史文中，陳鵬飛，張效康

1. 香港理工大學武漢大學空間信息聯(lián)合實驗室，香港； 2. 武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079； 3. 香港理工大學土地測量與地理資訊學系，香港

地理國情監(jiān)測可靠性分析

史文中1,3，陳鵬飛2，張效康2

1. 香港理工大學武漢大學空間信息聯(lián)合實驗室，香港； 2. 武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079； 3. 香港理工大學土地測量與地理資訊學系，香港

可靠性是地理國情監(jiān)測最重要的理論問題之一。本文依據空間數據可靠性基礎理論，研究地理國情監(jiān)測可靠性。回顧與分析了可靠性理論，定義了地理國情監(jiān)測數據可靠性的范疇；提出了地理國情監(jiān)測可靠性研究框架以及相應的可靠性評估內容、指標以及流程；介紹了理論成果應用于第一次全國地理國情普查數據成果總體可靠性評估；最后展望了地理空間數據可靠性的未來發(fā)展方向。

地理國情監(jiān)測；可靠性分析；可靠性指標體系

國情是指某一個國家某個時期的基本情況，是制定與實施國家發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃的重要依據。地理國情以地理信息為載體，從地理的角度對自然環(huán)境、人文地理要素和社會經濟的基本情況進行綜合表達，是基本國情的重要組成部分[1-2]。地理國情監(jiān)測是利用現(xiàn)代測繪地理信息技術，對自然、人文和社會經濟等要素動態(tài)變化的監(jiān)測，是科學、及時掌握地理國情信息，提供權威、準確的地理信息服務的重要手段[3]。為全面掌握地理國情現(xiàn)狀，建立常態(tài)化地理國情監(jiān)測的基礎，國家測繪地理信息部門已在2016年完成了第一次全國地理國情普查[4]。

地理國情信息是國家職能部門制定戰(zhàn)略做出決策的重要依據，可靠的地理國情信息是做出科學決策的保障；相反，不可靠的地理國情信息可能造成決策失誤，給國家造成損失[5-6]。為準確地把握地理國情監(jiān)測結果的可靠程度，迫切需要研究地理國情動態(tài)監(jiān)測的可靠性分析理論方法與實用技術。

可靠性的概念源于對產品可靠性的描述，由美國國防部電子設備可靠性咨詢組(AGREE)在1957年首先提出，指的是產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的能力[7]。自從可靠性概念提出以來，可靠性理論得到發(fā)展，已滲透各學科領域，例如航空航天、電子設備、機械元件、車輛產品、電力系統(tǒng)、軟件和網絡等[8-9]。

地理空間可靠性理論是對空間不確定性理論[10-11]的拓展?？煽啃岳碚搹娬{在數據、模型及方法層面的可靠性度量與控制，最終提高成果的可靠程度。在測繪地理信息領域，文獻[12]拓展了誤差理論和測量平差過程理論，提出可靠性的概念。文獻[13]開拓了攝影測量學中的可靠性理論。文獻[14]探討了可靠性空間分析理論，提出了空間數據可靠性定量描述指標。針對地表覆蓋數據提出了可靠性評估方法，用于大范圍地表覆蓋數據可靠性驗證[15]。文獻[15]探討了可靠性地理國情動態(tài)監(jiān)測相關理論和技術，提出了地理國情動態(tài)監(jiān)測可靠性分析理論，通過動態(tài)監(jiān)測可靠性分析，對監(jiān)測過程和監(jiān)測結果的可靠性進行評價，為決策提供可靠的地理國情信息。在影像變化檢測領域，文獻[16]研究了變化檢測的可靠性評價指標，提出一種基于可靠性加權的多方法融合技術。在遙感影像分類領域，文獻[17]系統(tǒng)研究了遙感數據分類過程中各個環(huán)節(jié)的可靠性提升方法，分析了不確定性對分類結果精度的影響，提出了遙感數據的可靠性分類方法。

地表覆蓋數據與重要國情要素的可靠性研究是地理國情監(jiān)測可靠性分析中的重點。目前針對地表覆蓋的相關研究主要集中在其精度評價與不確定性分析上。文獻[18]總結了針對地表覆蓋的精度評價的常用方法和應用背景，指出了基于混淆矩陣的地表覆蓋數據分類精度評價的所存在的問題。文獻[19]對基于遙感影像的4個全球性地表覆蓋制圖項目進行了不確定性分析，指出地表覆蓋的分類系統(tǒng)和精度驗證方法是影響不確定性的最主要因素。文獻[20]利用支持向量機的方法對土地利用和地表覆蓋(LULC)數據進行分類，并闡述了特征選擇對于分類精度的影響。文獻[21]利用回歸分析和方差分析的手段對LULC變化的全球性預測進行了不確定性分析，指出了LULC變化的不確定性具有區(qū)域性，并與特定地物種類有關，同時指出生物活動密集的區(qū)域邊界是不確定性出現(xiàn)的熱點位置。文獻[22]對利用OpenStreetMap(OSM)數據進行快速LULC制圖的不確定性進行了研究，針對遙感影像中的噪聲和OSM數據中屬性誤差和位置誤差提出了相應的解決方案。文獻[23]利用影像幾何與輻射重建、異質異構服務化集成、對象化分層分類、知識化檢核處理等技術方法，將全球30 m分辨率地表覆蓋遙感制圖的空間分辨率提高了一個數量級。雖然已經出現(xiàn)了較多關于地表覆蓋數據的精度評價模型和不確定分析方法，但仍缺少完整的、針對地理國情監(jiān)測項目的可靠性評估模型。

地理國情監(jiān)測可靠性分析旨在解決地理國情監(jiān)測過程與監(jiān)測成果中的可靠性問題。針對地理國情監(jiān)測的復雜性、時空動態(tài)性等特點，系統(tǒng)研究地理國情監(jiān)測過程和監(jiān)測成果的可靠性度量、描述與控制方法，包括地理國情監(jiān)測過程和監(jiān)測數據成果可靠性基礎理論與方法、地理國情監(jiān)測成果數據可靠性綜合評估方法、地理國情監(jiān)測過程可靠性建模與控制等。地理國情監(jiān)測可靠性理論研究將為實現(xiàn)可靠的國情決策提供理論和技術支撐。

1 地理國情監(jiān)測可靠性分析的研究對象、內容與關鍵問題

1.1 研究對象

1.1.1 地理國情監(jiān)測數據成果

空間數據可靠性是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內空間數據表達的內容(包括位置、屬性和時間等)與現(xiàn)實世界真實情況的吻合程度。由于對于現(xiàn)實世界認知存在不確定性，實際應用中通常無法獲取絕對的現(xiàn)實世界的真值,通常以參考值取而代之。因此，在實際操作中需根據特定應用，分析應用所限定的范疇，評價描述數據與該應用范疇參考值的吻合程度。根據上述分析，地理國情監(jiān)測數據的可靠性可以定義為，在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，監(jiān)測數據與地理國情監(jiān)測應用范疇真實情況(或參考數據表述情況)的吻合程度。

1.1.2 地理國情監(jiān)測過程

在質量管理中，過程被定義為將輸入轉換成預期輸出的一系列活動[24]。相應的，地理國情監(jiān)測過程可以定義為將地理國情監(jiān)測中的觀測數據轉換為最終成果的一系列數據分析與處理的活動。地理國情監(jiān)測過程可靠性的研究關注地理國情監(jiān)測過程中的可靠性因素，通過分析監(jiān)測過程各環(huán)節(jié)中存在的不確定性問題以及各環(huán)節(jié)間的相互關系，找出可靠性相對較低的環(huán)節(jié)并對其進行可靠性控制，從而實現(xiàn)國情監(jiān)測成果整體高可靠性。

1.2 研究內容

地理國情監(jiān)測可靠性的研究是對傳統(tǒng)空間數據不確定性分析以及可靠性理論的擴展，從分析監(jiān)測數據以及監(jiān)測過程中的可靠性影響因子以及可靠性傳播過程入手，建立有效的可靠性評估機制和可靠性控制方法。研究成果將為監(jiān)測項目設計、數據采集和生產實施技術的確定以及基于監(jiān)測成果的國情決策提供依據。

地理國情監(jiān)測可靠性分析的研究主要包含4個方面：

(1) 地理國情監(jiān)測可靠性因素分析。深入研究地理國情監(jiān)測的業(yè)務流程，分析對客觀世界表達、認知過程中以及在地理國情監(jiān)測數據獲取、處理過程中影響可靠性的因素，研究可靠性因素的表達方式。

(2) 地理國情監(jiān)測數據成果可靠性指標與評估模型。結合空間數據可靠性理論，分析可靠性因素之間的關系，構建針對監(jiān)測數據成果的特點和應用的可靠性指標，建立定量化評估地理國情監(jiān)測成果可靠性的評估模型和評估方法。

(3) 地理國情監(jiān)測過程可靠性傳播與建模。分析各個可靠性因素對于監(jiān)測過程以及監(jiān)測成果可靠性的影響，構建過程可靠性傳播模型，為實現(xiàn)監(jiān)測過程的可靠性評估與控制提供基礎理論與方法。

(4) 地理國情監(jiān)測過程可靠性控制。在監(jiān)測可靠性傳播機制研究的基礎上，發(fā)現(xiàn)可靠性低的環(huán)節(jié)，提出改進監(jiān)測數據處理過程中不確定性的方法，建立地理國情監(jiān)測過程可靠性控制模型，實現(xiàn)對數據處理過程可靠性的提高。

1.3 關鍵問題

1.3.1 動態(tài)信息的可靠性評估

地理國情監(jiān)測的可靠性研究需要著重關注監(jiān)測數據的動態(tài)性特征。根據現(xiàn)有資料，按照一年更新一次計算，國情監(jiān)測的變化數據將會以15%的速度增長[25]。為保證對更新后的國情監(jiān)測數據可靠性進行快速、全面的評估，需針對動態(tài)監(jiān)測中的變化數據建立局部、快速的可靠性評估機制，探索變化數據可靠性信息與原監(jiān)測數據可靠性信息的綜合方法，降低常態(tài)化可靠性評估的時間、人工成本，獲得與變化數據更新時刻相一致的可靠性評估結果；同時，需要加強研究地理國情監(jiān)測數據的時間邏輯關系，為變化數據的可靠性控制理論與方法提供基礎。

1.3.2 復雜環(huán)境下的可靠性度量

地理國情監(jiān)測涉及來自多個部門和行業(yè)的多源、多專題數據，不僅包含海量的空間數據，還存在大量的非空間數據，不僅增加了可靠性因素分析的難度，也導致了大量的非結構化、定性、模糊的不確定性問題，使得地理國情監(jiān)測的可靠性研究具有更大的復雜性。傳統(tǒng)的空間數據不確定性分析與可靠性理論已經無法滿足地理國情監(jiān)測中對于復雜、海量、多元空間與非空間數據的可靠性度量。因此，分析復雜生產環(huán)境背景下的監(jiān)測數據可靠性因素，研究空間與非空間、結構化與非結構化數據的相似性和相互關系，解決非空間數據與非結構化數據的可靠性描述與度量方法，是地理國情監(jiān)測可靠性研究的重要問題之一。

1.3.3 統(tǒng)計分析結果的可靠性

地理國情信息的統(tǒng)計分析是地理國情監(jiān)測的重要成果之一。統(tǒng)計分析成果的可靠性受到了包括分類系統(tǒng)、采集指標、解譯方法以及空間統(tǒng)計分析方法(如地統(tǒng)計分析、空間聚類、空間關聯(lián)分析)等一系列因素的影響。研究數據生產規(guī)定、影像解譯、統(tǒng)計模型、分析方法中存在的不確定性問題，對統(tǒng)計分析中的可靠性傳播過程進行建模，是有效提高統(tǒng)計分析成果可靠性的關鍵。

1.3.4 可靠性分析尺度

可靠性分析尺度是地理國情監(jiān)測可靠性研究的重點。從空間上看，監(jiān)測可靠性分析的對象可以是某一特定地理單元(如縣、市、省級行政區(qū))；從地物分類上看，僅基礎性地理國情監(jiān)測的內容便達到了10個一級類、59個二級類以及143個三級類，可靠性分析的對象既可以是其中某一特定類型或多個類型的綜合。隨著可靠性分析尺度的變化，可靠性分析的結果會呈現(xiàn)不同的統(tǒng)計特征和分布特征。在具體的可靠性分析應用中，需根據應用的具體要求選擇適宜的分析尺度，從而保證可靠性分析結果的準確性和科學性。

1.3.5 綜合決策問題

提高綜合決策的可靠程度是地理國情監(jiān)測可靠性分析研究的主要目的之一。傳統(tǒng)測繪業(yè)務的決策問題通常面向單一應用范疇，但由于地理國情監(jiān)測的復雜性和綜合性，其決策問題涉及多個不同應用范疇。開展地理國情監(jiān)測可靠性分析需要充分考慮具體決策問題當中所涉及的多應用范疇的特點，設計具有綜合性、整體性的可靠性分析模型，分析決策過程中決策信息、知識、目標的可靠性問題，為決策者提供宏觀的可靠性分析結果、評估參考和數據支持。

2 地理國情監(jiān)測可靠性分析方法

2.1 數據結果可靠性評估

根據地理國情監(jiān)測數據可靠性的定義，其可靠性指標須針對具體的應用需求進行設計。然而大多數情況下，空間數據可靠性評估時中不會明確限定空間數據的有限應用，這就給地理國情監(jiān)測數據可靠性指標的設置帶來了困難。如何全面描述地理國情監(jiān)測數據當前面對以及在將來可能的應用過程中可能出現(xiàn)的可靠性問題，是構建合理的空間數據可靠性指標的難點之一。

如圖1所示，地理國情監(jiān)測可靠性評估流程可以分為3個步驟：數據應用功能分析、可靠性指標構建、整體可靠性評估。

圖1 地理國情監(jiān)測數據結果可靠性評估流程Fig.1 Reliability evaluation process for resultant data of geographical conditions monitoring

(1) 數據應用功能分析：通過分析地理國情監(jiān)測的主要目標和其數據本身的結構、內容與類型，推導出其可能的應用場景，從而得出地理國情監(jiān)測數據的主要應用功能。在常態(tài)化地理國情監(jiān)測的背景下，地理國情監(jiān)測成果數據的基本功能可以分為兩個部分，一是掌握國情要素的分布現(xiàn)狀及變化，二是開展地理國情統(tǒng)計分析。此外，根據地理國情監(jiān)測的設計思路，地理國情監(jiān)測數據將作為基礎數據，并輔以其他綜合性統(tǒng)計或其他行業(yè)的數據，提供準確的國情要素分布、完整的統(tǒng)計數據以及適用性強的數據底圖是地理國情監(jiān)測數據目前階段主要的3類功能。

(2) 可靠性指標構建：根據地理國情監(jiān)測數據的上述3類主要功能，結合可靠性空間分析理論的相關研究[14]，構建地理國情監(jiān)測數據可靠性評估指標體系。具體包括：現(xiàn)勢性、魯棒性、準確性、一致性、完整性、適用性?，F(xiàn)勢性反映地理國情監(jiān)測數據與評價時刻指定現(xiàn)實世界狀況的吻合程度；魯棒性指地理國情監(jiān)測數據在生產過程中，能夠持續(xù)保持表達指定現(xiàn)實世界狀況的能力；準確性指地理國情監(jiān)測數據的屬性記錄、幾何位置反映的指定現(xiàn)實世界狀況的準確程度；一致性指地理國情監(jiān)測數據的分類與指定現(xiàn)實世界狀況的一致程度；完整性指地理國情監(jiān)測數據在實體位置、實體屬性、空間數據關系上與指定現(xiàn)實世界狀況相比的符合與缺失的情況；適用性指依據當前設計指標生產的地理國情監(jiān)測數據描述的空間信息與現(xiàn)實世界狀況的符合程度。

(3) 整體可靠性評估：地理國情監(jiān)測數據可靠性評估的最終結果是一個綜合指數。在理論上，地理國情監(jiān)測數據每個潛在功能的評價指標都是其可靠性綜合指數的組成成分之一，但由于各個功能的重要程度不同，在實際的綜合計算過程中，需要選擇需求較為明顯的應用功能，并根據評估目的確定各個應用功能的重要性，對各個指標賦予相應的權重。最終通過加權方式獲得待評估數據的可靠性綜合指數。

2.2 過程可靠性評估與控制

地理國情監(jiān)測是一個復雜的系統(tǒng)過程，包含大量的不確定性因素，這些因素在生產過程中不斷傳遞與累積，最終影響監(jiān)測結果的整體可靠性。地理國情監(jiān)測過程可靠性的影響因素(見圖2)主要包括：①遙感影像的類型、分辨率、預處理精度等；②各類基礎測繪地理信息成果的準確性與完整性；③人工目視解譯水平；④目標提取、分類、變化檢測算法的可靠性；⑤外業(yè)核查的準確性。

圖2 數據處理過程可靠性影響因素分析Fig.2 Analysis of influential factors of data processing reliability

通過分析地理國情監(jiān)測數據處理過程，以及處理過程中的可靠性影響因素及其相互關系，研究了數據處理過程中的可靠性傳播模型，如圖2所示。本文利用改進的故障樹分析方法，針對上述過程可靠性指標，建立監(jiān)測過程可靠性推理模型，描述和分析具有隨機性及關聯(lián)性的事件序列，確定事件之間的邏輯關系。通過對影響可靠性的各種因素進行逐層分析，推導出監(jiān)測過程的可靠性傳播規(guī)律。該模型對參考數據的依賴較低，為地理國情監(jiān)測可靠性評估提出了一種新的解決途徑。在此基礎之上，可利用模糊數學理論與方法對生產過程中可靠性影響因子的重要度進行度量，建立適用于地理國情監(jiān)測的過程可靠性控制方法，為改進設計方案與過程控制通過依據，從而降低數據處理過程中不確定性的影響，最終達到提升數據結果可靠性的目的，具體流程如圖3所示。

2.3 地理國情普查數據可靠性評估應用

所提出的地理國情監(jiān)測數據可靠性評估方法已應用于第一次全國地理國情普查數據成果總體評估中。通過對普查數據生產環(huán)境以及數據生產過程相關特征的分析，系統(tǒng)研究造成普查成果數據與真實地表產生差異的各種因素，計算各個因素對數據成果的影響程度，經賦予相應的權重，最終統(tǒng)計獲得普查數據相對應所反映真實地表情況的可靠性。所提出可靠性理論在全國地理國情普查成果總體評估中的運用，解決了這一國家工程成果可靠性評估的需求，為國家掌握第一次地理國情普查數據成果的可靠程度提供了依據。通過將普查數據整體質量評估結果與普查數據可靠性評估結果相互比較，更印證了普查成果質量的可靠程度。該應用為下一步常態(tài)化地理國情監(jiān)測中的數據可靠性評估奠定了基礎，推動了地理國情監(jiān)測可靠性理論研究的應用實踐。

圖3 地理國情監(jiān)測過程可靠性控制思想Fig.3 Concept of reliability control in geographical conditions monitoring process

3 展 望

根據對地理國情普查與監(jiān)測可靠性理論研究及應用實踐，結合地理空間大數據研究現(xiàn)狀，提出以下幾個可靠性有關的發(fā)展方向供本領域研究人員參考：

3.1 地理國情監(jiān)測可靠性相關標準的建立

地理國情監(jiān)測可靠性相關技術標準是開展規(guī)范、持續(xù)國情監(jiān)測的可靠性評估，實施可靠性控制的重要保障。然而目前尚無正式的國家標準對空間數據及地理國情監(jiān)測可靠性評估的內容進行規(guī)范化約束。開展與地理國情監(jiān)測基礎建設和服務相關的可靠性評估內容、評估指標、量化方式以及抽樣方法的研究，提出地理國情監(jiān)測可靠性評估的相關規(guī)定，形成科學、完善的可靠性地理國情監(jiān)測標準，這對于長期保障地理國情監(jiān)測成果的權威性具有重要意義。

3.2 可靠性變化檢測方法

發(fā)展可靠的遙感變化檢測技術，是提高地理國情監(jiān)測成果可靠性的重要途徑之一。在地理國情監(jiān)測中，數據源包括成像機理、特性各不相同的衛(wèi)星遙感光學影像、SAR影像等數據，目前針對此類多源數據的變化檢測算法還尚不成熟，遠不能滿足地理國情監(jiān)測的實際需求。需深入研究多源數據特征，研究適用于高時空分辨率影像的可靠的變化檢測方法，降低不同數據源及大氣等環(huán)境因素的影響，從而提高變化檢測方法的可靠性和實用性。

3.3 大數據的可靠性研究

常態(tài)化地理國情監(jiān)測將促進地理國情監(jiān)測的先進技術與大數據的相互融合，推動相關地理大數據產業(yè)的發(fā)展。地理大數據所具有的大量、多源、非結構化、多尺度的特點，導致了大量的不確定性問題，是地理大數據進行有效應用的主要瓶頸之一。目前對于地理大數據領域可靠性研究還處于起步階段。以地理國情監(jiān)測可靠性理論與方法為基礎，開展針對地理大數據數據可靠性研究，加速地理大數據廣泛與可靠的應用。

3.4 可靠性全球測圖與地理信息服務

隨著數據采集、管理、訪問、分析的技術的不斷進步，全球測圖及地理信息服務將推動測繪地理信息技術與理論發(fā)展。可靠性分析技術已經在局部區(qū)域空間數據以及空間數據分析中得到了研究與應用，但針對全球地理信息的可靠性，仍然缺少對應的理論與方法。擴展傳統(tǒng)的可靠性理論，實現(xiàn)全球地理信息處理過程中的可靠性控制，有利建立可靠的全球地理信息網絡，是提供可靠性全球地理信息服務的關鍵之一。

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ZHANG Jixian，GU Haiyan，LU Xuejun，et al.Research Framework of Geographical Conditions and Big Data[J].Journal of Remote Sensing，2016，20(5)：1017-1026.

(責任編輯：宋啟凡)

Reliability Analysis in Geographical Conditions Monitoring

SHI Wenzhong1,3,CHEN Pengfei2,ZHANG Xiaokang2

1. Joint Research Laboratory on Spatial Information, The Hong Kong Polytechnic University and Wuhan University,Hong Kong,China; 2. School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079,China; 3. Department of Land Surveying and Geo-Informatics, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong,China

Reliability is one of the most important theoretical problems in geographical conditions monitoring. In this paper, it presented that the research on the reliability of geographical conditions monitoring was based on the theory of spatial data reliability. First, it reviewed and analyzed the theory of spatial data reliability. The scope of reliability of geographical conditions monitoring data is defined. Secondly, it proposed the framework of the reliability evaluation of the monitoring data, and it identified the contents, indicators, and process of the reliability evaluation correspondingly. Then, it introduced the application of the above theoretical results on overall reliability evaluation of the resultant data from the First National Geographical Survey. Finally, some prospects for future research on the reliability of geospatial data were given.

geographical conditions monitoring； reliability analysis； reliability index system

The Key Program of National Natural Science Foundation of China (No. 41331175)；The Special Fund for Technological Leading Talents of the National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation

SHI Wenzhong(1963—), male, professor of the Yangtze River Scholar, majors in GIS and remote sensing, uncertainty theory.

史文中，陳鵬飛，張效康.地理國情監(jiān)測可靠性分析[J].測繪學報，2017,46(10)：1620-1626.

10.11947/j.AGCS.2017.20170377.

SHI Wenzhong,CHEN Pengfei,ZHANG Xiaokang.Reliability Analysis in Geographical Conditions Monitoring[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1620-1626. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170377.

P208

A

1001-1595(2017)10-1620-07

國家自然科學基金重點項目(41331175)；國家測繪地理信息局科技領軍人才科技資助專項基金

2017-07-03

修回日期： 2017-08-02

史文中(1963—)，男，長江學者講座教授，研究方向為地理信息系統(tǒng)與遙感、不確定性理論。

E-mail： lswshi@polyu.edu.hk