空间数据质量与元数据讲述

1、北京大学遥感与地理信息系统研究所空间数据质量与元数据空间数据质量与元数据空间数据质量空间数据质量控制空间数据的不确定性问题空间元数据空间数据质量空间数据质量l在GIS的几个主要因素中，数据是一个极为重要的因素l在计算机软件、硬件环境选定之后，GIS中数据质量的优劣，决定着系统分析质量以及整个应用的成败lGIS提供的空间数据的分析方法被广泛用于各种领域，用于决策领域的数据，其质量要求应该是可知的或可预测的。l研究空间数据质量的目的l加强数据生产过程中的质量控制，提高数据质量空间数据质量的重要性空间数据质量的重要性空间数据库空间数据库查询和分析查询和分析空间数据输入空间数据输入和管理和管理输出输出

2、: 显示显示防止防止 “Garbage in，Garbage out！”空间数据质量的内容空间数据质量的内容 l空间数据的完整性l数据是否覆盖到应该覆盖的范围l空间数据的数据逻辑一致性l数据定义的统一性l在同一个空间数据库中，数据的定义应该保持一致l空间数据位置精度l数据的地理位置精度l空间数据属性精度l数据所载负的地理信息的正确性l空间数据时间精度l数据本身所代表的时间信息的正确性l关于数据的说明l元数据 空间数据质量的相关概念空间数据质量的相关概念l准确性（Accuracy）l精度（Precision）l空间分辨率（Spatial Resolution）l比例尺（Scale）l误差（Err

3、or）l不确定性（Uncertainty）空间数据质量的相关概念空间数据质量的相关概念(1)l准确性（Accuracy）l一个记录值（测量或者观察值）与它的真实值之间的接近程度l空间数据的准确性通常是根据所指的位置、拓扑或者非空间属性来分类的l可以用误差（Error）来衡量空间数据的准确性l精度（Precision）l表示数据对现象描述的详细程度l数据精度和数据准确性的区别： l精度低的数据不一定准确度也低；l数据精度如果超出了测量仪器的已知准确度，这样的纪录数字在效率上是冗余的；例如：在设计精度为0.1mm的数字化仪上测量返回的坐标数据为（10.11mm, 12.233mm），其中就含有冗余

4、的数据；空间数据质量的相关概念空间数据质量的相关概念(2)l空间分辨率（Spatial Resolution）l分辨率是两个可测量数值之间最小的可辨识的差异l空间分辨率可以看作是记录变化的最小幅度l空间分辨率示例：地图上最细线宽度对应的地理范围，遥感图像上一个像素代表的实际地理范围大小l比例尺（Scale）l地图上一个记录的距离和它所表现的“真实世界”的距离之间的比例l如这幅地图的比例尺=10cm:1000m=1:10000l比例尺是刻画数据精度的量（如最小线宽为地图的空间分辨率）真实世界真实世界矢量数据矢量数据栅格数据栅格数据1 pixel = 10mX10m 分辨率分辨率 = 10m10M

5、10M1 Pixel空间数据质量的相关概念空间数据质量的相关概念(3)l误差（Error）l描述测量值和真实值之间的差别l在大部分情况下，误差的大小是很不准确的，因为待测量的真实值往往无法得到l研究如何给出误差大小的最佳估计以及误差传播规律，是很有用的l误差的分析包括l位置误差（如点、线、多边形的位置误差）l属性误差l位置和属性误差之间的联系空间数据质量的相关概念空间数据质量的相关概念(4)l不确定性（Uncertainty）l指客观世界或实体本身就具有的变异，表现为不精确性、随机性和模糊性 l由于人对客观实体和现象认识的局限性和表达的模糊性，使原始数据本身存在不确定性，以此数据进行GIS 的

6、分析与处理，必然使分析结果也具有不确定性 GIS数据的不确定性数据的不确定性lGIS数据不确定性的产生l一方面是由于客观世界存在的固有的复杂性，不稳定性，和人们对其认识的不完备性l另一方面，在数据采集、录入、编辑、处理、分析和表述过程中出现的各种误差，包括如系统误差或随机误差带来的不确定性 lGIS数据的不确定性包括l位置的不确定性l属性的不确定性l时域的不确定性l逻辑上的不一致性l数据的不完整性GIS数据的不确定性数据的不确定性主要研究内容主要研究内容部分主要研究方法部分主要研究方法GIS数据本身不确定性研究内容位置数据的不确定性数据源的不确定性原始测量数据的不确定性（GPS、全站仪、数字测

7、图成果不确定性）数字地图获取（手扶跟踪数字化和扫描矢量化）以及遥感数据的不确定性1）经典误差理论以及在此基础上的空间统计理论2）模糊集合理论3）灰色理论方法4）熵理论5）神经网络理论等方法6）模糊仿真方法GIS中基本实体不确定性点实体的不确定性、线实体的不确定性、面实体的不确定性、体实体的不确定性数据处理、空间分析过程不确定性数据格式转换的不确定性、缓冲区分析不确定性、叠加分析不确定性其他空间分析的不确定性属性数据的不确定性属性定义的不确定性对现实世界定义不明确模糊实体关系定义不确定1）目标模型和域模型2）概率论3）证据理论4）空间统计学5）模糊集合理论6）云理论7）粗集理论数据源的不确定性实

8、体边界界定不确定性遥感数据边界提取不确定性查询分析的不确定性叠加分析的不确定性、查询过程的不确定性其他分析的不确定性时域数据的不确定性时间定义的不确定性关于时间语义表达的模糊性带来的不确定性界定事件开始与结束的不确定性逻辑不确定性属性一致性的不确定性、格式一致性的不确定性拓扑关系一致性的不确定性数据的不完整性几何数据的不完整性、属性数据的不完整性模型的不确定性模型选择的不确定性、模型参数的不确定性模型不确定性的传播与累加1）总体平均可靠性评价方法2）蒙特卡罗模拟不确定复合叠加属性数据不确定性对位置数据不确定的影响时间变更对属性数据不确定性的影响时间变更对位置数据不确定性的影响位置与属性数据不确

9、定性叠加时空不确定性叠加缺陷率统计方法GIS数据的不确定性数据的不确定性主要研究内容主要研究内容部分主要研究方法部分主要研究方法不确定性建模分析与表达不确定性建模数据不确定值的数据模型建立科学计算可视化方法GIS可视化方法数据不确定性可视化表达数据的不确定性的显示与表达数据的不确定性可视化结果分析数据产品的不确定性评价电子地图电子地图不确定性评价不确定性的叠加与传播4D产品DLG、DEM、DRG、DOQ产品的不确定性评价GIS工程不确定性评价与控制GIS组件最优（不确定性最小）分割GIS组件不确定性预测与评价GIS组件间不确定性的叠加与传播GIS组件最优分割模型运筹学方法GIS工程不确定性估计

10、与控制GIS工程不确定性预测与评价GIS工程不确定性的控制方法与策略建立预测模型软件工程方法、项目管理方法空间数据质量问题的来源空间数据质量问题的来源l空间现象自身存在的不稳定性l空间上的不确定性：空间现象在空间位置分布上的不确定性变化l时间上的不确定性：空间现象在发生时间段上的游移性l属性上的不确定性：属性类型划分的多样性，非数值型属性值表达的不精确性l空间现象的表达l测量误差、地图投影、数值采样和量化等l空间数据处理中的误差l投影转换l地图数字化与扫描矢量化l格式转换l数据抽象l空间分析l可视化表达l数据处理过程中误差的传递和扩散 空间数据使用中的误差来源空间数据使用中的误差来源l主要包括

11、两个方面：对数据的解释过程、缺少文档 数据处理过程数据处理过程误差来源误差来源数据搜集野外测量误差：仪器误差、记录误差遥感数据误差：辐射和几何纠正误差、信息提取误差地图数据误差：原始数据误差、坐标转换、制图综合及印刷数据输入数字化误差：仪器误差、操作误差不同系统格式转换误差：栅格-矢量转换、三角网-等值线转换数据存储数值精度不够空间精度不够：每个格网点太大、地图最小制图单元太大数据处理分类间隔不合理多层数据叠合引起的误差传播：插值误差、多源数据综合分析误差比例尺太小引起的误差数据输出输出设备不精确引起的误差输出的媒介不稳定造成的误差数据使用对数据所包含的信息的误解对数据信息使用不当空间数据误差

12、的类型空间数据误差的类型l主要类型l几何误差l属性误差l时间误差l逻辑误差l逻辑误差和几何误差为GIS特有逻辑误差逻辑误差l语义角度判断数据的合理性几何误差几何误差l几何误差的含义l空间数据表达的位置信息误差l在二维平面上主要反映在点误差和线误差上l分类l点误差：测量位置与真实位置的差异 x = x x0 y = y y0l线误差l线误差分布可以用Epsilon模型（等宽）或者误差带模型（不等宽）描述折线误差的分布（误差带模型）曲线的误差分布（误差带模型）其他数据质量问题其他数据质量问题l地图数据的质量问题l地图固有误差：控制点误差、投影误差等 l地图材料变形：由于图纸的大小受湿度和温度变化的

13、影响而产生l地图扫描及数字化误差l遥感数据的质量问题l遥感仪器观测过程误差l表现为空间分辨率、光谱分辨率、几何畸变以及辐射误差等l图像处理和解译过程误差l校正匹配、解译判读、分类等l测量数据的质量问题l选定的大地坐标系及投影l环境影响l测量仪器精度l操作误差、偶然误差等空间数据质量的控制空间数据质量的控制l通过采用科学的方法，制定出空间数据的生产技术规程，并采取 一系列切实有效的方法在空间数据的生产过程中，针对空间数据质量的关键性问题予以精度控制和错误改正，以保证空间数据的质量l应从数据质量产生和扩散的所有过程和环节入手，分别用一定的方法减少误差l常见的数据质量空间方法有：l传统的手工方法l与

14、原始地图或者属性数据比较；l元数据方法l阅读元数据了解数据质量的信息；l地理相关法l利用空间数据描述的地理特征要素自身的相关性空间数据的元数据空间数据的元数据l元数据（Metadata）l是描述数据的数据l是关于数据的描述性数据信息，尽可能多的反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用l如数据的内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息l目的就是促进数据集的高效利用、共享 l不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差异l元数据的内容l对数据集的描述：数据项、数据来源、数据所有者及数据历史 l数据质量的描述：数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率 l数据处理

15、信息的说明l数据转换方法的描述l数据更新、集成等说明l空间元数据的作用l帮助数据生产者管理和维护空间数据l便于数据用户查询检索地理空间数据l帮助用户了解数据，以便就数据是否能够满足其需求做出这功能的判断l提供有关信息，以便用户或者GIS软件进行数据的处理和转换l元数据成为数据共享和有效使用的重要工具空间数据元数据内容及示例空间数据元数据内容及示例。数据生产者数据生产时间数据质量数据组织空间参照系数据内容以及其他属性。FGDC空间元数据标准空间元数据标准lFGDCl美国联邦地理数据委员会（Federal Geographic Data Committee）lCSDGMl数字化地理空间元数据内容标

16、准（Content Standard for Digital Geospatial Metadata）l基本情况l在1993年首先发布，现在已经成为了世界范围内其它标准的基础l作为一个内容标准，CSDGM描述了元数据档案中需要包括的条目l但是没有准确给出它们的具体格式和组织方式l这使得开发者可以根据自己的软件环境实现该标准l但是需要保证其实现能够被另外一个软件实现所理解软件实现必须是可以互操作的 FGDC元数据元数据CSDGM的主要内容的主要内容l标识信息标识信息关于数据集的基本信息l数据质量信息数据质量信息对数据集质量的总体评估l空间数据组织信息空间数据组织信息在数据集中用于表达空间信息的机制l