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1、地形图扫描数字化中的误差来源分析黄文华胡绪清(湖南省国土测绘管理局410004)【摘要】本文对于地形图扫描数字化的过程中，影响数据质量的因素作了详细的分析描述，并就在生产过程中怎样减少误差和提高成果质量提出了一些建议。HTTP:WWW.OTHERMAP.COM测绘信息网近几年来，随着各地GIS的开展，很多地方已开始了GIS建库工作。而数据输入则是GIS建库的关键之一，因为采集数据的质量直接影响GIS应用。在对深圳市龙岗区145幅11 000地形图进行扫描数字化、分层、建库的工作中，我们对影响数据精度的因素进行了多次实验，并得出了一些结论。空间数据的质量取决于位置精度、属性精度、逻辑连续性和完整
2、性等。对于以地形图作原始资料的地形数据的质量，我们只讨论位置精度和属性精度。HTTP:WWW.OTHERMAP.COM测绘信息网一、影响位置精度的因素1. 原始资料的误差这次所用的原始资料不是用平板仪测绘的地形原图，而是原图经过照像反转后的二底图，其成果包含了平板仪测图的误差、手工描绘整饰误差、图纸变形等误差。理论上讲，二底图的4条边长应均为500 mm，但由于图纸变形误差的存在，二底图上4条边长大多有所变化。我们利用1 m坐标格网尺对本次任务中121幅11 000地形图的二底图进行了量测，一共量测了484条边，242条对角线，统计数据如表1所示。表1边长/mm边数/条比例/%500.0245
3、50.6499.981.6500.18417.3500.27114.6500.3377.6500.4377.6500.520.4虽然上述数据不能用来精确地评定原始资料的精度，但是可以看到其误差的存在和趋势。HTTP:WWW.OTHERMAP.COM测绘信息网2. 扫描过程中产生的误差扫描过程是逐行逐块进行的，而行与行之间、块与块之间有拼接误差，仪器的稳定性也是影响影像精度的一个因素。以FPS系统为例，系统提供了一种检测扫描数据质量和校正其系统误差的方法，测量扫描影像4条图廓边的长度，与测量二底图4条边的长度做比较，系统保证4条边相差均小于0.2 mm，这种“正”或“负”的统计虽然直观但比较粗略
4、。考虑到扫描过程中会有某些偶然的局部误差，我们曾做过下列试验：每幅图有36个方格网点(包括4个图廓点)，在扫描影像中采集36个方格网点，看看这些点的影像坐标与理论坐标差多少，同时与二底图资料进行比较，找出其分布规律。我们选取图号为08447的地形图，其二底图上4条边的长度如图1所示。HTTP:WWW.OTHERMAP.COM测绘信息网图1两次采集的4条边长与二底图上4条边长之差均小于0.2 mm，但36个方格网点中却存在坐标差大于0.2 mm的点，其值如表2所示。将上述坐标差的方向标在图2中。图2(a)描述了第一次测试的结果，一共有11个点的坐标差大于0.2 mm。图2(b)描述了第二次测试的
5、结果，一共有7个点的坐标差大于0.2 mm。把图2(a)和图2(b)加以比较，规律就很明显了，北图廓线上坐标差与二底图上误差基本一致，而其他点的坐标差与二底图上是不一致的，这种局部误差可能是原图纸中存在的，可能是操作中产生的，也可能是扫描过程中引起的。我们通过多次操作和检测原图纸，断定是由于扫描过程中引起的。表2第一次第二次X/mmY/mm/mmY/mmX/mmY/mm/mmY/mm121 999.699 832 000.300 3-0.30.30122 000.000 132 000.299 90.29122 100.300 331 499.979 70.30122 100.260 131
6、499.979 70.26122 100.260 231 599.999 70.26122 100.260 131 599.919 70.26122 100.220 131 699.919 90.22122 100.260 0316 99.919 80.26122 100.000 032 000.279 90.27122 100.260 1320 00.179 70.26122 300.000 032 000.240 00.24122 300.180 132 000.239 80.23122 300.200 231 500.039 70.20122 400.040 032 000.219 90
7、.21122 400.000 032 000.220 00.22122 499.899 932 000.200 10.20122 200.260 231 599.979 70.26122 199.899 932 000.260 10.26图23. 矢量化过程产生误差扫描影像矢量化是一种单调乏味、劳动强度大、容易出错的工作，手和眼所引起的坐标误差随操作员和时间而变化。常见的错误有线连接处的空隙、过头线、折线等。这些问题不仅导致图形编辑工作量的增加，而且也会影响数据精度。HTTP:WWW.OTHERMAP.COM测绘信息网4. 数据处理程序带来误差长期以来，许多人有一种错觉，就是已经成为数据的产品
8、，不会产生误差，因而软件用户很少在这一方面去质疑，软件的研究者也因使用者不提出此类问题而疏忽了。其实，程序、计算机存贮都可能会产生误差。一般情况下不容易被发现，但仔细观察那些线与线相交，点线连接的情况，如楼梯、台阶中线与线的相交、电力线与电线杆的连接，就会发现程序中是存在误差的。5. 自动编辑产生的误差HTTP:WWW.OTHERMAP.COM测绘信息网为了节省劳动力和时间，我们需要更多的自动数据输入和自动编辑的过程。在此次生产中有两个自动编辑的过程：(1) 利用FPS型软件半自动跟踪等高线，由于扫描的影像是由0.1 mm0.1 mm的像元组成，加上行与行拼接上的差异，影像看上去膨胀了，线条呈
9、锯齿状，因此自动跟踪的数据是呈锯齿状态的，数据也出现了大量冗余，需要压缩和过滤。FPS系统提供了进行平滑处理的工具，选择合适的平滑系数对自动跟踪的数据进行平滑处理。但是，当平滑系统太大时，平滑功能和数据压缩功能增强，而图形失真的可能性也增大。当平滑系数小时，平滑功能减弱，等高线抖动厉害，而图形失真的可能性减小。对于自动跟踪的等高线， 由于曲线的抖动，因此，我们需要很大程度上的平滑，而图形失真的可能性最小，这样合适的系数难以找到。(2) 另一个自动编辑过程是指自动消除在数字化过程中人为产生的错误，如线连接处的空隙、过头线、折线等。这些误差的消除，既可以通过操作员编辑来人为消除，也可以通过容差值的
10、设置来自动消除。这些容差值有坐标距离容差，悬挂容差，坐标间隔、节点结合容差。一般情况下，地图数据处理要求悬挂长度和坐标距离容限均小于0.18 mm，其实，在数字化过程中，很多相邻地物之间，其间隔等于甚至小于0.2 mm，因此，容差值设置过大，会导致这些地物相连，造成位置误差；而容差值太小则不能完全自动消除在数字化过程中产生的线连接处的空隙、过头线等。6. 几何接边时会产生和传播误差一般规定，相邻图幅对应要素之间距离小于0.3 mm时，可根据原图位移一要素；距离大于或者等于0.3 mm且小于0.6 mm时，应根据原图各移1/2；距离大于0.6 mm时，按一般制图原则接边并记录在图历表中。这无疑会
11、产生新的误差或传播原有的误差。二、影响属性精度的因素HTTP:WWW.OTHERMAP.COM测绘信息网1.原始资料中，相邻图幅间要素不接边，必然导致数据入库后，属性上的不接边。比如：一幅图中要素是双线河，具有面的属性，相邻图幅相应要素却是单线河，不具有面的属性。2. 技术设计中，主题不明确，某些概念定义含糊，每幅图的操作人员判断则不同，也会影响数据属性精度。比如：森林中既有林地，也有灌木林，那么选择林地的面码还是选择灌木林的面码?三、建议和措施在我国，很多地方都已开展了GIS建库工作，但作为信息产业的一个方面，仍缺乏统一的精度标准。因此，在数字化生产中，考虑提高效率的同时，应该尽量减小误差，
12、提高精度。扫描数字化作为一种数据输入的方法，所需劳动力较少，但如果在扫描、矢量化、数据转换以及编辑的过程中，能尽量减少误差的产生和传播，这无疑是一种较好的输入方法。那么，在生产过程中对下列问题的考虑则可提高数字化成果的精度。1.操作人员要有正确的认识，在地理信息产业中，地形图数字产品不是最终产品，它只是一个中间产品。市场上既需要高精度的数字地图，也可能需要低精度的数字地图。因此，数据精度会影响GIS应用。2.技术人员要掌握在所使用的软件中进行数据处理时，误差是怎样产生和传播的。比如在自动编辑过程中所产生的误差，平滑系数大小对精度的影响，还有容差值的设置对精度的影响等。弄清这些规律，才能制订出合理的生产流程，把数据处理过程中，误差的产生和传播的可能性降低到最小。HTTP:WWW.OTHERMAP.COM测绘信息网3.扫描影像质量的评估和误差的消除，不仅仅是四条图廓边上“正”或“负”的统计，应有更详细的误差描述和消除局部误差的方法。4.软件研究者应将软件产生误差的可能性降低到最低限度。5.编码设计时，定义要明确，以免因操作者的个人推测而产生属性误差。参考文献1 周成虎.地理信息系统概论.北京：中国科学技术出版社，19932 李德仁、龚健雅、边馥苓.地理信息系统导论.北京：测绘出版社，1993HTTP:WWW.OTHERMAP.COM测绘信息网
