海事测绘CAD数据空间矫正共享模型

徐　进，李　博，白春江，周　颖，张云鹏

(1. 大连海事大学航海学院，辽宁 大连 116026； 2. 辽宁水文地质工程地质勘察院实验室，辽宁 大连 116037)



海事测绘CAD数据空间矫正共享模型

徐进1，李博2，白春江1，周颖1，张云鹏1

(1. 大连海事大学航海学院，辽宁 大连 116026； 2. 辽宁水文地质工程地质勘察院实验室，辽宁 大连 116037)

Marine Surveying and Mapping CAD Data Spatial Correction and Sharing Model

XU Jin，LI Bo，BAI Chunjiang，ZHOU Ying，ZHANG Yunpeng

摘要：海事测绘部门早期积累的数据多为CAD格式数据，由于CAD平台缺乏空间分析能力，且其数据结构、存储方式、表征形式、空间参考等方面均具有一定的局限性，给数据在海事测绘部门之间的应用与共享带来了诸多不便。本文针对CAD数据在海事测绘领域应用与共享中存在的问题，提出了采用参考点矫正原始数据、投影变换、分层转换等方式，基于ArcGIS平台实现了海事测绘CAD数据的共享技术模型，为其数据向其他海事测绘数据格式的共享提供了一个有效的解决方案。

关键词：海事测绘；CAD；ArcGIS；数据共享

我国的海事测绘科学技术已进入信息化建设的时代，正在以前所未有的速度蓬勃发展。信息化进程的加快使海事测绘数据的研究、生产和应用跨入了一个新的纪元。但是，在海事测绘部门早期积累的数据中，有很大一部分数据都采用了AutoCAD平台支持的DWG格式数据或DXF交换格式数据。由于AutoCAD平台缺乏空间分析能力，且其数据的空间参考信息处理方面具有一定的局限性，使其在海事测绘部门之间的应用和共享带来了诸多不便。

本文深入研究海事测绘CAD数据的空间参考规律和组织规律，基于ArcGIS对其进行数据转换共享，并分析CAD数据转换后存在的自身误差或外界不确定性带来的数据失效问题，针对研究天津港口区域的CAD数据，采用关键参考点纠正、数据重配准和坐标投影变换等手段，构建CAD数据空间矫正共享模型，改进海事测绘CAD数据的共享融合技术。

一、海事测绘CAD数据应用与共享中存在的问题

1. 数据结构与表征形式方面

现行的海事测绘数据是基于IHO S-100通用海道测量数据模型标准，将数据按照点、线、面、水深4个图形特征进行分类管理。各类数据分别拥有不同样式的图形表征方法和属性库(如1个灯塔包括rhythm of light、light sector、signal sequence 3个复合属性和object name、height 2个简单属性，而照明规律rhythm of light复合属性又包括light characteristic、signal period、signal group 3个子属性，见表1和表2)。目前的海事测绘数据的特点是数据量庞大、数据结构复杂、多采用墨卡托投影方式和以经纬度为单位的地理坐标系统，且需要复杂的拓扑关系来进行大量的空间分析。而现有的海事测绘CAD数据注重的是对现实地物要素的定位和定量描述，虽然其图形表达信息管理功能十分强大，但与IHO S-100标准的要求相比，其图形表征样式表现相对单一、属性信息管理功能相对较弱、拓扑结构较为简单，且多采用用户自定义投影方式[1]和以米、千米或海里为单位的平面坐标系统。

表1　灯塔属性结构

表2　照明规律复合属性结构

2. 数据共享方面

在数据共享方面，海事测绘CAD数据具有空间参考不统一、数据转换易丢失图形信息和属性信息等弊端存在。

(1) 空间参考不统一

在海事测绘领域中，特别是港口测绘工作，CAD数据应用广泛。在早期积累的一部分数据中，由于其数据应用在某个限定的平台上，其空间坐标系统往往是以某个特定的地点为原点、正东方向为X轴正方向、正北方向为Y轴正方向构建的平面坐标系统，或是所在地区建立的城建坐标系统[2]。这两种坐标系统缺乏严格的标准，进行投影变换时易产生误差。因此，在应用和共享这类数据时，首先应对其进行校正，再进行数据转换。

(2) 数据转换易造成图形信息丢失或图形变形

由于CAD数据中的要素图形数据结构在其他海事测绘平台中的图形数据结构偏差较大，数据转换兼容性差，容易导致要素图形信息丢失或图形变形。如在电子海图中，一个锚地符号的表达只需要一个点数据和一个点样式符号进行表征，而在CAD数据中，往往需要绘制出一个闭合的多边形对象，导致数据转换后，本应为一个点要素的对象却变成了线要素或面要素对象。

(3) CAD数据转换易造成属性信息丢失

CAD数据在属性信息的应用方面考虑不够周全，缺少编码机制，且少有考虑地物数据之间的拓扑关系[3]。利用现有工具转换CAD数据时，经常容易丢失空间数据中的部分属性信息，甚至出现丢失全部属性信息的情况。

二、解决方案

1. 原始数据矫正

针对自定义坐标系统或城建坐标系统的海事测绘CAD数据，首先应对原始数据进行矫正，即采用标准采样点计算数据误差，然后进行原始数据的批量矫正。

如一份天津航道标志点的CAD数据见表3，采用了自定义坐标系统。首先利用GPS设备采样获取“B1”“H2”的WGS-84坐标系下的经纬度坐标数据；再将其转换成1954北京坐标系下的平面坐标数据，见表4；最后根据这两个点的平均误差(4 000 032.2，59.977)，批量矫正天津航道标志点的所有数据(见表5)。

2. 数据转换

在数据转换方面，本文深入分析了AutoCAD和ArcGIS的数据结构、存储方式和组织规律，采用分层转换的方式，将CAD数据逐层转换为ArcGIS支持的shapefile数据。

表3　自定义坐标系统的天津航道标志点CAD部分数据

表4　采样点WGS-84经纬度坐标和1954北京坐标数据

表5　批量矫正数据

AutoCAD具有强大的工程绘图和建模功能，常用DWG和DXF两种数据格式。在CAD中的空间对象实体是基于像元块要素，并辅以符号、颜色和注记进行图形表达(如图1所示)，从而完成工程制图的目的的。数据层和像元块是CAD数据的核心，空间信息和属性信息种类相同的空间对象实体被封装入一个数据层中，分为点、线、面、注记4个基本类型的数据层。值得注意的是，AutoCAD中的一个数据层往往是ArcGIS一个图层中的某个专题类[4]。DXF是CAD的数据交换格式，用于跨软件平台之间的数据转换。

ArcGIS存储数据主要包括两种方式：一是以shapefile文件格式为代表的文件存储方式，二是以ArcGIS SDE空间数据引擎为代表的数据库存储方式。本文采用以shapefile文件存储格式转换AutoCAD数据[5]。ArcGIS存储信息时，根据地物要素的几何特征和属性特征将其数据进行分类，并将每一类地物要素对象分别存储在一组shapefile文件中[6]。一组shapefile文件至少由shp、dbf、shx 3个文件组成，分别存储空间坐标信息、属性信息及索引关系。其中，shx文件用于存储shp文件中地理要素空间坐标序列与主文件头的偏移量，并且保证shp表和dbf表记录地理要素对象信息的顺序与索引关系保持一致，3个文件的关系如图2所示。

图2　shapefile文件存储格式关系

数据转换时，首先将CAD中的数据层名与ArcGIS的要素类名保持一致，接下来利用CAD开发接口循环逐步读取每个数据层中的实体空间数据和属性数据，再利用ArcGIS Engine开发接口向对应的要素类中添加要素记录，如图3所示。

图3　ArcGIS转换CAD数据实现方法

三、模型构建

1. 原始数据矫正模块

根据上文中提到的数据矫正方法，建设原始数据矫正模块，以表1中的B1点为例应用该模块，如图4所示。

2. 数据共享平台

以天津港总平面布置图为例，对比AutoCAD和数据共享平台转换后的ArcGIS数据，如图5所示。

图4　原始数据矫正模块

图5　数据转换前后效果对比

四、结论与展望

本文首先针对海事测绘CAD原始数据进行空间矫正；再依据其数据层进行数据分类，以点、线、面和注记为分类标准，根据层名检索空间信息；之后基于ArcGIS Engine研发海事测绘数据空间矫正共享模型转换CAD数据。该模型在天津港海事测绘CAD数据矫正共享工作中进行了实际应用，为其数据向shapefile数据、电子海图数据、map数据及其他格式数据的共享提供了一个有效的解决方案。

海事测绘数据空间矫正共享模型在实际应用中表现出一些不足之处，在接下来的工作中将进一步完善：

1) 原始数据矫正模块目前只采用单独点或批量点坐标的方式来矫正CAD原始数据，在下一步的工作中要考虑采用面向对象方式，针对点、线、面实体进行数据矫正。

2) 本文采用AutoCAD的数据层与ArcGIS的要素类一一对应的方式进行数据共享，而现实中的数据层往往是一个要素类的专题层，因此，应在下一步工作中引入自动识别分类方法，将数据结构相同、空间对象类型相似的数据层按专题的方式转入同一个要素类中。

3) 现行的海事测绘数据将按照IHO S-100通用海道测量数据模型标准进行属性数据的管理，而本文研发的海事测绘数据空间矫正共享模型只针对CAD原始属性数据进行跨平台转换，尚未按照“复合属性”“物标关联”“专题显示”等机制进行数据的发布，在下一步工作中，应在模型的研发工作中引入上述机制。

4) 我国现行的海事测绘数据平台主要包括CARIS HPD、ArcGIS、AutoCAD、电子海图桌等，在接下来的工作中，海事测绘数据空间矫正共享模型应提供CAD测绘数据向其他平台数据格式共享转换的多种方案。

参考文献：

[1]LIU X, WANG T. The Research on Urban Planning Data Storage System[J]. Advances in Multimedia, Software Engineering and Computing, 2012(2): 239-243.

[2]HE L, WU G, DAI D, et al. Data Conversion between CAD and GIS in Land Planning[J]. International Conference on Geoinformatics, 2011: 1-4.

[3]任东风, 徐立军, 才艺. CAD 到ArcGIS 数据转换问题[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2010, 29(S1):25-27.

[4]文学东, 钟文军, 祝方雄,等. 基于Geodatabase的CAD到ARCGIS数据入库研究[J].测绘科学, 2006, 31 (6):100-102.

[5]孔毅, 张志强, 赵崇亮.基于ArcGIS的CAD数据入库研究[J].测绘通报, 2010(5):54-56.

[6]HONGBO Z. Research on Conversion of AutoCAD Graphic Data to ArcInfo Data Format[J]. Computer Science & Education (ICCSE), 2013(8): 953-956.

[7]杨娜娜，张新长，黄健锋.CAD规划成果数据GIS建库的技术与研究[J].测绘通报，2015(6)：44-48.

[8]袁源琳，张新长，黄健锋，等.AutoCAD地形图数据规整入库的研究与应用[J].测绘通报，2013(5)：84-88.

中图分类号：P229

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)03-0054-04

作者简介：徐进(1985—)，男，博士,主要从事海事测绘领域的技术研究。E-mail：jinxu@dlmu.edu.cn通信作者： 李博。E-mail：libo_2020@126.com

基金项目：中央高校基本科研业务费专项(3132015002)

收稿日期：2015-04-17

引文格式： 徐进，李博，白春江,等. 海事测绘CAD数据空间矫正共享模型[J].测绘通报，2016(3)：54-57.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0085.