考虑数据源的DEM粗差探测方法的研究与实验（可编辑）

考虑数据源的DEM粗差探测方法的研究与实验（可编辑） 西南交通大学 硕士学位论文 考虑数据源的DEM粗差探测方法的研究与实验 姓名:张婕 申请学位级别:硕士 专业:大地测量学与测量工程 指导教师:齐华 20100501西南交通大学硕士研究生学位论文 第页摘要 ,简称作为地形 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的重要 数字高程模型 数字表达,其质量问题受到人们的普遍关注。影响精度的因素多种多样, 其中由失误引起的粗差,会造成空间上的严重扭曲,甚至导致及其 产品的失真,因此探测并剔除粗差显得尤其重要。 目前在相关领域提出的粗差探测算法中大部分是针对的表达方 式,如 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 格网和不规则格网结构提出来的,很少考虑不同数据源的特征。 现存的各种数据采集方法各有其优缺点,所生产的的特性也各有不 同。本文在此基础上,分别以机载激光雷达数据生产的、地形图扫描矢量 化生产的和两种生产方式结合生产的为例,重点研究了以 为数据源的粗差探测方法、以地形图扫描矢量化为数据源的粗差探 测方法和考虑多源数据的粗差探测方法。 .采用机载激光雷达数据生产的,空间分辨率较高,数据点密度大、 分布较均匀,滤波后残留的非地面点以簇群形式存在,自动提取地形特 征较困难。因此以为数据源的粗差探测,是把数 据滤波后残留的非地面点当作粗差点处理。这些粗差点~般以簇群形式 存在于中,可采用粗差簇群算法探测粗差点。经过粗差簇群算法 处理后,剩余的粗差点大部分以离散形式存在,采用反距离加权法内插 各点的高程值,求出内插值与原始数据高程值的较差并进行统计检验, 探测剩余粗差点。 .地形图扫描矢量化生产的,是以常规测量方式生产的,其数 据点密度较小,地形综合程度较高,自动提取地形特征线的算法成果较 丰富。现有的粗差探测方法分为两种,一种是把粗差归入函数模型来实 现粗差的探测;另一种是把粗差归入随机模型进行粗差探测。以地形图 扫描矢量化为数据源的粗差探测方法,将粗差归入随机模型进行 粗差的定位,具有很强的稳健性。它首先通过最小二乘估计来确定第一 次平差的残差,然后再根据残差和相关的参数,按所选的权函数计算出 . 每个观测值的权,经过迭代计算求得观测值的最终残差,最后按照统计 检验的方法剔除粗差。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .考虑多源数据的粗差探测方法,则针对激光扫描时具有盲目性, 不可能像手量那样在地形变化处采集数据,自动提取地形特征线较 困难,扫描矢量化生产的地形图对地形综合程度高,自动提取地形特征 线的算法较多这些特点,从扫描矢量化生产的地形图中直接提取地形特 征线叠加至数据中,以提高的粗差探测率。 本文对上述三种方法都进行了实验验证,实验结果证明针对不同数据源的 采用不同的方法探测粗差,可以增强粗差探测的有效性和稳定性, 提高的精度,在实际应用中具有参考价值。 关键词数字高程模型;粗差探测;粗差簇群探测;反距离加权法;抗差估计; 地形特征线提取西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 . . , , . , . ,, 。 . , . ,, , ?, , , ?. ., , , ’ ,. , ,. ,,. . , , , . .,; , 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页. , , ., , , . . , , ; , . , .,,. : , , , , ,西南交通大学 曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借 阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 .保密口,在 年解密后适用本授权书; .不保密“使用本授权书。 请在以上方框内打“?” ?一二?乙舅,, ???, 聋羔。二 嚣磊喾旅赴嚣霉?.乙 日期:细加.占.? 日期:加‘三 如; “了西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下: 本学位论文在已有的粗差探测算法的基础上,根据不同数据源的 的特点,推导并验证了以为数据源的粗差探测算法,以地形图扫描 矢量化为数据源的粗差探测算法和上述两种数据源结合的粗差探测方 法。这些方法针对性更强,理论上也比较合理。实验结果证明,这些算法能有效 地剔除粗差,提高的精度,在实际应用中具有参考价值。 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名: 瑶砭. , 日期:砌知..西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼二一 第章绪论 .研究意义和目的 ,简称是对地形地貌的一种 数字高程模型 数字化表示。随着地理信息系统、空间数据基础设施等的发展和建设,已 经作为一个独立产品而存在,并越来越广泛地用来代替传统地形图中等高线 对地 形的描述,成为空间数据基础设施中的“’’产品之一和地形数字化表达的专 有名词?。 作为一种产品,与其他产品一样,也必须有质量管理和质量控制。 的数据质量是数据在表达空间位置、高程和时间信息这三个基本要素时所 要达到的准确性、一致性、完整性以及它们三者之间统一性的程度。质量检 查是 生产最重要的环节之一,精度的好坏事实上取决于质量的好坏。 质量控制是个复杂的过程,必须从误差生产和扩散的每个过程和环节入手, 采用一定的方法来减小误差,从而建立高质量的数据库。的质量控 制通常可以从以下三个方面进行:减少数据采集时的误差引入;对采集 到的数据作误差处理以提高可靠性;减少表面建模时的误差引入】。 无论采用何种数据采集方式,数据中的误差都不可避免。是采样 数据的最终表现形式和产品,从原始数据到,需要经过一系列的数据处理, 原始数据的误差在这个过程里会被传播及放大。和早在 年就指出“用户应把重点放在数据来源和输入质量控制上,而不是学习复 杂的内插方法”【】。减少数据采集时的误差是保证精度的根本。 目前在相关领域,关于的质量控制已经存在很多研究成果。但是质量 改进的方法都是从生产者角度出发的,只要生产者遵循某些规则,把握一 定的尺度,就可以较好的控制的质量,从而提高产品的精度。由于最终用 户无法接触到原始数据或是缺乏必要的设备,通常无法控制数据的质量问题。当 某一应用对的精度非常敏感,用户会因为缺乏探测可疑数据即粗差的工具 或无法估计可靠值而显得束手无策。因此很有必要设计出全面、有效的质 量控制工具,使其不但面向的生产者,同时也适用于最终用户【。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 从误差理论的角度分析,误差从性质上分为系统误差、随机误差和粗差。系 统误差是由于测量条件中某些特定因素的系统性影响而产生的,一般表现为常数 或函数特征,可以通过施加改正数或遵循工艺流程将其影响降低。随机误差是由 测量条件中各种随机因素的偶然性影响而产生的,就单个而言,无论数值和符号, 都没有规律性,而对于大量误差的总体,却存在一定的统计规律。粗差主要是由 失误引起的,实际上是一种错误,一般以异常值或弧值形式表现出来。根据统计 学的观点,粗差与其他测量值不属于统一集合或采样空间,因此不能和集合 中其 他测量值一同使用,必须剔除。因此,对数据生产流程统筹规划,以利于 粗差的 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 和剔除。基于这个原因,设计出算法检测并剔除粗差是完全必 要的。 要有效的探测中所含的粗差,必须在数据采集后形成的原始数 据中进行。不同采集方法生成的原始数据,都有其不同的特征。因此只单 纯的从数据的结构来考虑,机械的使用规则格网或不规则格网的粗 差提取方法来提取不同数据源的数据中的粗差,可能会导致算法失败。因 此,根据不同数据源的特征,并结合已有的规则格网和不规则格网粗差探 测算法,来设计考虑数据源的粗差提取方法,是本文的丰要研究目的。 .国内外研究现状 国内外学者早己对粗差探测方法进行了研究,并取得了很多成果。 。早在年就提到了一种针对规则格网数据的粗差探测方法,以每个 点与周围点间的坡度值和坡度变化值为限制条件来检测粗差。该算法假设地 面模 型是一个连续曲面,对于绝大部分区域,高程变化非常平缓,对于任何造成高 程 值不连续或坡度值突然变化的点,都被怀疑为粗差点。 在年指出并不存在唯一的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和量测方法来提高的质 量,他认为至少要考虑高程、坡度和曲率的正确性。单杰【】从数字影像 处理的原理出发,将生成的转化为影响影像,利用数字影像特征 的提取方法自动实现粗差点的定位。】在年假设数据服从高 斯分布,他以栅格数据中某点高程值与其内插估值通过其周围的格网点内插 之间的差值建立统计量,用标准分布检验来分析判断该点是否为粗差。西南 交通大学硕士研究生学位论文 第页 和的推导算法都有其限制性,他们推导的前提都是粗差点是各个独立 的,而忽略了它们的空间自相关性。 提出了主成分分析法,采用了两种模型:一种是空间上不相关的粗差 峰状粗差模型,另一种是空间相关的粗差金字塔状粗差模型。他将规则 格网数据划分成一系列的带状区域,并将它们看成多元数据序列来处理,通 过统 计的方法即可查出高程异常值。之后,。在考虑误差空间自相关性的基础上 改进了原有算法,并应用于一个带有粗差的山区模型。到年, 通过对六种不同地形特征的模型进行研究,验证了通过确定最大可疑点数 也可称为粗差可以提高精度。此算法思想通过软件得到实 现,它面向最终用户,适用于多种源数据。 西南交通大学的肖雁峰在规则格网粗差探测方法中提出了考虑地形特 征的粗差探测算法,并在算法中采用了抗差估计的思想?。 对于非规则格网粗差探测,李志林提出基于点方式的粗差探测算法,并在 此基础上进行了改进,以适用于检查族群存在的粗差。杨晓云在点 方式的算法基础上提出了基于粗差判断率的粗差探测算法,基于统计量相 关问题,增强了粗差探测的可靠性。 .论文的主要研究内容 本论文在粗差探测理论的基础上,针对不同数据源的特征,结合已有 的粗差探测算法,通过实验验证,提出了针对不同数据源的粗差探测方法。对于 以为数据源的数据,以这种数据点距离近、密度大,滤波后 残留的非地面点是以簇群形式存在这一特征为前提,结合两种粗差探测算法以提 取粗差。对于以地形图扫描矢量化为数据源的数据,则将抗差思想融入到 粗差探测算法中,设计出对粗差有抵抗性的粗差提取算法。考虑到从 原始数据中直接提取地形特征线的算法少、难度较大,而从地形图中提取地形特 征线的算法成果较丰富,故把上述两种数据源结合,提出考虑多源数据的 粗差探测方法,以提高粗差探测的效率。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 量曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼蔓曼皇曼曼曼曼曼曼曼?? 曼曼曼 一 .论文的组织结构 本论文分为七章: 第一章:绪论。主要阐述了数据粗差探测技术的研究背景和研究目的, 并总结了国内外研究现状。 第二章:数字高程模型。阐述了数字高程模型的相关概念,并说 明了数据的不同表示方法和采集方式。 第三章:的质量控制。主要介绍了不同数据源生产的误差来源, 并系统地分析了不同数据源质量控制的各个环节,确定了粗差探测的重要 地位。 第四章:的粗差探测。介绍了粗差探测理论,并具体描述了在 相关领域的各种粗差探测算法。 第五章:不同数据源的粗差探测方法。设计了针对两种不同数据源的 粗差探测算法,和两种数据源结合的粗差探测算法,并采用实验验 证了算法思想的正确性。 、 结论与建议。对本文的研究工作进行了总结,阐述了论文的不足之处,指出 了粗差探测中有待进一步解决的问题。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页曼 曼曼曼蔓曼曼 第章数字高程模型 .数字高程模型的概念 数字地面模型 ,是对一种或多种地表特 性空间分布的数字描述,是叠加在二维地理空间上的一维或多维地面特性的 向量 空间,是空间数据库某类实体或所有这些实体的总和,因而的本质和 共性是二维地理空间定位和数字描述。用函数表示为: ?,江,,?,刀 其中,向量,,?:,?,‰的分量为地貌、地物、环境、资源等多种信息定量或 定性的描述。 数字高程模型是的一个子集。实际上,是中最基本 的部分,它是对地球表面的一种离散的数字表达。总之,数字高程模型是 表示区域上的三维向量有限序列,用函数的形式描述为: 江,,,?,, ?,:,, 式?中,,是平面坐标,是五,对应的高程。当该序列中各平面向量 的平面位置呈规则格网排列时,其平面坐标可省略,此时就简化为一维向 量序列,,,,?,胛。 与传统地形图比较有如下特点【】: .可以用多种表达方式显示地形信息。地表数据经过计算机处理后,可以 生成各种比例尺地形图、纵横断面图和立体图。 .精度不会损失。传统纸质地形图会随时间变化而发生形变,失去原有的 精度,则因采用数字媒介而保持精度不变。 .容易实现自动化、实时化。是数字形式的,所以可将变更信息直接 输入计算机,实时更新。 .具有多比例尺特性。如分辨率的自动涵盖了更小分辨率的 内容。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ; 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇舅曼曼曼曼曼曼曼曼苎曼曼皇 . 的表示方法和结构模型 的数据组织包括表达和结构模型两部分,表达主要研究怎 样用地面采样点重建地形表面,结构模型是以表达为基础来解决 数据的组织问题。的表达包括数学方法、图形方法和图像方法三种, 结构模型主要有规则格网模型、不规则三角网模型、等高线 模型,其他的如断面模型、散点模型、混合模型等则应用较少。 .. 表达 表. 的表达【, 表达可分为数学方法、图形方法和图像方法。数学描述是通过采样点 建立地形的数学曲面,常用曲面如傅里叶级数、多项式等。图形方法是把地 表采 样点联成几何图形网络,并使该图形网络逼近地形表面。常用的几何图形网 络有 正方形格网、三角网络和等高线等。图像方法是通过影像数据描述地形,常 用的 图像数据有航空影像、遥感影像、地貌晕渲图和透视图等。表达可总结为 图表.。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 曼曼曼曼曼 : ;.皇曼鼍曼曼曼皇曼皇曼曼 .. 结构模型 结构模型通常有规则格网模型、不规则格网模型、等高线 模型及混合结构模型。通常所说的数字高程模型是指规则格网和 不规则三角形网络。这两种模型结构相对简单,易建立拓扑关系及进行模型 的可视化分析。 .规则格网模型 规则格网如图.数据通常在水平方向和垂直方向的间距相等,每 个格网点只存储该点的高程,格网点的平面坐标则存在于行列号中,只需通 过起 算点坐标、格网间距和行列号就可以计算任一格网点的平面坐标。 规则格网结构简单、适于计算机处理和存储,易与影像数据相结合。 但在简单地形上容易造成数据冗余,对复杂地形的描述不够精细,并且不能 准确 反映地貌特征,如山顶、山脊、山谷等。 图规则格网 .不规则三角形网络模型 不规则三角形网络图.是由原始数据采样点直接建造的,实际上 是用一系列互不交叉、互不重叠的三角形面片组成的网络。其数学特征可以 表述 为三维空间的分段线性模型,在整个区域内连续但不可微【】。 ?的数据存储方式比规则格网要复杂,不仅要存储每个点的高程,还要存 储其平面坐标、相邻三角形之间的拓扑关系等。因此,的数据存储量大、数 据结构复杂。但能较好的顾及地貌特征点、线,真实地表达复杂地形的特 征。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图不规则三角网 .等高线模型 等高线模型图?是一系列等高线集合,即采用类似线状要素的矢量数 据来表达,但需要描述等高线间的拓扑关系。等高线模型的数据一般直接 来源于数字化测图和对地形图扫描矢量化,具有直观、易于观察地表变化规 律等 特点,但不利于三维特性分析。 图.等高线模型 .混合结构模型 混合结构模型图.汇集了和的优点,可以达到最优的地形表 达。在实际应用中,在大范围内一般采用规则格网附加地形特征数据,如 地形特征点、山脊线、山谷线、断裂线等,构成全局高效、局部完美的】。堑 里圣鎏查兰至圭丝薹圭兰堡篁塞 圣至 图捏台结构模型圈数据获取方法 的源数据和数据获取方法对于的最终质量至关重要。原始 数据主要包括高程和平面坐标,在一些情况下还包括各种地形结构线如山脊 线、 山谷线等。此外,的应用目的、数据采集效率和成本、技术熟练程度也会 影响数据采集方法。 的数据来源及采集方法 目前,的数据主要来源于摄影测量与遥感影像立体测图、地形图矢量 化、地面测量、合成孔径雷达干涉测量和机载激光雷达测量。 摄影测量数据采集方法 摄影测量在我国基本比例尺测图生产中起到了关键作用,我国绝大部分的大 比例尺地形图:、 万、:万的成图都是采用摄影测量方法,在我 国的各级比例尺建库工程中,摄影测量也是数据获取的主要方法之一。 从地形匿采集数据方法 地形图较易获取,作业设备简单,对操作人员技术要求较低,园此地形图数 字化是一种数据获取的最基本方法。从既有地形图采集需进行地 形图符号的数字化等高线,如手扶跟踪数字化或半自动扫描数字化,然后再 用某种建模方法内插生成。但有时数字化数据不能满足现势性要求,因此 对于土地开发利用较多、地形地貌变化较快地区.地形图往往不宜于作为 的数据源,但对于地形变化较小的地区,地形图是物美价廉的数据源。 地形图还存在精度问题,它跟地形图的比例尺有关。比例尺越小,地形地貌西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 的综合程度就越高,近似性也越大。不同比例尺的地形图具有不同的等高距。等 高线的密度及本身的精度也决定了地形表达的真实度。 .从地面直接测量采集数据方法 对于小范围内的,其主要应用于工程设计,且对的精度要求较 高,这时可通过从地面直接测量的方法获取数据,建立。地面直接测量所 采用的仪器和手段,主要有平板测量、全站仪测量、测量和车载测量。 各种测量方法随在设备使用上有所不同,但数据采集的内容和数据取舍是一致 的。 .利用合成孔径雷达干涉测量采集数据 合成孔径雷达干涉测量是近十几年发展起来的空间遥感新技术,它 是传统的微波遥感与射电天文干涉技术相结合的产物。它主要是针对机载或星载 合成孔径雷达所获取的多幅覆盖同一地区的雷达图像进行联合处理来提取 地球表面信息,可应用于数字高程模型建立、地壳变形探测等【】。 .机载激光扫描数据采集方法 机载激光扫描系统往往又被称为机载激光雷达。激光扫描不需要反 光镜,还可以被看到,而且很少受气候条件的影响,测量精度高,因此,机载激 光扫描成为测绘困难地区如密集的城区、森林地区和物体如电力线等的 新兴技术。 .. 各种数据源对比 对的采集方法可以从性能、成本、时间、精度等方面进行评价。各种 采集方法都各有优缺点,因此采用何种方法要从目的需求、精度要求、设备 条件、 经费条件等方面综合考虑。表.是数据采集方法和各自特性的比较一览 表。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 表 采集方法及各自特征比较一览表【 应用范围 速度 成本 更新程度 获取方式的精度 微 辅高 容易高箍篙各 ’ ”’ 激馓干辅高 日也 .本章小结 本章主要介绍了数字高程模型的相关概念及的结构模型,即规则格网、 不规则格网模型、等高线模型和混合结构模型,以及这几种模型的特征。阐述了 数据获取的方式,并说明各种方式的特征。至童圣塞奎耋璧圭至窑圭兰堡兰兰 量要 第章的质量控制 用机载激光雷达扫描技术生产的误差来源 . 技术体系 机载激光雷达测量技术如是种通 过位置、距离、角度等观测数据直按获取观测对象表面点三维坐标,实现地表信 息提取和三维场景重建的对地观铡技术『,。是近年来在国内外发展十分 迅速的一种主动传感技术。与传统的微波雷达和毫米雷达相比,具有极 高的分辨能力、抗干扰能力和信息获取能力,并且具有自动化高、受天气影像小、 数据生产周期短、精度高等特点。 系统的组成 是一种集激光、全球定位系统和惯性导航系统种技术于 一身的测量系统图。 图激光雷达系统” ? 根据地面基准站和航空机搭载的 计算高速移动的航空机的位置。 ? 获取航空机姿态和加速度的惯性测量系 统。 趾?神获取发射点至地面测量点之问距离的 ?.测距装置 装置。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 对地表数据的获取 系统获取的激光脉冲点数据可大致分为以下几类:地面裸露点、树 高端点、树中端点、桥面点、水域点、建筑物点、噪音点及其它未分类点等。 数 字高程模型数据仅仅需要地面裸露点,由整个区域的地面裸露点三维数据 构成。因此,获得激光扫描数据后,利用其它大地控制信息将数据转换到 局部参考业标系统即得到局部嫩标参考系统中的三维坐标数据,即数字表面 模型 。然后进一步处理激光扫描数据,剔除不需要的数据。其中,得到要 从地面上分离植被和建筑物点,即通常所说的滤波,在具体应用中不需 要的数据都可归为噪声点。最后进行高程重建,对无数据点区域进行内插, 得到可应用于工程的规则格网。 韩 \ 。 矽 图非地表裸露数据删除前后对比图【】” 系统技术的应用 测量不受光照和天气条件限制,能全天候地对地观测,这使它在灾 害监测、环境监测、资源勘查、森林调查、地形测绘等方面的应用具有独特 的优 势。主要包括以下几个方面的应用: ?测量带状目标地形图 ?灾害调查与环境监测 ?海岸地区测绘 ?森林地区的获驭以及推求森林垂直结构 ?城市三维建模西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .. 的误差处理与分析 利用机载激光雷达系统对地面进行逐点扫描,确定这些点的平面位置牮标和 高程,因此坐标精度很重要。影响坐标精度的因素很多盐,其中主要因素是激 光测距误差、差分定位误差、姿态测量误差、扫描角误差、时间同步误差 和系统集成误差。这些误差对定位结果的影响一般表现为系统性,因此对系 统进 行全面的质量控制,可以消除或减弱这些误差的影响。 机载激光雷达对获取的数据经去除噪声和滤波处理后,可直接生成。 但需要注意的是,任何一种滤波方法都不可能完全滤除非地面点。作为机载 激光 雷达数据滤波中的第类误差,实验已证明滤波后的非地面点不会超过点总数 的 %,因此可以把未滤除的非地面点当做中含有的粗差,用粗差探测方法 去除这些非地面点,提高的精度。 .以地形图矢量化为数据源生产的误差来源 的误差是数字地面建模过程中各种误差综合传播的结果,它受到多种 多样因素的影响。李志林、陈军【】指出,影响精度的关键因素包 括:地形表面特征、原始数据的分布和密度、表面建模方法、 表面的自身特征、数据源误差、采集数据的仪器误差、采集数据的人为误 差、内插方法和的结构。 地形表面特征决定了地形表面表达的难度,因而在影响最终表面精度 的各种因素中占有重要地位,但这不是人为可以控制的。以地形图为数据源生产 的精度问题主要在以下几点: .地形图扫描误差。该误差主要影响地形的平面精度,从而进一步影响 数据的高程精度。扫描误差主要来源于纸张变形。由于这种误差是一种不 依比例尺的不规则变形,因此,在栅格数据生成后,要对栅格图进行纠正,以消 除这种变形误差。 .数字化过程中所产生的误差。该误差也主要是影响地形的平面精度。该 误差产生的原因:第一,地形图的复杂程度;第二,地形图的清晰程度;第三, 数字化人员的操作熟练程度。如果地形图质量不好,或者扫描参数设置不佳,都 会影响数字化成果的质量。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 .内插过程中产生的误差。从矢量图转换为,考虑到数据量的问题, 必须对数据有所取舍,因此这个转换过程就会产生信息损失,而这种信息损 失会 造成高程精度误差。从内插建立规则格网,因为内插方法不同,也会 造成不同程度的信息损失。而内插过程中是否对原始数据充分利用,也就是 说, 。 是否考虑了等高线数据所附带的地性特征信息等也会影响精度 .格网间距对数据误差的影响。原始等高线数据或已生成的烈数据经过 内插,转换为一定格网间距的数据,由于数据是以格网间距的大小 来表示区域的高程,这个转换过程也会产生数据损失,从而影响的高 程精度【】。 总的来说,的误差来源主要有两个:一是对实际地形表面采样所引起 的误差,即原始数据误差;另一个是数据重采样引起的误差,即由内插算 法引起的误差。在数据生产过程中,考虑到误差的传播性,在生产中的每 一步都要尽量减小误差。 . 的精度评定方法 精度评定可以通过两种不同的方式进行,一种是对平面精度和高程精 度分别评定,另一种则是两种精度同时评定,但在实际应用中,一般只讨论 的高程精度评定问题【一。 精度评估主要是通过理论分析和实验研究以及两者相结合三种方式进 行。理论分析和理论实验相结合的共同点是试图寻求对地表起伏复杂变化的同一 量度,和各种内插模型的通用表达式,使评定方法、评定所得的精度和某些带规 律性的结论有比较普遍的理论意义。不同之处在于,前者进行的是纯理论研究, 而后者则需要进行大量的实验来建立数学模型。应当指出,由于影响的因 素多种多样,无论采用哪种途径都不能很好地解决所有问题【】。表.对精 度评定模型做出了简要的归纳。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 表 精度评定模础 在实际应用中,常用的精度评定方法有检查点法、剖面法、等高线法 等。 .检查点法 检查点法即事先将检查点按格网或任意形式进行分布,对生成的在这 些点处进行检查。将这些内插出的点的高程与实际量测点的高程逐一进行对比得 到各个点的误差,最后计算出中误差。 假设检查点的高程为互待,,..棚,在建立后,由内插出的点的 高程为,则的精度为: 万去善?, 高程内插方法是影响精度的一个重要原因。内插方法可采用双线性内 插,也可采用双二次多项式内插】和双三次多项式内插。无论采用何种内插 方法,每幅至少要有个高程检测点用于计算高程精度;参与构 的高程点不能作为检测点:。】。 .剖面法 剖面法是将一定的剖面量测计算高程点和实测高程点进行比较的精度评定 方法。剖面法可以沿方向、方向或任意方向。可以用数学方法也可用实际 剖面和内插剖面相比较的方法估算高程误差。西南交通大学硕士研究生学位 论文 第页 传递函数方法是数学方法的一种,它的基础是傅里叶级数,它的原理是任何 一个连续曲面的剖面均可表示为一个傅里叶级数: 万:要主一日口 仔, 吣,:吾:嘲 式.中万是在断面的高程误差在断面上和在断面上相同,一和为断 面实际曲线的傅里叶级数项的系数,和包为断面内插曲线的傅里叶级数各项 的 系数。用此方法可评价在任意断面上的精度。 .等高线法 等高线是当今大部分数据生产的副产品。等高线对地形起伏有很好的 反应。因此在实际应用中,为了评定精度的总体情况,以及与实际 地形的吻合情况,一般采取内插反衍等高线的方法,即用反衍等高线与实 际原有的等高线相比较,检查等高线的实际情况。 此方法可以评价整个区域的精度情况,但却缺乏一个严密的精度指标, 无法从定量的角度评定。为此,汤国安、陶吻【】提出了等高线套和积差 的概念,由原始等高线与反衍等高线相重叠,由两条等高线相交产生的沿 原始等高线两侧分布的细碎多边形面积的总和与相邻两条半距等高线面积 之比, 尸:?? 对于整幅图,等高线套合积差的计算如下所示: 彳尸也?尸 应指出,由于影响精度的因素多种多样,在评价精度时,不仪 仅需要考虑的中误差,还要考虑的地形整体特征,使不仅在 单个点上达到较高精度,而且在整个区域内都与实际地形相一致。西南交通 大学硕士研究生学位论文 第页 . 的质量检查 .. 的质量检查内容 虽然不同的生产方式会导致质量检查有很大不同,但总的来说, 质量检查内容包括几下几点: .检查原始的数学基础; .检查数据起止点坐标的正确性; .检查原始数据质量; .检查的高程值有效范围区是否正确; .检查生成的内插模型; .检查生成的产品的质量; .检查的元数据文件是否正确。 其中,原始的数学基础、数据起止点坐标的正确性、高程 值有效范围区的正确性、元数据文件是否正确等问题的检查都比较容易, 相对而言,原始数据的质量、生成的内插模型及生成产品的质 量检查则比较困难,也是较为关键的部分。 .。 质量检查的方法 一般有三种质量检查的方法【】: .目视检查:主要是由计算机生成数据的可视化形式,由人工进行 判断和检查。在技术生成的方法中,可将数据生成等高线 与地形图比较,当地貌形式差异较大时说明可能有问题。如果是基于地形图 扫描 矢量化生产,可将按高程分层设色,与等高线和扫描影像叠加显示 或绘图输出检查,或将生成三维晕渲图与等高线叠加检查,或用反 衍出与原始等高线等高距相同的等高线,并与原始等高线套和检查,即所谓 的等 高线回放法。 .半自动检查交互式检查:基于趋势面和三维可视化方法,以及基于等 高线拓扑关系的方法都属于此类方法。一般,在较成熟的生产软件中,人 工交互式的方法很多。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .自动检查:原始数据的质量检查可采用滤波方法和基于坡度信息的方法。 产品的质量检查也可采用此类方法。 .影像分析检查:可表示为一组用矩阵形式表示的高程组,实际上是 栅格数据。和其他栅格数据一样,可以用影像来检查的高程误差。用影像 来检查的方法主要是灰度影像和彩色影像。两种方法均采用色彩对照表建 立各个高程值和灰度或彩色之间的对应关系,对的局部进行详细的检查, 进而计算出局部区域的误差。 ..基于技术生产的质量检查流程 .飞行前的参数检查; .飞行后的参数检校; .激光雷达测量数据的预处理; .坐标转换的检查; .原始的离散激光雷达测量数据文件的质量检查; .数据滤波、分类、分割处理后的数据质量检查; .进行格网内插后的数据质量检查。 ..基于地形图扫描矢量化生成的质量检查流程 .基础资料的质量检查; .预处理图的质量检查; .扫描影像的质量检查; .矢量化图的质量检查; .数据转化建立拓扑关系的质量检查; .接边检查; .位置精度和属性精度检查; .生成的的检查; .生成的的质量检查; .的编辑; .检查文档簿填写的内容是否完整、正确;西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .产品归档检查【。 .本章小结 本章首先简要介绍了机载激光雷达测量技术的系统体系,并分另分 析了以为数据源的误差和以地形图扫描矢量化为数据源的误 差。然后阐述了精度评定的方法和模型。最后介绍了的质量检查的 内容和方法,并分别以技术和地形图扫描矢量化为例,具体说明了 的质量检查流程。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 曼曼曼兰曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼苎曼曼曼蔓曼曼曼曼皇鼍曼曼曼曼皇曼曼 皇量曼曼 鼍 第章的粗差探测 .粗差探测理论 粗差探测理论主要的研究问题是:如何发现粗差;能检测出多大的粗差;影 响粗差探测的因素是什么;无法检测出粗差对平差结果有什么影响等。 ..粗差的影响 观:万栏: ?? 在最乘准则下可求得: ? 盒彳刚~彳兕 ? ’刚~ 么 ’一儿 其中以表示相关向量的权逆阵。 设以表示观测量的平差值向量,即根据权逆阵的传播关系及权倒数传播定律 可得相关量的权逆阵: 咚么。 一么么’~彳呸彳彳’~么’ ? 呸 、 ?、 、』 ?’. . ’一门 么‖一西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 暑寰曼璺舅曼曼曼曼舅蔓曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼鼍曼曼舅曼曼曼曼曼蔓曼 兰皇皇曼曼釜;?; 一.. 量彳彳’剐~彳’一幺尸绞以彳’‘ ’彳彳’朋~彳’一朋么。 彳彳剐~彳’ ’?黝?。 . 么刚~一彳刚~ 式和式?说明,观测量的平差值和改正数统计不相关,戈. 可推得改正数矿和未知参数的估计值宕之间统计不相关】。观测值的方差等 于观 测平差值的方差与改正数的方差之和。观测改正数还可写成: 一 . 以表示观测值三的真值,考虑到观测值与误差的关系,得到: 一 . 代入式.有 彳么’朋~彳,一? 么爿以~么?。 一‖尸? 一 . 在这里 ? ~彳尸 剐么’尸 ’~彳, :一似:矩阵仅取决于平差的图形结构条件和观测权,因此它刻画了平差的 几何条件,反映了观测误差对改正数的作用程度,它可以在实际观测进行之 前, 由观测 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 计算出来。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ..粗差的处理方法 目前处理粗差的方法主要有两种。 第一,将粗差归入平差函数模型的粗差探测法也叫识别法,即把含有粗 差的观测值看做是与其他同类观测值具有相同方差、不同期望的~个字样, 模型 为 ?? ~ 乏二端端 ~?三,占/?圳 其中,为正常观测值,‘含有粗差?岛。 这种方法意味着将粗差是为函数模型的一部分。这种模型称为平均漂移模 型。 第二,将粗差归入随机模型的粗差定位方法也叫调节法,即把含有粗差 的观测值看做是与其他同类观测值具有相同期望、不同方差的一个字样,含 有粗 差的方差将异常的大,模型为 件四 、 ’ 厶二乏汪嬲筹’‘, ~?三,占/? 它意味着将粗差视为随机模型的一部分。这种模型称为方差膨胀模型?】。 ..粗差的估计 数学模型: & 为粗差向量,为/维系数矩阵。在平均漂移模型下,误差模型为 。 . 其中,。为偶然误差。用分块矩阵的形式写出,可得到如下法方程: ?, ?剐铡批饥、 在这里,粗差的个数不能大于观测的多余观测个数,.,否则上述方程无解。当西南爻通大宇坝士研冤生字立论文 第页 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 小于,时,方程有解【。消除未知量名,有 朋一’~‖‖彪一’以。‖咒 上式左边系数矩阵为参数??的权矩阵,即 ,: ’朋一日 ~彳’朋 日’绕一彳彳’剐~彳 则有 “‰ ‰ ’,’“ 败日’尸既一么彳’刚~么 一。: ..粗差的检测 对粗差进行检测,最经典的的是?】提出了.检验和提出了检 验。它们的基本思想是:首先用某种方法进行粗差的探测和定位,提出粗差,然 后用最乘法进行进算。但是,这些方法对于观测值只含有一个粗差的数据检 测较为有效,当观测值含有多个粗差时,它只对数据进行逐个检测,由于残差对 每个观测值都有影响,这样就很有可能使含有粗差的观测值并不一定有最大残 差。因此第一步探测中,很有可能剔除的不是含有粗差的观测值,从而造成错误 的判断【。 对于多维粗差,曾在年建议对残差的协方差矩阵进行谱分 解,然后进行主分量检验。,在年建议用人工智能启发式搜索技 术在状态空间发现和改进粗差。年我国的杨凯和王任想首先将的粗 差探测理论及稳健估计的理论引入国内测绘界,年王之卓对粗差探测理论 做了系统的介绍,顾孝烈等从矢量分析的角度提出了多个粗差定位的思想。陶笨 藻】通过推导不标定粗差情况下的粗差统计量,提出了相应的探测多为粗差的方 法。於宗俦【 从残余与粗差的基本关系一绋尸艿出发探测粗差。用西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 模糊数学的方法探讨了多维粗差的检测。 目前,一维粗差探测技术已逐步在生产中得到应用,而多维粗差探测技术, 因为计算量大,在实际中还没能得到普遍推广,而且从理论上也无法论证各种方 法的好坏。 ..传统粗差探测法的缺点 传统的粗差探测方法存在一些不同点,如下【: 法每次只能检测出一个粗差,而粗差对每个观测值都有影响,并 且含有粗差的观测值不一定有最大的残差,而不含粗差的观测值相反却含有较大 的残差值,因此可能出现误判。 由于观测值中含有误差,使得霹和酽增大,相应的统计量/屯减小,这 样纳伪概率增强;若霹采用验前值,统计量,/屯将增大弃真概率增强。 即使删除粗差,也难保证函数模型的正确,因为实际上删除的只是在一 定显著水平和功效下的粗差,检验后仍有残存小粗差。 如果观测数目较多,则计算量则比较大,粗差探测效率也会降低。 传统的粗差处理是基于平差原理,不存在平差问题,就不能在平差过程中对 粗差进行定位。不同于传统粗差处理,粗差处理有其特殊性,首先它不存 在平差问题,因此不能采用传统粗差处理方法;其次是粗差大小的界定, 不但强调数据的准确性,更重要的是要强调对地形表达的真实性。因此,对 粗差探测,要从单个独立数据、局部地形和整体区域三方面综合考虑,除此之外 还要考虑原始数据的分布特征】。 。基于趋势面的粗差探测与处理 基于趋势面的粗差探测基础是地形所具有的自相关性,即地形表面的变化符 合一定的自然规律,表现为连续空间的渐变模型,可以用光滑的曲面来描述。用 趋势面来描述地形的宏观变化时,当某一点的采样值和趋势面的计算值相差较大 时,此点可能含有粗差。趋势面分析中的一个典型应用,即揭示不同于总趋势的 最大偏离部分。 应用趋势面分析进行粗差探测需注意两点,一是趋势面函数的确定,理论上西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 。 曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼 ? ;。鼍 一 一 讲,任何曲面都可以用高阶多项式来逼近,但高阶多项式的解不稳定,同时多项 式系数的物理意义也不清楚,可能会导致不符合实际地形起伏的趋势;另一点是 当观测值和计算值相差多大时该点要被怀疑为粗差点,即阈值的问题,通常按统 计的方法,假设误差频率呈正态分布,取三倍中误差作为误差极限,阂值问题的 存在,可能会导致遗漏或过多的选择粗差点【】。 趋势面分析的缺点是将问题简单化、局部化,可以找出绝大部分可疑点,但 却不能确定是否为粗差,需用其他的方法进一步的确定。 .三维可视化粗差探测技术 三维可视化方法是一种人工交互式的技术。通过对原始数据建立三维表面模 型一般是,把模型置于三维可视化环境下,人工审查可疑数据,对可疑 点做出快速判断,从而有效的剔除粗差删。此种方法依靠高效可靠的建模技术和 ’ 准确有效处理策略,也是一种比较直观的粗差探测技术。 .规则格网的粗差探测技术 ..基于坡度信息的粗差探测算法 坡度是地面的固有属性,因此可以用坡度的连续性和一致性来检测是否含有 粗差点。该算法一般是在一个的局部窗口内,计算在水平方向和垂直方向上 相邻两点之间的坡度个,然后计算相邻两个格网之间的坡度差个。通 过相邻两个格网之间的坡度差确定衡量坡度是否变化一致的阈值。对当前窗口的 坡度差进行统计分析,统计标准可采用绝对平均值、数据值范围、均方根、算术 平均值或标准偏差,?阈值为统计标准的倍为常数。当某一采样点在某一 方向上的坡度差大于阈值,该点被怀疑被含有粗差。这时可通过周围点的坡度和 高程计算粗差点的高程,并替换掉原有的高程值。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 曼曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 . 曼鼍曼璺曼鼍曼曼曼曼曼皇 ’ .“. ““ . . 【. 图一规则格网中的坡度信息计算图 该方法每次只能检测一个点,当粗差比较集中时,需要循环进行。此方法也 不适合检测边界点的粗差。李志林等【】对此方法进行了深入研究和实验, 在实验中,统计标准采用了水平方向和垂直方向标准偏差和,闽值系数,通 过和原始数据勾绘出的等高线相比较,该方法在处理格网数据的粗差上效果 比较 明显。该算法步骤如下: .计算坡度值。如图所示,数据点在高程矩阵中的行列号为,,, 它的八个邻域点,,,,,和的行列号分别为,一,,, “,,,,,,,,,,,一,,,一,和,~,。分别计算出这八 个邻域点与点在行和列上的个坡度值。以方向上的坡度计算为例,算式 如下: ,,,,, 此处.,是指点,和点,.之间的距离。 .计算坡度变化值。计算坡度后,便可计算每个方向上的三个坡度 变化值,也就是在方向: ? ,,,,一.,,? 同理可计算观尸』,和,‘,以及方向上的相应值。最后计算点 ,/在每个方向上的两个坡度变化差值: 方向: ,,,,,,, ? 和,,,%,?一,力 方向:西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ,,,.,,,一,,一 ? 和%,,,,,,一,, 所有点的值将用于计算是否接受或拒绝某点的阈值。 .阈值的计算。计算两个值,一个在行方向方向,另一个在列 方向方向。把每个数据点在同一方向上的两个相加,其和用于计算 值。如果坡度变化一致,同一点在同一方向上的两个值的和的绝对值将会 很小接近,反之,这个值将会较大。 .粗差的判断。假如,某个点在一个方向上的超过阈值,则怀疑该数 据点不正常,若多于一半的超过阈值,则确信该点含有粗差。对于值, 不同情况下,可以使用不同的值,如果值分布比较均匀此时值比 较小,可以取大一些的值:反之值较大,则可以取小一些的值。 对判断含粗差的点进行改正,以保证数据质量的提高【,。 ..基于主成分分析法的粗差探测 主成分分析在粗差探测中的应用最早是由提出并完善的。他认 为”空间中有充分点进行粗差判断的先决条件是甩》,但是对于任意给定的 ×维并不一定都满足算法中所要求的带状数据的分布形式,为此要将原 始数据划分为若干的狭长区域。当不为的整数倍时,各个带状区域可以 相互叠加。 主成分分析法进行粗差探测的步骤如下: .对于给定的大小为的,将其分别划分为行主方向和列主方向宽度 都为的带状区域,实施下列步骤知道满足一定的准则: .处理行主方向的带状区域: .确定可能含有粗差的行 .在每一行中确定粗差的位置,从而获取被需选粗差数组 .处理列主方向的带状区域 .确定可能含有粗差的列 .在每一列中确定粗差的位置,从而获取备选粗差数组 .将两套备选粗差数组进行比较西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .计算准则 .改正所有粗差 .结束 由于粗差会影响统计量的计算,因此上述过程需迭代进行。设计 的算法结束标准是,当一定数量的高程值进行了修改,整个粗差探测过程才 算完 成。 ..基于参数统计的粗差探测 假设超限误差只是局部相关的,,】算法研究的对象是某点高程值 互?和其邻域点内插出的高程值。,之间的差值巧广若使用双线性内插法, 只需 个邻域点就可内插出高程值。因此,点处的高程值为: ,,、,?。,,/ 高程估值与采样点高程值之差为 心 .? 把此过程应用于中所有的点,可得到高程差值的代数均值和标准偏差 值 否‖ ? 假设,,服从均值为否,标准偏差为的高斯分布?否,,可以用一个双尾 检验来验证巧,,是否属于该分布集合。通过引入统计量: “等 .,可看作为一个标准化残差。因从模型中获得的数据量很大,故可以假设., 服 从。】,对置信水平.,统计量‘,,的临界值为.。对于任何残差谚.,使 ?.的数据点都被怀疑为粗差点。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .不规则格网的粗差探测技术 规则格网具有结构简单,便于计算机处理和存储,易与影像数据相结合等优 点;但它在简单地形处容易造成数据冗余,对地形起伏较大地区则描述不够 精细, 也无法反应地貌特征。除此之外,在实际生产中,规则格网通常是由非规 则格网通常是由非规则格网通过内插而得到的。如果原始数据为非 规则格网,要转换为规则格网,在转换过程中,原始数据中的粗差点 会影响到转换后的规则格网数据,从而使粗差探测变得困难。因此很有必要 讨论 非规则格网的粗差探测算法。目前,最经典的非规则格网的粗差探 测算法是李志林的点方式算法。 ..基于点方式的粗差探测算法 .点方法的一般原理 基于点方式的粗差探测算法【】是针对非规则格网数据提出的。此算法 的大致过程如下:对待测点,首先定义一个以点为中心的待定大小的窗口设 半径为,然后计算窗口范围内所有点的一个“代表值”。这个值可被当做点 的近似值或“真值”。通过比较点的高程值与上述统计值可获得一高程差值。 如果高程差值大于另一个计算出来的阈值,则认为点含有粗差。 .邻域点的选择 邻域点的选择一般考虑两个因素: .范围,即采用多大面积范围内的点来参与计算高程值; .点数,即选择多少参考点来参与计算高程值。 具体选点的方式要视实际情况而定,一般选点的方式主要有三种: ?基于点的数量进行邻域点的选择,如图.; ?基于点的