一种基于FME的数字地形图数学精度检测方法
2021-04-06李欢
李 欢
(中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710054)
0 引言
FME软件是加拿大Safe Software公司开发的空间数据转换处理系统，FME Workbench是定义数据转换和数据变换最主要的工具，能实现多种不同空间数据格式的转换、空间数据分析统计及整合。随着数字化测图方法的普及与应用，产生了大量的数字化地形图成果，而对其数学精度的检测也已成为技术质检人员面临的一项亟待高效解决的问题[1-4]。常规的地形图精度检测方法是采用程序软件或人机交互的方法进行[5]，用人机交互的方法进行数学精度检测时，质检人员需要完成数据采集、精度统计、统计结果的整理等一系列琐碎的工作，对大量的数字化地形图成果而言检测效率太低[6]；而程序软件具有单一性，程序员一旦写定程序，质检人员将无法按照测区要求灵活的进行更改[7]。为此，基于FME软件进行地形图数学精度检测，提出实现数字地形图数学精度的批量自动统计和计算，以减少人工繁杂的检测工作，提高检测的效率和质量[8]。
1 基于FME的地形图精度检测方法
1.1 检测要求
地形图数学精度检测包括对成果数据的高程精度检测、平面位置精度检测及相对位置精度检测，其检测都是基于外业实测检测点来衡量地形图成果精度(即实测点和成图点)。检测点应分布均匀、位置明显，且每幅图一般各选取20～50个(对于测区选点困难地区，也可选取10～20个点进行该幅图精度评定)，检测点(边)数量少于20时，以误差的算术平均值代替中误差，大于20时按中误差统计[9]。
1.2 检测方法设计思路
基于FME Workbench进行3项高精度检测方法的设计思路，如图1所示。
图1 检测设计流程示意Fig.1 The design process of detection
设A(X1，Y1)为外业实测点平面坐标、B(X2，Y2)为地形图成图点平面坐标；A(H1)为外业实测高程值；B1(H2)为成图点高程值；用FME提取其坐标值后采用公式(1)计算其平面点位中误差
(1)
采用式(2)计算其高程点位中误差
Δgao=H2-H1
(2)
分别对DLG平面、高程及相对位置精度进行了检测统计，对于点数小于20式(3)与多于20式(4)采用不同的计算公式进行粗差率计算
Error 1=[|Δ|]/n
(3)
(4)
在实现了内外业数据提取的基础上，需运用高精度检测中误差计算式(5)编写转换器参数，按测区要求批量提取检查记录表。
(5)
式中，M为该图幅的高精度检测高程/平面/相对位置成果中误差；n为图幅检测点(边)数；Δi为较差。
2 基于FME的数学精度检测难点解决方案
2.1 高程精度检测
2.1.1 高程精度检测问题概述
高程精度检测是对高程点中误差的检测，其具体检测方法是外业以实测的方法按照地形图成图高程点所在位置进行打点实测，并将外业的实测点与地形图同位置处的高程点进行高程差比较，计算其高差中误差。其选点应尽量选在道路硬化路面上或者具有特殊定位意义的特征点上。由于电子地形图的局限性，人工在实地进行打点时除了部分特征点外，难免会选取与地形图上同名高程点距离较远的情况，形成距离高差，造成粗差的出现。一般遇此问题，都需质检人员人工依次核实图上点高程位置或重新读取同名点高程值，从而造成繁重的工作量，降低质检效率。
2.1.2 基于FME实现自动匹配同名点的高程注记
将地形图高程点层与实测点高程层读取至FME软件，编写模板，通过设置Neighbor Finder参数，设置与实测点邻近的搜索阈值范围，如图2所示。应结合测区地形实际，设置搜索距离，经过试验山区高山区地形距离应给小，以防高差超限；平地、丘陵地可适当给大，以保证搜索到对应点，并挑选出实测点相对应的图上高程点。将范围内未匹配上的实测点及已匹配但通过TESTER转换器高差超限的实测点输出至新的文件图层，如图3圆圈位置所示，以供检测者直观地进行修改，直至新的文件图层为空。
图2 邻近阈值搜索参数设置Fig.2 Parameter setting of proximity threshold search
图3 未匹配上的实测点及高差超限错误Fig.3 Unmatched measured points and height difference overrun errors
2.2 平面精度检测
2.2.1 平面精度检测问题概述
平面精度主要是对地物点绝对位置中误差的检测，其具体检测方法是外业以实测的方法均匀测取地形图图幅内房角或者具有特殊定位意义的特征点的平面坐标，与地形图上同名点坐标进行对比，计算得出距离差，并最终计算中误差是否符合规范要求。在进行坐标对比时，由于原地形图上的房角是以线或面的形式存在，这就要求质检人员需手工抓取同名位置的房角点坐标，若遇到测区面积大、质检图幅多的情况，会造成人工抓点的工作量大从而影响质检效率。
2.2.2 基于FME实现自动提取同名位置的房角点坐标
将参与平面实测点匹配的地形图要素层和实测点进行读取，通过转换器Chopper，将参与的要素层内的线面交点输出为点的形式，如图4所示。将未匹配上的平面实测点输出为Pmcw层，如图5所示，以供检测者直观地进行修改，直至Pmcw层为空。
图4 线面交点输出为点Fig.4 The intersection of line and surface is output as point
图5 未匹配上的平面实测点错误Fig.5 Error of unmatched plane measured points
2.3 相对位置精度检测
2.3.1 平面精度检测问题概述
相对精度主要检测了地物点间距中误差。其具体检测方法是先在地形图图幅内均匀选取图上相邻两房角，测量其距离，后外业在实地选取同名房角进行距离测量，将内外业分别测取的距离长度进行差值对比，并计算其中误差。其难点在于外业量测边长与图上相应边长如何匹配[10-11]。在地形图上选取图上相邻两房角距离时，为方便外业识别，可以连线的方式抓取两房角的角点，即线段长度即为距离，在与外业测取的长度进行差值对比时，只需识别测量线段长度即可，因而采用批量手段量取线段长度是高效完成相对精度检测的途径。
2.3.2 基于FME实现自动量取两房角间距的长度
将量取的成图房角点边线与实测的距离进行读取，并通过Length Calculator转换器计算出量取的边线长度，参数如图6所示。可输出线划图直观查看，如图7所示，再进行后续中误差计算。
图6 成图边边长量取Fig.6 Measurement of edge length in mapping
图7 图上距离(黑线)及实测距离(数字)Fig.7 Distance on the graph(brack line)and measured distance(number)
2.4 基于FME实现批量提取检查记录表
地形图精度计算完成后，就需对大量的图幅检测计算结果进行统计并提取，对面积较大的测区而言采用人机交互的方式填写检查记录表耗时耗力，因而批量提取检查记录表尤为重要，FME Workbench可实现对统计表的批量提取，即对每幅图的图幅号、点号、成图点坐标值、实测点坐标值、差值、检测点数、点位中误差、最大及最小较差进行统计，输出成果检测表。
3 试验验证
为验证上述基于FME的数字地形图数学精度检测方法的可行性，特选取1∶1 000大比例尺测区测绘项目数字地形图成果进行3项精度检测，随机抽取3项检查记录,见表1～表3。其中，DLG平面选取了25个点进行检测统计：平面位置最大较差为0.1，平面位置最小较差为0.0 m，标准中误差为±0.6 m，中误差为0.05 m。DLG高程选取了26个点进行检测统计：高程最大较差为0.2 m，高程最小较差为0.00 m，标准中误差为±0.4 m，中误差为0.1 m。DLG相对位置选取了25条边进行检测统计：标准中误差为±0.8 m，中误差为0.10 m。以上精度完全满足1∶1 000地形图测绘DLG精度要求及项目技术设计书的精度要求[12]，即平面位置中误差小于0.6 m，高程位置中误差小于0.4 m，相对位置中误差小于0.8 m。
表1 DLG平面位置精度检测统计Table 1 Statistics of DLG plane position accuracy detection
表2 DLG高程精度检测统计Table 2 Statistics of DLG elevation accuracy detection
表3 DLG平面相对位置精度检测统计Table 3 Statistics of DLG plane relative position accuracy detection
4 结论
(1)FME软件的数据处理功能已经渗入到数据生产的各个环节，通过使用基于FME软件编写模板程序，实现了自动检测点位精度与相对精度并输出统计分析结果，较常规地形图精度检测质检人员一幅幅手动检查相比，质检工作效率成倍提高，同时大大地缩短了质检周期。此外，应用FME软件编写模板程序，其形式具有灵活性，可针对不同测区不同比例尺精度要求灵活地对精度指标进行更改，在实际工作中也可根据不同的表格样式修改输出字段，在使用程序方面更加灵活方便，质检人员操作简单、灵活易实施。
(2)FME软件基于语义的转换，通过使用不同语义转换器函数实现数据的无缝对接并减少信息丢失，且能直接转换成目标格式数据，不需要再做额外的数据后处理，至少减少30%以上手动修改复杂数据的工作量。
(3)FME软件的应用之广使得空间数据处理的效率大大提高，即可将FME软件应用于测绘地理信息行业，以保证项目的顺利进行，减少工作量，也为空间数据加工项目提供了一个很好的思路。
