基于语义映射的CAD数据到GIS数据转换方法的探讨

欧立业 刘文军

（江西省测绘应急保障服务中心江西南昌 330046）

基于语义映射的CAD数据到GIS数据转换方法的探讨

欧立业 刘文军

（江西省测绘应急保障服务中心江西南昌 330046）

大比例尺基础地理信息数据库建设是“数字城市”地理空间框架项目中重要的建设内容，本文以数字抚州为例，分析1∶500CAD数据与GIS数据之间存在的差异和内在联系，尝试将语义映射和空间操作结合在一起，设计出CAD数据到GIS数据的映射关系，实现了CAD数据到GIS数据之间的快速转换，并取得了良好的效果。

数字城市；语义；映射；数据转换

0 引言

随着地理信息产业的快速发展，各个部门对数据的需求越来越多。在实际生产当中，常常会因为经费、技术或外部环境等因素的影响，而采用不同的软件进行数据的采集和处理，来满足本部门内部的需要。随着时间的推移，越来越多的异构格式的数据也随之产生。当不同的业务部门需要应用这些数据的时，由于数据的格式差异和宿主软件的不同，造成利用这些数据的困难。为此，不同格式数据之间的相互转换，已成为国内众多学者研究的重点［1-4］。笔者通过分析和总结已有的研究成果，得出以下几点的不足：一是数据由一种格式转换为另一种格式的过程中，会造成数据属性信息和拓扑关系的丢失。由于CAD格式数据主要是侧重图形的表现形式，用颜色、线型、线宽、符号等来表达空间对象，但是在空间对象和属性数据之间的拓扑关系方面则没有详述；与此相反，GIS格式数据对空间对象的拓扑关系有严格的要求，但是在空间对象实体的图形表达方面较欠缺。因此，CAD格式数据转换为GIS数据时会丢失颜色、线型等信息；GIS数据转换为CAD格式数据时，会出现拓扑关系和属性数据的损失的现象。二是数据转换的过程比较复杂，一般情况下需要把数据文件输出公开的交换格式数据，然后再将公开交换数据转换为目的格式数据。这种方式在数据量较大，数据更新较快的时候，就很难保证不同系统之间数据的一致性。本文从CAD数据向GIS数据转换存在的问题出发，利用语义映射的思想，将其与空间操作相结合，设计了CAD数据到GIS数据的映射关系，实现了CAD数据到GIS数据之间的快速转换。

1 语义映射

按数学的概念，映射可以这样定义，即为集合间的一种对应关系，一个集合中的各元素与自己本身或另一个集合中的元素存在的一种对应规则。语义是信息的内在涵义，其意义与相关上下文环境有很大的关系。然而映射问题是以源数据为出发点，通过对其观察，目的是寻找到满足目标类定义要求的某固定的属性值，因此语义映射被定义为：在目标域内对一组源类的重新分类［5］。用M表示目标类集，M= {M1，M2，…，Mn}；N1表示源类可直接观察的属性；N2表示由源类的语义上下文推出的源类属性；R表示分类规则；W表示类之间的映射关系，那么映射问题就可以表示为：为源类Ms在目标域内找到m∈M，使得N1∧N2∧R=＞W(Ms，Mi)。以及解释为给定了源类结构，在目标类结构的前提下对其进行分类映射，该映射过程是由源类结构和目标类结构双方的语义特征决定的，源类提供了对类的观察，目标类提供了类和分类规则，就可以基于源语义环境条件来寻找满足要求的目标，最终映射到目标语义环境，如图1所示。

图1 语义映射概念图

2 基于语义映射的空间数据转换

传统的数据转换模型主要有三个特点［6］：一是支持简单地图图元；二是属性数据单独处理；三是输入数据决定输出数据。与之相对，基于语义映射的空间数据转换在数据转换的基础上，更加注重语义层次上的数据共享，该转换过程实现了对数据的重新构造，这样用户就能能够根据自己内部特定的需要，寻找并获得不同层面上的相同数据源数据，最终提供给用户使用。与传统的数据模型相对比，基于语义映射的空间数据转换的优点在于：定义了源类数据集到目标类数据集之间的相互映射关系；允许对数据的重新构造定义；使用了要素操作语言以及提供了查找复杂计算的函数。

语义映射就好比一个发动机的引擎，要借助要素操作语言，重新定义输入数据和输出数据。在实际的映射过程中，有很多不同的输入数据和输出数据，为此，该数据转换模型提供了一系列的数据模型之间定义和转换的方法，其优点在于使得数据输入端和数据输出端能够自由的转换，同时可以使用各自的独立系统和数据格式［7］。因此，用户或开发人员只需要知道输入数据的描述和输出数据的要求，就能够顺利完成转换，这种操作既方便快速，又能最大程度保证转换过程中数据质量的完整性。

3 CAD数据到GIS数据映射关系的设计

在构建CAD数据和GIS数据映射关系之前，必须制定统一的空间信息分类与编码方案、CAD数据标准以及GIS数据标准。本文以江西省抚州市1: 500CAD基础地形图到GIS数据的格式转换为例，介绍基于语义映射的CAD数据到GIS数据的转换过程和方法。

3.1 CAD数据标准

CAD地形图数据的数字化标准，一般包括分层设色标准、要素符号标准、要素编码标准、要素扩展属性项标准等。分层设色标准参照《1:500、1:1000、1: 2000地形图图式》［8］执行，将地形图中的地物要素按照图式的规定分为9大类，例如测量控制点（层名为KZD，颜色为red）；居民地（层名为JMD，颜色为magenta）。要素符号标准参照《1:500、1:1000、1:2000地形图图式》执行，分为点、线和文字注记三类符号，例如三角点（代码为131100，块名为gc113）；时令河（线型为X0）；控制点点名注记（文字高度为2.4mm，字体为HZ）。要素编码标准参照《1:500、1:1000、1: 2000地形图要素分类与代码》［9］执行，采用6位数字编码表示，前四位表示要素代码，第五位表示扩展码，最后一位表示类型码。根据CAD的数据组织结构，扩展属性（XDATA）主要存储要素代码和属性信息。例如交通及附属设施要素集中的公路要素类的扩展属性为要素代码、名称、材料和等级；地貌土质要素集中的等高线要素类的扩展属性为要素代码和高程。

3.2 GIS数据标准

在数据转换过程中面临的关键问题是GIS数据标准的制定，因为标准制定的完善与否，直接关系到了目标数据存储格式的不同，从而影响到转换后数据质量的好坏。GIS数据标准参照《l:500、l:1000、l: 2000地形图图式》执行，设定了测量控制点、居民地及其附属设施等9个要素集，每个要素集又根据其中要素的几何分类的不同，细分为若干个要素类，同时确保每个要素类的名称和CAD图层都能够一一对应。例如植被要素集（ZB_500）分为三个要素类：植被点（ZB_500_P）、植被线（ZB_500_L）、植被面（ZB_500_A）、植被注记（ZB_500_T）。

3.3 CAD数据与GIS数据映射关系

（1）点要素实体映射关系。在CAD格式的基础地形图中，点状地物分为单点对象（POINT）和块对象（BLOCK），可以将这类点要素直接映射为GIS数据集中的点层要素。当为有向点的时候，例如河流流向、高压线符号线等，其符号的旋转角度表示该点的方向，转换时应将旋转角度映射到相对应的属性表中。同时将扩展属性（XDATA）存储的点属性数据映射到GIS属性表中的相应字段。

（2）线要素实体映射关系。线状地物分为直线（LINE）和多段线（POLYLINE）。直线（如陡坎、篱笆和围墙等）直接映射为GIS数据集中的线层要素；多段线（如房屋、河流、池塘等）则映射为GIS数据集中的面层要素。同时将扩展属性（XDATA）存储的线属性数据映射到GIS属性表中的相应字段。

（3）文本注记映射关系。注记分为单文本（TEXT）和多行文本（MTEXT），可以直接将注记映射为GIS数据集中的注记层要素。

（4）地图符号映射关系。由于CAD数据和GIS数据所使用的地图符号不同，即应用的线型和符号类型不同，可以利用之前设计好的要素编码标准，实现CAD数据和GIS数据之间地图要素符号的的映射，保证了数据转换前后的一致性。

（5）其他映射关系。在CAD格式的基础地形图中，对地物的拓扑关系方面没有严格的要求，为此，本文对拓扑关系的映射关系不予考虑，至于拓扑关系的确定，要在数据转换完成之后，在GIS软件平台下进行。另外，CAD数据采用的是笛卡尔直角坐标系统，并不是地理坐标系统，因此也无法确定映射关系，这个问题也可以在数据转换完成之后，对数据进行重新投影来解决。

4 实例验证

根据以上的CAD数据与GIS数据的语义映射关系，借助FME软件平台制定好映射文件之后，就可以进行CAD格式基础地形图数据到GIS数据库格式的转换，转换前后结果如图2和图3所示。经过对比分析，发现点、线、面几何要素以及文本注记都能正确的转换到相应图层，而且保证了图形信息和属性信息的对应关系正确，得到了较好的效果。

图2 CAD原始基础地形图

图3 转换后的GeoDatabase格式地形图

5 结语

为了满足“数字城市”工程中大比例尺数据建库的需要，本文深入分析了CAD数据模型和GIS数据模型各自的特点，引入语义映射的思想，结合具体的CAD实例数据，制定了CAD数据到GIS数据的映射关系。根据以上思路，完成了抚州市1:500CAD格式的80平方公里基础地形图数据向GIS格式数据的转换。实践证明，该方法具有速度快，扩充性能好等特点。

［1］崔洪波，李井杰，贺智.城市大比例尺CAD数据到GIS数据的转换［J］.测绘与地理空间信息，2011，34(2):34-36.

［2］叶海波，吴遇文，李会梅.基于ARCGIS由道路规划图CAD数据到GIS格式转换的探讨［J］.西部探矿工程，2010，(8):112-115.

［3］计长飞，孙尚宇，杨欢.基于EPS的CAD数据到GIS数据转换方法研究［J］.矿山测量，2010，10(5):16-18.

［4］陈南南，李篷，周美霞，等.CAD数据到GIS数据转换的探讨［J］.北京测绘，2012，(1):15-17.

［5］李宗华.基于语义映射的空间数据转换及其应用研究［J］.地理空间信息，2007，5(2):1-2.

［6］吴昊昕.基于语义的GIS数据转换模型的研究及实现［J］.软件导报，2008，4(7):77-78.

［7］曾巧玲，张书亮，姜永发，等.利用FME实现GIS与CAD的语义转换［J］.计算机工程与应用，2005，(13):214-217.

［8］GB/T20257.1-2007.国家基本比例尺地图图式第一部分：1:500、1:1000、1:2000地形图图式［S］.

［9］GB/T14804-93.国家基本比例尺地形图要素分类与代码1:500、1:1000、1:2000地形图要素分类与代码［S］.