丁龍遠(yuǎn),聶時(shí)貴,陶冬冬,趙崇亮

(1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心,江蘇南京 210013;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098)

河道地形數(shù)據(jù)在江河沿岸經(jīng)濟(jì)建設(shè)、水資源開發(fā)利用、防洪減災(zāi)、河床演變研究等領(lǐng)域是不可或缺的基礎(chǔ)信息,是江河整治和水利工程規(guī)劃建設(shè)的依據(jù)。我國河道地形測量歷史悠久,資料豐富。一方面,幾十年來大江大河和河道測圖堆積如山,另一方面,隨著現(xiàn)代GPS定位測量技術(shù)的發(fā)展,以及水下地形掃測系統(tǒng)問世,河道測量的速度加快、測次頻繁,大量乃至海量河道測量信息不斷涌現(xiàn),因此需要對河道地形信息進(jìn)行計(jì)算機(jī)管理,并進(jìn)行深度開發(fā)與利用[1],拓寬原CAD河道地形數(shù)據(jù)的使用范圍。

目前,河道地形數(shù)據(jù)主要是在AutoCAD環(huán)境下制圖。AutoCAD作為強(qiáng)大的圖形編輯軟件在圖形數(shù)據(jù)的采集、編輯方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢,現(xiàn)有的許多地形數(shù)據(jù)的成果都采用CAD格式,CAD技術(shù)在工程勘測、設(shè)計(jì)和規(guī)劃管理部門有著廣泛應(yīng)用。但是CAD技術(shù)難以支持測量信息的時(shí)空管理和更高層次的信息資源開發(fā)利用,這是因?yàn)樵贑AD環(huán)境中地形對象與其屬性分離,不支持空間分析。由于GIS可以對已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行理解、分析和管理,將信息與相應(yīng)的地理位置相關(guān)聯(lián),在建立數(shù)據(jù)庫方面有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢,而傳統(tǒng)的CAD地形數(shù)據(jù)在河道地形分析方面存在不足。采用GIS技術(shù)進(jìn)行河道地形信息建庫,有利于河道的相關(guān)地形分析。

本文利用ArcGIS軟件以及部分基于ArcEngine的程序,對在CAD河道地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換入庫(GIS)過程中涉及的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取、等高線高程的確定、高程數(shù)據(jù)粗差探測等方面進(jìn)行研究。

1 河道地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換入庫

河道通常較長,河道地形數(shù)據(jù)來自不同的測量單位以及同一單位不同的測量年份,其測圖與成圖方式有可能不同,有必要對CAD數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析,采用最合適的方法提取相應(yīng)數(shù)據(jù),特別是等深(高)線與高程點(diǎn)數(shù)據(jù),作為河道DEM生成的高程數(shù)據(jù)源。在進(jìn)行數(shù)據(jù)提取之前,首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,保證高程點(diǎn)數(shù)據(jù)與等高線數(shù)據(jù)在對應(yīng)的層上,確定平面坐標(biāo)空間參考與高程點(diǎn)基準(zhǔn)面是否正確[2]。

1.1 CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換入庫

AutoCAD地形圖的數(shù)據(jù)格式有DWG和DXF 2種,本文的數(shù)據(jù)源為DWG格式。利用ArcGIS的ArcToolBox模塊的轉(zhuǎn)換工具 ArcToolBox-ConversionTools-To Geodatabase-Import from CAD,將DWG文件轉(zhuǎn)換為File Geodatabase。轉(zhuǎn)換得到的File Geodatabase中包含有Point,Line,Area和CadDoc 4個(gè)圖層以及 XtrProp,XData,TxtProp,MSLink,Entity,CadLayer,Attrib等屬性表。可以在ArcGIS中直接瀏覽空間圖形以及轉(zhuǎn)換后相應(yīng)的屬性表。這些屬性表和空間圖形要素是由EntID字段關(guān)聯(lián)的。本文研究所需要的地形數(shù)據(jù)(等高線、等高點(diǎn))就包含在Point和Line 2個(gè)圖層中。

經(jīng)過轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)中每個(gè)要素通過EntID字段可以在對應(yīng)的屬性表中找到對應(yīng)的所有屬性,其中字段Txt值即為注記的文本值。正是通過這種一一對應(yīng)關(guān)系,可以分別將高程點(diǎn)和注記點(diǎn)從Point層中提取出來,將等高線從Line層中提取出來。其他空間信息的整理與轉(zhuǎn)換不在本文的范圍內(nèi),在此不作研究。

1.2 地形數(shù)據(jù)分析

1.2.1高程點(diǎn)

地形圖中高程點(diǎn)與高程點(diǎn)注記一般有2種情況:①高程點(diǎn)包括在注記對象中;②高程點(diǎn)與注記點(diǎn)分離。

a.高程點(diǎn)包括在注記對象中。包括2種情況:①前面是整數(shù)部分文本對象,中間是點(diǎn)對象,后面是小數(shù)部分文本對象。3個(gè)對象獨(dú)立分布,點(diǎn)對象代表高程點(diǎn),如圖1(a)所示。②只有一個(gè)數(shù)值對象,小數(shù)點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)就是高程點(diǎn)的坐標(biāo),如圖1(b)所示。

圖1 高程數(shù)據(jù)點(diǎn)的2種不同樣式(單位:m)

b.高程點(diǎn)與注記點(diǎn)分離。高程信息一般是由高程點(diǎn)和注記點(diǎn)2個(gè)部分組成。其中高程點(diǎn)本身不帶屬性,高程信息由對應(yīng)的注記點(diǎn)表示,高程點(diǎn)和注記點(diǎn)在空間位置上比較接近,得到了注記點(diǎn)的數(shù)值也就得到了高程點(diǎn)的高程,因此主要討論注記值的獲取。注記一般有2種情況:①由多個(gè)對象組成,包括整數(shù)部分、小數(shù)點(diǎn)和小數(shù)部分,幾個(gè)部分彼此獨(dú)立;②只有單個(gè)對象,可以直接獲得完整的高程信息。

1.2.2等高線

在河道地形數(shù)據(jù)中,等高線占有很重要的地位,但是在實(shí)際CAD地形圖中由于各類要素的相互交錯(cuò)或者覆蓋,等高線中不連續(xù)(存在大量斷點(diǎn))的情況普遍存在。這是由于作圖人員是從出圖效果考慮的,忽視了數(shù)據(jù)的完整性,從而破壞了等高線的連續(xù)性,無法滿足GIS系統(tǒng)中等高線應(yīng)完整且閉合的要求,因此需要對這些斷線進(jìn)行連接。

1.3 地形數(shù)據(jù)的提取方法

1.3.1高程點(diǎn)的提取

a.對于圖1(a)的情況,CAD中高程點(diǎn)經(jīng)轉(zhuǎn)換提取后在GIS數(shù)據(jù)中的表現(xiàn)如圖2所示。1個(gè)注記就分成了3個(gè)部分(3個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)):整數(shù)部分、小數(shù)點(diǎn)、小數(shù)部分。中間點(diǎn)的坐標(biāo)就是高程點(diǎn)的坐標(biāo)。由于在CAD中注記以塊的形式表現(xiàn),雖然被分成了3個(gè)單獨(dú)的點(diǎn),但是在空間位置上這3個(gè)點(diǎn)是在1條直線上的。同時(shí),這3個(gè)點(diǎn)可以通過屬性標(biāo)記區(qū)分,分別為 ZX(整數(shù))、SX(小數(shù))、DAIMA(代碼),可以將整數(shù)點(diǎn)、小數(shù)點(diǎn)和高程點(diǎn)分別從注記點(diǎn)層中分離出來,然后從高程點(diǎn)以一定半徑做緩沖區(qū),加上共線這個(gè)規(guī)律就能將整數(shù)和小數(shù)部分組合到高程點(diǎn)中,如圖3所示。

圖2 提取后的注記點(diǎn)(單位:m)

圖3 高程點(diǎn)提取賦值過程

b.對于圖1(b)的情況,經(jīng)程序轉(zhuǎn)換后得到的注記點(diǎn)坐標(biāo)就是高程點(diǎn)坐標(biāo),并且包含高程值,無需處理。

c.對于1.2節(jié)中b的第①種情況,注記部分處理類似1.2節(jié)a,但是與1.2節(jié)a的區(qū)別在于:中間點(diǎn)坐標(biāo)為注記點(diǎn)坐標(biāo),高程點(diǎn)與注記點(diǎn)分離,高程點(diǎn)和注記點(diǎn)坐標(biāo)在空間位置上相鄰且比較接近。首先用1.2節(jié)a中提到的方法將整數(shù)部分和小數(shù)部分整合到注記點(diǎn)上,然后從高程點(diǎn)以一定半徑做緩沖,在緩沖區(qū)內(nèi)一般只有1個(gè)點(diǎn),即為高程點(diǎn)對應(yīng)的注記點(diǎn),如果超過1個(gè)點(diǎn),取最近的注記點(diǎn),最后將注記點(diǎn)的文本屬性賦給高程點(diǎn)即得到高程點(diǎn)高程。

d.對于 1.2節(jié)中 b的第 ② 種情況,類似1.3.1節(jié)中的c,從高程點(diǎn)處開始以一定半徑做緩沖,取最近的注記點(diǎn),將注記點(diǎn)的文本屬性賦給高程點(diǎn)即得到高程點(diǎn)高程。

1.3.2等高線的提取

CAD中等高線經(jīng)轉(zhuǎn)換后在GIS數(shù)據(jù)中的表現(xiàn)如圖4所示。等高線為虛線,且不連續(xù),需要將等高線進(jìn)行連接。

圖4 轉(zhuǎn)換后的等高線(沒有高程屬性)

通過分析可以發(fā)現(xiàn):相鄰等高線段之間距離不是很遠(yuǎn),而且原來在一條等高線上的線段走向都是一致的。因此首先從某條等高線段開始以距離為約束條件,找到離搜索線最近的線對象。具體過程如下:以每條線的某個(gè)端點(diǎn)做緩沖,判斷其余線落入緩沖區(qū)的條數(shù),當(dāng)多于1條線時(shí)減小半徑,沒有線對象落入緩沖區(qū)時(shí)增加半徑,直到搜索到唯一的1條線[3]。

但實(shí)際中距離搜索線最近的并不一定是應(yīng)該連接的線對象,因此在距離約束的同時(shí)還需要加入角度約束條件,即連接線起始2點(diǎn)連線的方向與搜索線最后2點(diǎn)連線的延長線方向的夾角應(yīng)為最小。因此應(yīng)該設(shè)置一個(gè)用于判斷連接線是否滿足角度的約束條件,否則錯(cuò)誤率比較高[3]。

在所有等高線連接完成后需要給等高線賦值。由于等高線分為首曲線、計(jì)曲線、間曲線與助曲線,在提取等高線的時(shí)候?qū)傩灾惺菐в械雀呔€性質(zhì)字段的,因此在賦值的時(shí)候要根據(jù)等高線的性質(zhì)區(qū)別對待。給等高線賦值的方法是給最高、最低點(diǎn)人工賦值,其余的自動(dòng)賦值。具體過程如下:分別在最高、最低等高線上取1點(diǎn),使連接的直線與所有的等高線基本垂直。由于等高線是閉合的曲線,因此這條直線與最高、最低等高線之間的所有等高線都會(huì)有一個(gè)交點(diǎn),這個(gè)交點(diǎn)又位于直線上,在直線上與等高線相交的地方分別插入節(jié)點(diǎn),這樣按節(jié)點(diǎn)順序(即按照等高線高程的高低順序)遍歷直線的節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以獲得1條等高線,在確定等高距的情況下即可對所有等高線賦值。其中間曲線按1/2等高距賦值,助曲線按1/4等高距賦值。處理結(jié)果如圖 5所示。

圖5 連接賦值后的等高線(單位:m)

2 地形數(shù)據(jù)檢查

在等高線與高程點(diǎn)的提取過程中,不可避免地會(huì)帶來數(shù)據(jù)誤差,所以必須對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。數(shù)據(jù)誤差包括原始資料誤差、采點(diǎn)設(shè)備誤差、人為誤差等。原始資料誤差、采點(diǎn)設(shè)備誤差以及內(nèi)插誤差很難消除,而最容易消除,但又經(jīng)常被忽視的是人為誤差即粗差。數(shù)字化過程中對點(diǎn)、線高程的錯(cuò)誤賦值以及對一些特殊地形、地貌的錯(cuò)誤描述很常見。如高程點(diǎn)負(fù)號(hào)的丟失、位數(shù)的不一致,等高線數(shù)據(jù)高程值的賦值錯(cuò)誤等,除可以采用人工對比法以外,還可以采用多種算法進(jìn)行高程粗差剔除,如基于不同大小窗口的移動(dòng)曲面擬合法[5]、基于坡度剔除粗差的方法、基于三維可視化的方法、各種插值方法值的對比等。對于河道突然的隆起與深坑旋渦的地貌進(jìn)行敏感性分析,排除假性地貌。其中基于三維可視化的方法比較簡單實(shí)用,在具體工作中可利用高程點(diǎn)、等高線數(shù)據(jù)生成TIN數(shù)據(jù),對突變地貌與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。如圖6、圖7所示,就是運(yùn)用三維可視化方法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的1處錯(cuò)誤(-33.7被解釋為33.7,負(fù)號(hào)丟失)。

圖6 原始高程點(diǎn)錯(cuò)誤處(單位:m)

DEM是河道地形數(shù)據(jù)入庫后的主要表達(dá)形式之一,當(dāng)高程點(diǎn)、等高線數(shù)據(jù)提取并檢查以后,就可以進(jìn)行DEM的構(gòu)建。

圖7 TIN中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤處(單位:m)

3 結(jié) 語

河道地形數(shù)據(jù)的應(yīng)用和需求相當(dāng)廣泛,地形數(shù)據(jù)是構(gòu)建高精度DEM的基礎(chǔ)。筆者對在CAD河道地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換入庫(GIS)過程中涉及的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取、等高線高程的確定、高程數(shù)據(jù)粗差探測等方面進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了在少量人工質(zhì)量控制的前提下高效率地將CAD河道地形數(shù)據(jù)向GIS數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換與入庫。該高程數(shù)據(jù)提取方法具有準(zhǔn)確、快捷和實(shí)用的特點(diǎn)。

[1]丁賢榮,王文,楊濤,等.河道數(shù)字地形信息系統(tǒng)與長江鎮(zhèn)揚(yáng)河段GIS研制[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,29(4):116-119.

[2]許捍衛(wèi),何江,柯紅軍,等.長江江蘇段河道DEM建立方法研究[J].測繪工程,2006,15(4):33-36.

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[4]楊曉云,顧利亞,岑敏儀,等.基于不同大小窗口的移動(dòng)曲面擬合法探測不規(guī)則DEM粗差的一種方法[J].測繪學(xué)報(bào),2005,34(2):148-153.