歐立業(yè) 劉文軍

（江西省測繪應(yīng)急保障服務(wù)中心江西南昌 330046）

基于語義映射的CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法的探討

歐立業(yè) 劉文軍

（江西省測繪應(yīng)急保障服務(wù)中心江西南昌 330046）

大比例尺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)是“數(shù)字城市”地理空間框架項(xiàng)目中重要的建設(shè)內(nèi)容，本文以數(shù)字撫州為例，分析1∶500CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)之間存在的差異和內(nèi)在聯(lián)系，嘗試將語義映射和空間操作結(jié)合在一起，設(shè)計出CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)之間的快速轉(zhuǎn)換，并取得了良好的效果。

數(shù)字城市；語義；映射；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

0 引言

隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各個部門對數(shù)據(jù)的需求越來越多。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，常常會因?yàn)榻?jīng)費(fèi)、技術(shù)或外部環(huán)境等因素的影響，而采用不同的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，來滿足本部門內(nèi)部的需要。隨著時間的推移，越來越多的異構(gòu)格式的數(shù)據(jù)也隨之產(chǎn)生。當(dāng)不同的業(yè)務(wù)部門需要應(yīng)用這些數(shù)據(jù)的時，由于數(shù)據(jù)的格式差異和宿主軟件的不同，造成利用這些數(shù)據(jù)的困難。為此，不同格式數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換，已成為國內(nèi)眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)［1-4］。筆者通過分析和總結(jié)已有的研究成果，得出以下幾點(diǎn)的不足：一是數(shù)據(jù)由一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式的過程中，會造成數(shù)據(jù)屬性信息和拓?fù)潢P(guān)系的丟失。由于CAD格式數(shù)據(jù)主要是側(cè)重圖形的表現(xiàn)形式，用顏色、線型、線寬、符號等來表達(dá)空間對象，但是在空間對象和屬性數(shù)據(jù)之間的拓?fù)潢P(guān)系方面則沒有詳述；與此相反，GIS格式數(shù)據(jù)對空間對象的拓?fù)潢P(guān)系有嚴(yán)格的要求，但是在空間對象實(shí)體的圖形表達(dá)方面較欠缺。因此，CAD格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)時會丟失顏色、線型等信息；GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD格式數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系和屬性數(shù)據(jù)的損失的現(xiàn)象。二是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程比較復(fù)雜，一般情況下需要把數(shù)據(jù)文件輸出公開的交換格式數(shù)據(jù)，然后再將公開交換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目的格式數(shù)據(jù)。這種方式在數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)更新較快的時候，就很難保證不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的一致性。本文從CAD數(shù)據(jù)向GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存在的問題出發(fā)，利用語義映射的思想，將其與空間操作相結(jié)合，設(shè)計了CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)之間的快速轉(zhuǎn)換。

1 語義映射

按數(shù)學(xué)的概念，映射可以這樣定義，即為集合間的一種對應(yīng)關(guān)系，一個集合中的各元素與自己本身或另一個集合中的元素存在的一種對應(yīng)規(guī)則。語義是信息的內(nèi)在涵義，其意義與相關(guān)上下文環(huán)境有很大的關(guān)系。然而映射問題是以源數(shù)據(jù)為出發(fā)點(diǎn)，通過對其觀察，目的是尋找到滿足目標(biāo)類定義要求的某固定的屬性值，因此語義映射被定義為：在目標(biāo)域內(nèi)對一組源類的重新分類［5］。用M表示目標(biāo)類集，M= {M1，M2，…，Mn}；N1表示源類可直接觀察的屬性；N2表示由源類的語義上下文推出的源類屬性；R表示分類規(guī)則；W表示類之間的映射關(guān)系，那么映射問題就可以表示為：為源類Ms在目標(biāo)域內(nèi)找到m∈M，使得N1∧N2∧R=＞W(wǎng)(Ms，Mi)。以及解釋為給定了源類結(jié)構(gòu)，在目標(biāo)類結(jié)構(gòu)的前提下對其進(jìn)行分類映射，該映射過程是由源類結(jié)構(gòu)和目標(biāo)類結(jié)構(gòu)雙方的語義特征決定的，源類提供了對類的觀察，目標(biāo)類提供了類和分類規(guī)則，就可以基于源語義環(huán)境條件來尋找滿足要求的目標(biāo)，最終映射到目標(biāo)語義環(huán)境，如圖1所示。

圖1 語義映射概念圖

2 基于語義映射的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型主要有三個特點(diǎn)［6］：一是支持簡單地圖圖元；二是屬性數(shù)據(jù)單獨(dú)處理；三是輸入數(shù)據(jù)決定輸出數(shù)據(jù)。與之相對，基于語義映射的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，更加注重語義層次上的數(shù)據(jù)共享，該轉(zhuǎn)換過程實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的重新構(gòu)造，這樣用戶就能能夠根據(jù)自己內(nèi)部特定的需要，尋找并獲得不同層面上的相同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)，最終提供給用戶使用。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型相對比，基于語義映射的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)在于：定義了源類數(shù)據(jù)集到目標(biāo)類數(shù)據(jù)集之間的相互映射關(guān)系；允許對數(shù)據(jù)的重新構(gòu)造定義；使用了要素操作語言以及提供了查找復(fù)雜計算的函數(shù)。

語義映射就好比一個發(fā)動機(jī)的引擎，要借助要素操作語言，重新定義輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。在實(shí)際的映射過程中，有很多不同的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，為此，該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型提供了一系列的數(shù)據(jù)模型之間定義和轉(zhuǎn)換的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于使得數(shù)據(jù)輸入端和數(shù)據(jù)輸出端能夠自由的轉(zhuǎn)換，同時可以使用各自的獨(dú)立系統(tǒng)和數(shù)據(jù)格式［7］。因此，用戶或開發(fā)人員只需要知道輸入數(shù)據(jù)的描述和輸出數(shù)據(jù)的要求，就能夠順利完成轉(zhuǎn)換，這種操作既方便快速，又能最大程度保證轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)質(zhì)量的完整性。

3 CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)映射關(guān)系的設(shè)計

在構(gòu)建CAD數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)映射關(guān)系之前，必須制定統(tǒng)一的空間信息分類與編碼方案、CAD數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。本文以江西省撫州市1: 500CAD基礎(chǔ)地形圖到GIS數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換為例，介紹基于語義映射的CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程和方法。

3.1 CAD數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

CAD地形圖數(shù)據(jù)的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，一般包括分層設(shè)色標(biāo)準(zhǔn)、要素符號標(biāo)準(zhǔn)、要素編碼標(biāo)準(zhǔn)、要素擴(kuò)展屬性項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)等。分層設(shè)色標(biāo)準(zhǔn)參照《1:500、1:1000、1: 2000地形圖圖式》［8］執(zhí)行，將地形圖中的地物要素按照圖式的規(guī)定分為9大類，例如測量控制點(diǎn)（層名為KZD，顏色為red）；居民地（層名為JMD，顏色為magenta）。要素符號標(biāo)準(zhǔn)參照《1:500、1:1000、1:2000地形圖圖式》執(zhí)行，分為點(diǎn)、線和文字注記三類符號，例如三角點(diǎn)（代碼為131100，塊名為gc113）；時令河（線型為X0）；控制點(diǎn)點(diǎn)名注記（文字高度為2.4mm，字體為HZ）。要素編碼標(biāo)準(zhǔn)參照《1:500、1:1000、1: 2000地形圖要素分類與代碼》［9］執(zhí)行，采用6位數(shù)字編碼表示，前四位表示要素代碼，第五位表示擴(kuò)展碼，最后一位表示類型碼。根據(jù)CAD的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展屬性（XDATA）主要存儲要素代碼和屬性信息。例如交通及附屬設(shè)施要素集中的公路要素類的擴(kuò)展屬性為要素代碼、名稱、材料和等級；地貌土質(zhì)要素集中的等高線要素類的擴(kuò)展屬性為要素代碼和高程。

3.2 GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中面臨的關(guān)鍵問題是GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)制定的完善與否，直接關(guān)系到了目標(biāo)數(shù)據(jù)存儲格式的不同，從而影響到轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞。GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參照《l:500、l:1000、l: 2000地形圖圖式》執(zhí)行，設(shè)定了測量控制點(diǎn)、居民地及其附屬設(shè)施等9個要素集，每個要素集又根據(jù)其中要素的幾何分類的不同，細(xì)分為若干個要素類，同時確保每個要素類的名稱和CAD圖層都能夠一一對應(yīng)。例如植被要素集（ZB_500）分為三個要素類：植被點(diǎn)（ZB_500_P）、植被線（ZB_500_L）、植被面（ZB_500_A）、植被注記（ZB_500_T）。

3.3 CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)映射關(guān)系

（1）點(diǎn)要素實(shí)體映射關(guān)系。在CAD格式的基礎(chǔ)地形圖中，點(diǎn)狀地物分為單點(diǎn)對象（POINT）和塊對象（BLOCK），可以將這類點(diǎn)要素直接映射為GIS數(shù)據(jù)集中的點(diǎn)層要素。當(dāng)為有向點(diǎn)的時候，例如河流流向、高壓線符號線等，其符號的旋轉(zhuǎn)角度表示該點(diǎn)的方向，轉(zhuǎn)換時應(yīng)將旋轉(zhuǎn)角度映射到相對應(yīng)的屬性表中。同時將擴(kuò)展屬性（XDATA）存儲的點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)映射到GIS屬性表中的相應(yīng)字段。

（2）線要素實(shí)體映射關(guān)系。線狀地物分為直線（LINE）和多段線（POLYLINE）。直線（如陡坎、籬笆和圍墻等）直接映射為GIS數(shù)據(jù)集中的線層要素；多段線（如房屋、河流、池塘等）則映射為GIS數(shù)據(jù)集中的面層要素。同時將擴(kuò)展屬性（XDATA）存儲的線屬性數(shù)據(jù)映射到GIS屬性表中的相應(yīng)字段。

（3）文本注記映射關(guān)系。注記分為單文本（TEXT）和多行文本（MTEXT），可以直接將注記映射為GIS數(shù)據(jù)集中的注記層要素。

（4）地圖符號映射關(guān)系。由于CAD數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)所使用的地圖符號不同，即應(yīng)用的線型和符號類型不同，可以利用之前設(shè)計好的要素編碼標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)之間地圖要素符號的的映射，保證了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后的一致性。

（5）其他映射關(guān)系。在CAD格式的基礎(chǔ)地形圖中，對地物的拓?fù)潢P(guān)系方面沒有嚴(yán)格的要求，為此，本文對拓?fù)潢P(guān)系的映射關(guān)系不予考慮，至于拓?fù)潢P(guān)系的確定，要在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，在GIS軟件平臺下進(jìn)行。另外，CAD數(shù)據(jù)采用的是笛卡爾直角坐標(biāo)系統(tǒng)，并不是地理坐標(biāo)系統(tǒng)，因此也無法確定映射關(guān)系，這個問題也可以在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新投影來解決。

4 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)以上的CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的語義映射關(guān)系，借助FME軟件平臺制定好映射文件之后，就可以進(jìn)行CAD格式基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)庫格式的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換前后結(jié)果如圖2和圖3所示。經(jīng)過對比分析，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)、線、面幾何要素以及文本注記都能正確的轉(zhuǎn)換到相應(yīng)圖層，而且保證了圖形信息和屬性信息的對應(yīng)關(guān)系正確，得到了較好的效果。

圖2 CAD原始基礎(chǔ)地形圖

圖3 轉(zhuǎn)換后的GeoDatabase格式地形圖

5 結(jié)語

為了滿足“數(shù)字城市”工程中大比例尺數(shù)據(jù)建庫的需要，本文深入分析了CAD數(shù)據(jù)模型和GIS數(shù)據(jù)模型各自的特點(diǎn)，引入語義映射的思想，結(jié)合具體的CAD實(shí)例數(shù)據(jù)，制定了CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的映射關(guān)系。根據(jù)以上思路，完成了撫州市1:500CAD格式的80平方公里基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)向GIS格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。實(shí)踐證明，該方法具有速度快，擴(kuò)充性能好等特點(diǎn)。

［1］崔洪波，李井杰，賀智.城市大比例尺CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換［J］.測繪與地理空間信息，2011，34(2):34-36.

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［8］GB/T20257.1-2007.國家基本比例尺地圖圖式第一部分：1:500、1:1000、1:2000地形圖圖式［S］.

［9］GB/T14804-93.國家基本比例尺地形圖要素分類與代碼1:500、1:1000、1:2000地形圖要素分類與代碼［S］.