顾及几何拓扑的遥感监测质量检查算法及平台

蒋星祥

（1.湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410000）

顾及几何拓扑的遥感监测质量检查算法及平台

蒋星祥1

（1.湖南省国土资源规划院，湖南 长沙 410000）

在土地利用动态遥感监测中，需要对提取的遥感监测成果进行质量检查，而人工检查存在错误率高、效率低下等问题，商业软件检查也存在细小差异性问题漏检问题。基于欧拉数的集合操作算子方法检查目标图斑的覆盖重合情况，结合图斑面积与交叉镶嵌块的几何拓扑关系，能够快速检查所有图斑属性错误问题，较好地解决了与多个镶嵌块相交的图斑时相属性赋值问题。基于以上算法，开发了一套遥感监测产品质量检查软件，能够快速准确地发现并定位遥感监测产品的质量问题。

遥感监测；欧拉数；拓扑关系；图斑；质量检查

本文通过对图斑进行欧拉数计算，构成集合操作算子，

则可以将计算机难以区分的图形拓扑关系转换为计算机较容易对比的数值关系，进而批量探测和发现[1,2]。对于监测图斑存在的与多个镶嵌块交叉的现象[3,4]，目前常用的方法是以几何面积和重心投影位置作为对应镶嵌块的选择标准。本文则根据工作规则及实际经验，

采用几何面积判断的方法对镶嵌块进行选择。

1 基于欧拉数的集合操作算子算法

基于欧拉数的集合操作算子算法能够较好地区分各种拓扑关系，尤其是在面面拓扑关系描述中,利用欧拉数可以将包含/被包含与覆盖/被覆盖轻易区分开来。与Voronoi相比，基于欧拉数的集合操作算子算法的拓扑关系矩阵R(A,B)更易于定量计算。

连通数（the number of connected component）是指研究目标内互相不连通部分的个数。欧拉数在拓扑学中也称Euler示性数，是一个拓扑不变量，任何拓扑变换都不改变图斑的Euler示性数。Euler示性数在数学上表示为连通数目减去空洞数目：Eul = C - H (1)式中，Eul为欧拉数；C为连通数，H为空洞数。

图斑与图斑可以简化为面与面的拓扑关系，主要包含面面重合（两者完全重叠）、面面相离（面上所有点都不在另一面内）、面面包含（面上所有点均在另一个面包含范围内）、面面相交（面上部分点在另一个面包含范围内），如图1所示。引用欧拉数对上述4种情况进行描述，利用欧拉数的集合操作算子模型分别计算上述4种情况的拓扑矩阵。

图1 4种情况待描述拓扑关系

面面重合：提取两个面的边界线，判断其相交情况。若有相交则判断边界是否相等，若相等则认定两个面为重合。满足AB及BA为空，即

面面相离：判断两个面的边界线，若边界无相交，则判断为面面相离。满足A∩B、A/B、B/A均为空，其拓扑矩阵为：

面面包含：A在B内部，则A/B为空，其拓扑矩阵为：

面面相交：拓扑矩阵与相交线的条数密切相关：其中l为A与B相交目标的数目；m为A与B相交面的边界线与面A内相接的线的条数，n为B与A相交面的边界线与面B内相接的线的条数。

2 基于几何面积的图斑属性赋值

单个图斑与镶嵌块之间也存在拓扑关系，若能够确定目标图斑存在于某个相对应的镶嵌块内，则将该镶嵌块的时相属性值赋给目标图斑，使其带有时相属性，便于土地执法。实际情况中，部分图斑存在与两个或多个镶嵌块交叉的情况，对该类目标时相属性的赋值需要选择一个最具有代表性的镶嵌块进行属性传递[5]。本文采用基于几何面积的图斑属性赋值。如图2所示，中间的矩形建筑物为一个提取的图斑，该图斑与A、B、C 3个镶嵌块均有交集，其中与目标图斑T与A的交集为TA，T与B的交集为TB, T与C的交集为TC，即

图2 图斑与交叉镶嵌块图示

实际操作中，首先根据基于欧拉数的集合操作算子算法计算目标图斑与底图镶嵌块的拓扑关系。若目标图斑包含于某个镶嵌块内部，则直接提取该镶嵌块的时相属性信息，对目标图斑T进行赋值。否则，检测目标图斑与相交镶嵌块的信息，根据边界线计算与各镶嵌块的闭合面积SA、SB、SC。由于各镶嵌块之间权重一样，直接判断各交叉块面积的大小，交叉面积大的镶嵌块比交叉面积小的更具有代表性，将交叉面积大的镶嵌块的时相属性赋给目标图斑[6]：

3 质量检查软件平台

本文针对图斑间拓扑信息错误的情况，利用基于欧拉数的集合操作算子算法开发了质检平台的图斑重叠检查模块。针对图斑跨镶嵌块、无法确定属性赋值镶嵌块的情况，利用欧拉数的集合操作算子算法以及基于几何面积图斑属性赋值方法，开发了质检平台的图斑跨镶嵌块检查模块。此外，为了全面检查土地利用动态遥感监测的产品成果，在软件中还集成了一系列检查模块。软件主要功能模块包括坐标一致性检查模块、符合要素检查模块、图斑中重叠度检查模块、属性逻辑检查模块、坐标和面积计算模块，范围检查模块、上图面积检查模块、县名赋值模块、自动编号模块、图斑跨镶嵌块检查模块、时相赋值模块、备注为空值模块。采用作业流的方式，以行政区为单位对所有监测成果进行批量检查[7]。

其中，软件平台最核心的模块为图斑重叠检查模块及图斑跨镶嵌块检查模块。为了检测基于欧拉数的集合操作算子算法及基于几何面积图斑属性赋值方法的正确性及可行性，采用辽阳市文圣区等10个随机抽取的监测区的监测成果进行质量检查，采用项目监理审核入库修正后的最终成果作为真值进行对比。

图3 质检软件平台界面

表1 目视解译及质检平台拓扑错误检查成果

通过软件平台对随机抽样的10处区域进行检查，各处均发现了不同程度的拓扑错误图斑。从表1可以看出，采用基于几何特征及拓扑关系的质检平台，各个区域均能够100%检测出所有拓扑错误图斑，而人工检查存在不同大小的遗漏，部分地方两个图斑完全重叠在一起，目视方法根本无法判别。若区域内具有拓扑问题图斑较少，人工检查往往能达到80%以上的正确率，而当拓扑问题图斑数增多时，人工检查的正确性急剧下降，质检平台正确率仍保持在100%。通过软件算法与人工目视检测方法对比，证明了该算法的准确性及优越性。此外，经检查，随机抽取的区域没有出现跨镶嵌块图斑，与目视检查结果完全匹配。

4 结 语

重叠度检测及与多个镶嵌块交叉图斑的属性赋值是土地利用动态遥感监测产品检测的重要环节。利用基于欧拉数的集合操作算子算法对图斑拓扑信息进行批量检测，将其与传统目视检查进行 对比发现，该方法拓扑错误图斑的提取比目视检查更准确，且检查效率大大优于目视检查。针对图斑与多个镶嵌块相交的情况，利用几何面积的图斑属性赋值方法选择了具有代表性的底图镶嵌块，并且批量赋值，比人工逐个赋值具有更高的效率及准确性。文中的算法与其他检查流程已集成到遥感监测质检软件平台上，以工作流的方式对遥感监测产品成果进行批量处理，取得了令人满意的成果。

[1] 刘鹰, 张继贤． 土地利用动态遥感监测中变化信息提取方法的研究[J]．遥感信息,1999(4): 21-24

[2] 王冬滨, 王铁军．数字测绘产品的质量检查与质量控制[J]．测绘工程, 2000, 9(1):47-51

[3] 杨凯钧,袁鹏,秦昌威．中国及其周边 IGS 站数据质量评估[J]．全球定位系统,2014,39(3):41-43

[4] 张玉梅,刘佩艳,葛燕飞． 土地调查数据质量检查方法的探讨[J]．地矿测绘,2009,25(3):31-33

[5] 倪建华．拓扑关系计算方法研究与实现 [D]．长沙: 中南大学,2009

[6] 邓敏,刘文宝,冯学智． GIS 面目标间拓扑关系的形式化模型[J]．测绘学报,2005,34(1): 85-90

[7] 周建平,赵春燕． GIS 属性信息可视化及其有效性分析[J]．经济地理, 2010(1):31-33

P237

B

1672-4623（2017）10-0080-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.10.026土地利用动态遥感监测是应用遥感技术，监测土地利用及其动态变化的一种方法。土地利用动态遥感监测作业对比前后时相遥感正射影像，提取了大量新增图斑。但在大量的图斑中间，往往存在若干质量不符合规范要求的图斑，尤其是相隔较近的图斑常常存在部分拓扑逻辑错误（如交叉、重叠等）。目前在实际工作中，往往逐个目视检查，需要耗费大量的时间，

2017-06-19。

项目来源：湖南省国土资源厅科技资助项目（2017-31）。

蒋星祥，高级工程师，主要研究方向为遥感信息化集成。