基于二元要素类映射池的空间数据转换技术研究

2019-09-18齐菊梅侯清波裴丽娜

资源环境与工程 2019年3期

齐菊梅, 侯清波, 裴丽娜

(黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南郑州 450003)

在工程勘察设计行业,勘察专业的上下游专业所使用的图件大部分是AutoCAD格式的矢量化地形图。随着数字化采集技术的普及,在工程勘察现场需要利用便携移动设备的GPS定位功能,来实现定位与地形图的实时关联，在采集空间信息的同时录入相关的属性信息。CAD不能建立完整的地理坐标系统和完成地理坐标的投影变换,也不具备地理意义上的查询和分析功能；GIS中的所有数据都具有严格的地理参照,数据通过坐标系统与地球表面的特定位置发生联系,利用GIS格式的空间数据架构实现空间数据和属性数据的有机联系。随着CAD与GIS数据共享需求的日益增加,部分GIS软件提供了对CAD文件的直接加载功能；基于FME数据转换平台可实现多种空间数据格式的转换问题[1]；申胜利、李华分析了AutoCAD图元与ArcGIS图元的异同,通过建立点对照表、线对照表、注记对照表实现CAD、DXF数据与ArcGIS数据相互转换的方法[2]；陈年松利用FME通过建立语义映射实现CAD数据与GIS数据的语义转换[3]。但由于缺乏对空间对象的统一描述,不同数据格式描述空间对象时采用的数据模型不同,空间数据转换后不能完全准确地表达原数据的信息,经常性地造成一些信息丢失和错漏,并且数据处理流程繁琐,转换效率比较低,不能满足实际生产中的需要。由此结合工程勘察数字采集系统的研发实践,提出基于二元要素类映射池的空间数据转换解决方案,该方法实现了空间数据的平顺无损转换,数据转换效果和效率都能满足生产需要,效果良好。

1 CAD与GIS空间数据特征

CAD是按图层组织空间图形数据,由多种绘图实体组成,其实体采用三维坐标描述,只具备几何位置、形状、大小及描述元素的一些基本性质(如层名、颜色、线型等),图形编辑功能很强,所处理的基本图形元素有点、线、注记等。而“块”是一种特殊的图形元素,一般由多个基本图形元素构成。CAD中的符号为图形的一个部分,不同的符号可能具有不同的性质。AutoCAD的图形数据输出基于一个界面,其图形元素之间没有拓扑关系,因而CAD不具备地理分析功能。

GIS的操作对象是空间数据,它具体描述地理实体的空间特征和属性特征[4]。空间特征是指地理实体的空间位置、拓扑关系和几何特征;属性特征表示地理实体的名称、类型和数量等。根据地理实体的空间图形表示形式,可将空间数据抽象为点、线、面三类元素,它们的数据表达可以采用矢量和栅格两种组织形式。GIS空间数据主要采用空间分区、专题分层的数据组织方法,一般可分为图形、属性、注记、符号数据,其中图形数据指地理实体的空间位置和形状,可用几何对象来描述,包括点、折线、圆、圆弧、椭圆、椭圆弧、Bezier曲线、样条曲线等。

CAD与GIS数据在底层数据组织、结构等方面具有很大的不同,只有解决了CAD与GIS数据的便捷转换问题,才能实现外业勘察数据采集与内业资料整理的一致性和共享性。

2 基于二元要素类映射池的数据转换思路

要保证空间数据格式转换的质量,首先要确定基本图形要素之间的映射关系,提出二元要素类映射池技术(图1),用以解决CAD与GIS格式数据互相转换的问题。

图1 二元要素类映射池技术Fig.1 Mapping pool technology for binary factor classes

二元要素类映射池是存储CAD要素与GIS要素对照关系的数据库文件[5]。

CAD图层中的线要素进入到GIS后转换为GIS线图层。数据格式转换时,逐个读取CAD文件的图层,依据CAD图层、GIS图层命名规则,设定两者之间的名称对照;依据CAD、GIS中的线型定义,设定两者之间对应的线型对照关系。

CAD文件中的块要素进入到GIS后转换为点图层。数据格式转换时,逐个读取CAD文件中的块,将块名称提取出来,依据块定义的内容和GIS中的符号系统,设定两者之间的符号对照关系。

将经过图层比对产生的相应的线、点等空间数据要素的对照关系存放到相应的数据库文件中,在格式转换时,从数据库中调用相应的映射关系,达到格式转换的目的。

根据遇到的CAD图的类型不同,每一类图形的格式转换都会建立相应的映射关系,将新增加的映射关系增量存放到数据库文件中,实现对应元素智能增量化记忆。随着转换应用的广泛增多,映射池内映射关系愈丰富,数据的转换会更加智能便捷。

二元要素类映射池包括点要素映射池、线要素映射池、面要素映射池、注记要素类映射池、颜色映射池等内容,见表1-表4。

表1 点要素映射池Table 1 Mapping pool of point element

表2 线要素映射池Table 2 Mapping pool of line element

表3 颜色映射池Table 3 Mapping pool for colors

3 二元要素类映射池转换技术的功能实现

表4 图层映射池Table 4 Layer mapping pool

采用二元要素类映射池技术进行空间数据转换主要包括:打开源汇数据、解析源数据、建立维护转换映射池、转换数据(图形数据的转换、属性数据的转换、图层颜色转换、文字和注记的转换等内容),见图2。转换步骤如下:

图2 空间数据转换流程Fig.2 Conversion process of spatial data

(1) 设置源汇数据格式。开始转换之前要指定待转换的源文件,明确其格式、版本等内容,还要明确要转成的目标数据格式。

(2) 解析源数据。对数据描述的事物对象实例进行要素分类,如CAD数据,对每一个图层以及每一个图层内的点、线、面、块要素解析,包括颜色、图层等信息等。

对于每一类的点要素，图层不同,块名不同,代表的意义就不同,要单独列出,明确其实际意义;对于每一类的线要素，图层不同,线型不同,颜色不同,代表的物理意义不相同,需要单独列出明确其实际意义;对于每一类面要素，图层不同,底色花纹边界不同,代表的物理意义不同,遍历列出明确其实际意义。

(3) 建立二元要素类映射池。根据解析的要素类成果,在映射池中进行逐一注册,对每个注册项编辑其完整的映射关系,也就是源数据和目标数据之间的接口,如图3所示,其中:“Type_CAD”指的是CAD格式的数据类型,有块(Block)和图层(Layer)两种类型,CAD中的一种块对应ArcGIS中的一个图层,CAD中的一个图层对应ArcGIS中的一个图层;“Name_CAD”指的是CAD格式数据的块名或图层名称;“LayerType_ArcGIS”指的是ArcGIS格式数据的图层类型,“LayerName_ArcGIS”指的是ArcGIS格式数据的图层名称;“SymbolCode”指的是ArcGIS符号样式编号;“SymbolColor”指的是ArcGIS符号颜色;“SymbolSize”指的是ArcGIS符号大小或线宽;“SymbolAngle”指的是ArcGIS符号旋转角度;“SymbolOutline”指的是ArcGIS符号边框颜色;“Category”指的是ArcGIS符号所属范围分类。

图3 空间数据转换接口Fig.3 Conversion interface of spatial data

利用图3中的关系,把CAD中的块或块参考与ArcGIS中点、点符号库进行映射;CAD中的线型与ArcGIS中的线型库进行映射;CAD中的填充图案和线的组合与ArcGIS中的面进行映射。并对其在目标格式中的数据格式以及符号化进行取舍和设定。

(4) 实施数据格式转换。对源数据的每一个图层、每一个要素进行遍历,到映射池中查询其映射规则,向目标数据文件中写入其相应的数据和属性,从而完成数据无损转换。

(5) 映射池维护。映射池中的映射规则数据增量保存,即自动维护扩充,不需要人机交互维护,下次转换再遇上同样的数据即可直接使用,不必重复往映射池中设定映射关系,既节省了时间,又提高了效率。程序实现流程如图4所示,首先获取dxf文件中的所有图层和块,遍历这些图层和块,根据图层或块的名称和类型,利用sql语句去映射池中执行查询比对,查出数据,说明是已存在的映射关系，则遍历下一个图层或块，若查不出数据,则说明是不存在的映射关系,将当前对象的映射关系添加进映射池,然后再遍历下一个图层或块,如此循环直至遍历完所有的图层和块。

图4 自动维护扩充流程Fig.4 Extension process of automatic maintenance

4 二元要素类映射池技术的应用

工程勘察数字采集信息系统是综合利用GIS、GPS、RS、数据库、计算机等技术研发的一套适用于工程勘察数据的数字化采集、管理及应用的系统。

二元要素类映射池技术作为该系统的关键技术之一,顺利实现了CAD与GIS的空间数据转换,见图5。转换后的数据在工程勘察数字采集信息系统环境下图层、线型、颜色显示完好,且运转流畅。图6为某工程地图CAD与GIS转换前后的对比效果,左侧为原地图数据在AutoCAD中的显示效果,右侧为转换为GIS数据后在工程勘察数字采集信息系统中的显示效果。