浅谈地图扫描数字化的误差分析及质量控制

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摘要：对地图扫描数字化的作业特点和误差来源进行了分析、比较，对扫描数字化空间数据的误差性质和精度进行了探讨，并用几幅1∶500的地籍图进行扫描数字化试验，对其中明显地物点的扫描数字化误差进行了统计检验。

关键词：GIS；扫描数字化；误差分析

一、扫描数字化的误差来源

GIS的数据质量取决于定位精度、属性精度、逻辑一致性、完整性等，本文仅讨论定位精度。影响定位精度的主要因素是原图误差以及数字化过程中引入的误差。

1、原图误差。原图误差包含外业测图的误差、制图整饰综合误差、图纸变形误差等。扫描数字化与手扶跟踪数字化具有相同的此类误差。

2、仪器误差。地图扫描数字化时使用的扫描仪大部分为以CCD为核心或以PMT为核心的扫描仪，扫描时在光学成像部分、机械传动部分、转换电路部分都会产生一定的误差。采用较高分辨率的扫描仪以及扫描时尽量使原图保持平直可以减弱此项误差。手扶跟踪数字化的仪器误差主要取决于数字化仪的分辨率，实际作业时可以根据实际需要选择合适分辨率的数字化仪进行数字化。

3、操作误差。手扶跟踪数字化误差受操作者的经验和技能的影响较大，操作者在数字化的过程中产生的误差是数字化误差的主要部分。目前受到影像自动识别技术的限制，扫描全自动矢量化还不成熟，大部分采用半自动矢量化方式，需要人机交互处理，在断线、噪声等处进行人工干预，这种半自动交互矢量化作业方式，在形式上与手扶跟踪数字化作业方式似乎没有什么本质区别，但大部分时间作业员只是起引导作用，跟踪还是由软件自动完成，因此操作误差比手扶跟踪数字化误差还是大大减小了。

4、软件误差。在相当长的一段时间里，实现扫描矢量化的技术逐渐形成了一种以细化、曲线跟踪拟合为核心的技术，这种技术的弊病表现为抗干扰性差，产生的识别畸变直接影响到最终结果，因此算法的抗干扰性就成为一个基本要求，据此提出了各种矢量化方法，但都没有重大突破，最终将导致由软件产生的误差。手扶跟踪数字化则不存在类似的软件误差。在手扶跟踪数字化图板作业结束后可以进行后处理，主要是进行矢量图的纠正，通过纠正可以消除一部分系统误差，如图纸误差及仪器误差。扫描数字化时，在扫描得到光栅图后应对光栅图进行纠正，通过纠正可消除部分系统性图纸误差及仪器误差。手扶跟踪数字化最后的成图误差构成，主要是：矢量图纠正后的剩余误差与偶然操作误差。扫描数字化最后的成图误差构成是：光栅图纠正后的剩余误差与偶然操作误差及软件误差，其中偶然操作误差较手扶跟踪数字化小，软件误差为系统误差。

二、扫描数字化误差分析试验

1、测试过程简介。试验中所使用的扫描仪分辨率为800dpi，256级灰度，标准精度为0.1%。将全野外解析数字化测图测得的地籍图用绘图仪绘于聚酯薄膜上用于扫描，图纸比例尺为1∶500，图幅规格为40cm×50cm。

由于薄膜图纸存在误差，在扫描仪扫描过程中会产生误差，扫描所得到的图形存在旋转和扭曲，该图形不能直接用于矢量化，必须经过纠正处理。本试验采用正射变换选择4个图廓点进行纠正，将纠正后的图形用于矢量化。在矢量化之前须对矢量化的参数进行设置，包括光栅线宽的最大值，跟踪时可跳过的影像断裂缝隙，跟踪采样的步距，直角化处理参数等。根据不同的地形、地物可设置不同的矢量化参数，但因地图中相同地形、地物的线条变化情况相近，如房子大多为矩形状，河流多为曲线状，为了较真实地分析矢量化误差，在参数设置时经过多次试验，选择一组最能贴近实际情况的参数，且房子都不作直角化处理。在本次试验中，选择7幅图的房角点坐标进行分析，每一幅图的房角点坐标作为一个子样。

2、均值与中误差。设子样的样本数为n，房角点在原数字化图中的坐标为（Xi，Yi）（i=1，2，…，n），经扫描矢量化后的坐标为（xi，yi）（i=1，2，…，n），将原数字化坐标与扫描矢量化坐标之差（xi，yi）作为真误差进行分析。按式（1）计算子样均值 ， ，中误差 x， y以及协方差 xy，其值如表1。

从表中中误差的数据可以看出扫描数字化的误差在7cm以内，此结果表明扫描数字化与手工数字化的精度基本一致。

3、均值检验。为了检验数字化过程中系统误差的影响，对上述x，y坐标误差的均值进行假设检验。采用非正态总体均值检验，设总体Z的分布函数为F（Z），总体均值为 ，标准差为S，构造检验统计量： （2）

当n充分大时，任意总体Z的样本均值近似服从N（0，1）。检验原假设H0∶E（Z）=0；备选假设H1∶E（Z）≠0。在给定显著水平α下，当H0为真，且n充分大时，有： （3）

若： （4），则在显著水平α下拒绝H0，反之接受。

用子样均值 代替 ，用子样中误差 x， y代替S，分别计算x坐标误差，y坐标误差的统计量 ，取显著水平α为0.01，对应的分位值U0.995=2.576，计算结果如表2。

从表中结果看，计算的所有统计量均大于分位值，说明其均值不为0，即扫描数字化过程存在系统误差，系统误差由光栅图纠正后的剩余误差、矢量化软件误差等构成。

三、结语

扫描数字化与手扶跟踪数字化相比，前者在作业的劳动强度、受操作者的影响程度以及成果的可靠性等方面都有较大的优势。用这两种方法获得的数据误差来源、误差性质都不一样，分析表明：对1∶500的地图，扫描数字化数据的精度与手扶跟踪数字化数据的精度基本一致，但其误差并不服从正态分布，更多地表现出系统性，本文的分析对减弱系统误差，以及在减弱系统误差影响的基础上进一步探讨扫描数字化数据的误差分布和精度具有一定的意义。

参考文献：

[1] 赵俊兰，冯仲科. 地图扫描矢量化空间数据误差校正与精度分析的研究[J]. 矿山测量. 2012（04）

[2] 孟亚宾，李淼. 扫描数字化地图数据的误差分析及控制[J]. 测绘与空间地理信息. 2009（03）