估數(shù)據(jù)的屬性表中部分屬性描述缺失。

1.2.3 圖斑一致性。圖斑一致性分為兩種。①部分相同屬性的鄰近圖斑被劃分成多個(gè)圖斑，但是從實(shí)地要素表達(dá)的屬性來看，相同屬性的多個(gè)圖斑可以被劃為一個(gè)圖斑。例如，一個(gè)坑塘水面被拆分成三個(gè)圖斑（見圖5）。②評(píng)估數(shù)據(jù)跟實(shí)地對(duì)比有部分圖斑缺少。例如，實(shí)地要素為坑塘，但評(píng)估數(shù)據(jù)中沒有這個(gè)圖斑（見圖6）。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比。一般對(duì)于國土調(diào)查來說，因?yàn)橛跋穹直媛屎腿藶橐蛩氐龋L制的圖斑個(gè)數(shù)存在一定的差異，但是最終統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的正確性至關(guān)重要。對(duì)比評(píng)估數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)的面積和周長可以作為數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。點(diǎn)數(shù)據(jù)不存在面積和周長，所以不予考慮;線數(shù)據(jù)考慮統(tǒng)計(jì)周長值;面數(shù)據(jù)考慮統(tǒng)計(jì)面積值。采用絕對(duì)周長、相對(duì)周長、絕對(duì)面積和相對(duì)面積四個(gè)指標(biāo)。指標(biāo)越接近于0代表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一致性越高。四個(gè)指標(biāo)的計(jì)算公式為式（1）至式（4）。

[絕對(duì)周長=評(píng)估數(shù)據(jù)周長?參考數(shù)據(jù)周長]

（1）

[絕對(duì)面積=評(píng)估數(shù)據(jù)面積?參考數(shù)據(jù)面積]

（2）

[相對(duì)周長=評(píng)估數(shù)據(jù)周長?參考數(shù)據(jù)周長參考數(shù)據(jù)周長]

（3）

[相對(duì)面積=評(píng)估數(shù)據(jù)面積?參考數(shù)據(jù)面積參考數(shù)據(jù)面積] ?（4）

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性評(píng)估流程

數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性評(píng)估首先要確定數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性的評(píng)估指標(biāo)，根據(jù)各評(píng)估指標(biāo)和數(shù)據(jù)類型總結(jié)數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性的評(píng)估方法，建立數(shù)據(jù)一致性的評(píng)估模型，根據(jù)評(píng)估數(shù)據(jù)選擇并應(yīng)用數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性評(píng)估方法，對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行評(píng)估，最后得出數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性的結(jié)果。數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性的評(píng)估流程見圖7。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 數(shù)據(jù)選取及試驗(yàn)結(jié)果

本研究的評(píng)估數(shù)據(jù)為××村的農(nóng)用地、坑塘水面、宗地等矢量數(shù)據(jù)，總圖斑數(shù)為770個(gè)。參考數(shù)據(jù)為實(shí)地航飛的無人機(jī)影像構(gòu)建的高精度三維模型，在晴朗天氣下，采用大疆M300型號(hào)無人機(jī)，搭載賽爾102S五鏡頭，設(shè)置平均航高為200 m，飛行速度為15 m/s，影像的航向重疊度為80%，旁向重疊度70%，地面分辨率為3.5 cm;測圖軟件為DP-Mapper;評(píng)估軟件為ArcGIS。

根據(jù)模型的精度和人為誤差將緩沖區(qū)的參數(shù)設(shè)置成5 cm。通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

①農(nóng)用地。農(nóng)用地?cái)?shù)據(jù)包括旱地、水田和水澆地，總共456個(gè)圖斑，三維模型中解譯出的農(nóng)用地一共有447個(gè)圖斑。以三維模型數(shù)據(jù)為參考真實(shí)值，位置一致的圖斑有342個(gè)，位置錯(cuò)誤的圖斑有114個(gè);屬性錯(cuò)誤圖斑有5個(gè)，無屬性缺失情況;缺少5個(gè)圖斑;有12個(gè)圖斑可以合并為4個(gè)圖斑，1個(gè)圖斑可以拆分為3個(gè)圖斑;評(píng)估數(shù)據(jù)面積為6 862 837.720 m2，三維解譯數(shù)據(jù)面積為6 858 302.919 m2，絕對(duì)面積為4 534.8，相對(duì)面積為0.001。

②坑塘水面。評(píng)估數(shù)據(jù)中坑塘水面總共95個(gè)圖斑，三維模型中解譯出的坑塘水面一共有86個(gè)圖斑。以三維模型數(shù)據(jù)為參考真實(shí)值，位置一致性的圖斑有36個(gè)，位置不一致的圖斑有59個(gè);屬性錯(cuò)誤圖斑有12個(gè)，無屬性缺失數(shù)據(jù);缺少5個(gè)圖斑;有三個(gè)圖斑可以合并為一個(gè)圖斑。評(píng)估數(shù)據(jù)面積為823 343.302 m2，三維解譯數(shù)據(jù)面積為733 094.628 m2，絕對(duì)面積為90 248.67，相對(duì)面積為0.123。

③生態(tài)紅線。生態(tài)紅線數(shù)據(jù)總共1個(gè)圖斑，以三維模型參考數(shù)據(jù)為真實(shí)值，有57 566.38 m2的農(nóng)用地、1 985.93 m2的坑塘水面、109.63 m2的農(nóng)村宅基地和215.41 m農(nóng)村道路被劃入生態(tài)紅線范圍。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)得出的結(jié)果，總體來說數(shù)據(jù)質(zhì)量不一致是自然變化和人為因素導(dǎo)致的，主要原因有以下三個(gè)。

①數(shù)據(jù)具有時(shí)效性，國土調(diào)查前后間隔兩年多，測量數(shù)據(jù)時(shí)間前后不一致，自然原因或工程建設(shè)使當(dāng)前現(xiàn)狀發(fā)生了改變。

②不同數(shù)據(jù)的作業(yè)單位不同，作業(yè)要求不同，本體數(shù)據(jù)獲取方式也不同，國土調(diào)查過程中，調(diào)查底圖采用優(yōu)于1 m分辨率高分衛(wèi)星影像生成的DOM為本底數(shù)據(jù)，但是本研究的三維實(shí)景數(shù)據(jù)地面分辨率為3.5 cm，用高分辨率去檢查低分辨率成果會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)質(zhì)量不一致現(xiàn)象。在內(nèi)業(yè)勾繪中，二維正射影像受周邊地物以及陰影帶來的影響，部分地類具體色彩以及紋理十分相似，導(dǎo)致預(yù)判發(fā)生失誤。

③國土調(diào)查的過程中，調(diào)查技術(shù)規(guī)程的不斷修訂、不斷變化，對(duì)一些細(xì)節(jié)描述不精準(zhǔn)，作業(yè)人員語義理解不到位，致使不同單位采集的數(shù)據(jù)存在不同程度的不一致現(xiàn)象。

3 結(jié)語

實(shí)景三維模型能夠最大程度還原出真實(shí)場景的細(xì)節(jié)，模型的分辨率越高，紋理越清晰。國土數(shù)據(jù)應(yīng)用于實(shí)際建設(shè)中，對(duì)數(shù)據(jù)精度要求比較高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核無法滿足要求。本研究提出基于實(shí)景三維的數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性分析方法，探究數(shù)據(jù)與實(shí)地接近的接近程度，提出一個(gè)新穎的數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性評(píng)估框架，并以××村三調(diào)數(shù)據(jù)為例，評(píng)估其數(shù)據(jù)質(zhì)量一致性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)對(duì)核定各類各級(jí)數(shù)據(jù)的一致性、準(zhǔn)確性，具有直觀、高效、精準(zhǔn)優(yōu)勢，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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