空间数据质量检查与评估理论研究

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随着地理信息技术的快速发展与推广,可靠的空间数据质量是保障空间数据决策与应用结果正确的重要前提。与此同时,空间数据质量控制研究对于地理信息科学、地理信息产业及地理国情普查、监测具有重要的研究价值。空间数据质量检查与评估是空间数据质量控制的关键手段。尤其是对于当前国家正在实施的国情普查与监测项目,空间数据质量评估是确保国情普查成果真实可靠与权威性的关键,对它的研究具有重要的现实意义。空间数据质量评估过程主要包括(1)确定适用的空间数据质量模型;(2)确定空间数据质量度量方法;(3)选择和应用数据质量评价方法三个环节。然而,由于空间数据的多样性及其不确定性极为复杂,在这三个步骤中存在很多亟需解决的问题:(1)在确定空间数据质量模型环节,目前的空间数据质量模型研究已经有一定的成果如基于评价的空间数据质量模型,但是绝大多数都只针对某一特定类型或比例尺的空间数据,导致空间数据质量检查与评估难以在同一环境、同一平台下统一完成,这样势必会影响空间数据质量检查与评估的效率,增加空间数据质量评估的成本;(2)在空间数据质量度量环节,作为空间数据质量的核心,位置精度度量方法是空间数据精度度量研究的热点,其根据空间实体类型主要包括点元、线元和面位置误差模型,其中,当前针对线元误差度量的误差带模型大都以点元误差为基础,忽略了线元整体的误差分布,难以给出合理的误差度量指标;(3)质量验证环节中当前的质量检验方法使用的参照数据缺乏实时性,难以与待检空间数据的时间保持同步以及验证数据量不足是影响质量检验结果的重大原因。为此,本文从空间数据质量检查与评估过程出发,重点研究评估过程中的空间数据质量模型、线元误差带及质量检验方法等关键问题,从而提出了一种通用的空间数据质量模型、基于线元误差等概率密度分布的误差带理论及其线元误差质量指标,建立基于众源数据的空间数据质量精度评估模型及其方法框架。在此基础上研究并实现通用的空间数据质量检查评价平台,实现在同一环境、平台下对空间数据的检查与评价,以利于国情普查与监测的数据质量控制。具体研究工作主要包括:(1)从空间数据质量模型概念出发分析讨论空间数据质量模型的定义及其内容,通过分析对比国内外空间数据质量模型及其质量元素的定义及其规定,总结出空间数据质量模型及其质量元素组成的重要特点:空间质量模型由质量元素构成,质量元素由多个质量子元素和检查项描述,质量子元素由多个质量检查项或者指标刻画,即质量模型的结构是一种层级结构。在此基础上,本文引入对象树的概念,提出基于对象树的概念级空间数据质量模型,并从质量对象树成员对象、对象关系和逻辑模型三个方面详细讨论了该模型的定义和构建方法。该模型兼具面向对象和对象树的优点,包括对象唯一性、抽象性、封装性、传递性、多态性和可伸缩性,可以很好地解决因空间数据质量模型多样化而无法重用及空间数据难以统一检查的问题。(2)在空间数据质量评价模型方面,本文提出一种基于质量对象树的通用质量评价模型。本文深入分析空间数据质量评价过程,将其总结为以下六个关键组成部分:数据整体质量评价、质量元素质量评价、质量规则评价、错误率、质量合格条件及质量评分,进而结合研究提出的基于对象树的空间数据质量模型,分析各组成对象间的关系,构建出通用的空间数据质量评价模型。(3)在线元误差度量方面,通过分析线元整体的误差概率分布,提出线元标准误差带理论。本文根据随机点元标准误差的构建过程,分析并推导了基于线元误差分布的标准误差带解析式;在此基础上,通过随机线元落入标准误差带的概率上限及下限估算线元落入标准误差带的概率,并提出一种方便快捷的近似计算方法,以便于实际应用;根据线元标准误差带,提出随机折线的标准误差带,并进一步构建一般情况下线元和折线的误差带;在分析点元位置精度指标特性的基础上,提出一种基于线元误差带的质量指标:线元误差带的面积。(4)在质量检验方法方面,本文提出了基于众源数据的空间数据质量检验方法及其框架。首先,本文根据众源数据的获取方式及其特点分析了使用众源数据作为参照数据的优势如现势性强、信息丰富、成本低廉等,及可能存在的问题如质量不可靠、数据异构、分布不均匀等。针对众源数据的缺陷,提出将众源数据与待检空间数据视为“真实”数据的观察反应,建立精度评价模型对空间数据进行精度检验的思想,并进一步提出基于众源数据的质量检验方法框架。基于此,以地表覆盖分类精度验证为例,提出基于众源数据的潜变量分析模型精度评估方法;为进一步提高精度评估的准确度,提出基于二值分类法的潜变量分析模型精度评估方法。最后,利用欧空局研制的全球地表覆盖数据GlobCover 2009进行了实验验证,结果显示,基于众源数据的精度检验方法针对某些地物类的效果比较好,但也存在结果不可靠的问题。(5)根据本文提出的通用质量模型和质量评价模型,提出了通用质量检查评价系统框架,构建并实现了通用空间数据质量检查评价系统。本文提出的质量检查评价系统框架对基于对象树的质量模型和质量评价模型的一种逻辑实现,主要包括数据层、核心层、支持层、执行层和表现层五层逻辑组件;基于该框架实现的通用空间数据质量检查评价系统已经广泛用于第一次全国地理国情普查成果数据检查与验收,并有效提高了相关数据产品的检查和验收效率,为本文提出的理论与方法进行了实证与应用。
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