李鴻宇，盧小平，王志軍，豆喜朋

(1. 河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003； 2. 河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450003)

動(dòng)態(tài)矢量數(shù)據(jù)與在線地圖的實(shí)時(shí)發(fā)布與實(shí)現(xiàn)

李鴻宇1，盧小平1，王志軍2，豆喜朋2

(1. 河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454003； 2. 河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450003)

針對(duì)城市勘測(cè)規(guī)劃中需要將AutoCAD矢量數(shù)據(jù)與WebGIS發(fā)布的地圖進(jìn)行疊加分析的應(yīng)用需求，本文提出了在兩種異構(gòu)數(shù)據(jù)中尋找同名節(jié)點(diǎn)相應(yīng)位置的方法，建立了一種基于節(jié)點(diǎn)向量同名節(jié)點(diǎn)(無(wú)幾何畸變)的快速轉(zhuǎn)換模型匹配方法，并通過(guò)AO(ArcObjects)/ArcGIS Server發(fā)布地圖服務(wù)使不同坐標(biāo)系下的矢量數(shù)據(jù)與在線地圖進(jìn)行同步匹配，實(shí)現(xiàn)了在WebGIS平臺(tái)下用戶對(duì)矢量文件的在線審查、分析等功能，并以實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明了該方法的有效性。

動(dòng)態(tài)矢量數(shù)據(jù)；快速匹配；同名節(jié)點(diǎn)；在線地圖；Uploadify

城市勘測(cè)設(shè)計(jì)是城市規(guī)劃、建設(shè)的基礎(chǔ)和前提，也是城鄉(xiāng)規(guī)劃管理過(guò)程中不可分割的工作環(huán)節(jié)，可為城鄉(xiāng)規(guī)劃提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和保障[1-2]。目前，城市規(guī)劃部門積累了龐大的數(shù)據(jù)和文檔資料，且呈現(xiàn)多元化(紙質(zhì)、圖片、AutoCAD、Shape文件)等特點(diǎn)，因此迫切需要運(yùn)用現(xiàn)代信息化手段對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。AutoCAD擁有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)交互能力，可以進(jìn)行多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，是目前最主要的繪圖工具，在制圖表現(xiàn)形式方面具有GIS系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[3-4]，但其在管理地理信息數(shù)據(jù)方面存在局限性，如拓?fù)潢P(guān)系和空間數(shù)據(jù)的分析方面難以實(shí)現(xiàn)等。隨著WebGIS在城鄉(xiāng)規(guī)劃、工程勘測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，用戶需要將AutoCAD生成的數(shù)據(jù)文件與WebGIS發(fā)布的地圖服務(wù)進(jìn)行疊加分析，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合，便于對(duì)比地圖數(shù)據(jù)和地圖底圖兩者在地塊形狀、空間位置、坐標(biāo)等方面的差異，并及時(shí)進(jìn)行修改和完善，從而簡(jiǎn)化操作流程，提高工作效率。在C/S架構(gòu)下，客戶端通常是將AutoCAD圖形數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入ArcGIS平臺(tái)指定的空間，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的疊加[5-6]。而B/S架構(gòu)模式下客戶端只有瀏覽器[7]，無(wú)法直接導(dǎo)入AutoCAD矢量數(shù)據(jù)，使得WebGIS系統(tǒng)難以實(shí)時(shí)提供AutoCAD矢量數(shù)據(jù)的在線疊加功能，即無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)疊加分析，從而制約了WebGIS系統(tǒng)的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[8]提出R+樹對(duì)疊加算法進(jìn)行改進(jìn)，但當(dāng)圖層中圖元數(shù)目較多、數(shù)據(jù)量較大時(shí)，該方法計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)。文獻(xiàn)[9]提出利用更新后的地圖要素對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)范圍計(jì)算對(duì)應(yīng)的行列號(hào)，以此重新生成該范圍內(nèi)的瓦片，但當(dāng)在線編輯地理要素涉及的空間范圍較大時(shí)，該方法計(jì)算過(guò)程比較繁瑣。針對(duì)AutoCAD數(shù)據(jù)與GIS底圖圖斑外邊界較為規(guī)則、類型相對(duì)單一等特點(diǎn)，現(xiàn)有的點(diǎn)特征匹配方法難以滿足同名點(diǎn)匹配精度要求，本文提出一種顧及地圖空間關(guān)系的節(jié)點(diǎn)向量同名點(diǎn)匹配方法，可使AutoCAD數(shù)據(jù)文件與GIS底圖進(jìn)行精確配準(zhǔn)與疊加，利用WebGIS平臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)布的AutoCAD矢量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)與在線地圖在線準(zhǔn)確匹配，并以實(shí)例驗(yàn)證本文所提方法的有效性。

1 不同坐標(biāo)系下的AutoCAD數(shù)據(jù)與GIS底圖疊加方法

AutoCAD矢量數(shù)據(jù)與WebGIS系統(tǒng)發(fā)布的地圖服務(wù)進(jìn)行疊加，首先需要將AutoCAD矢量數(shù)據(jù)上傳至GIS服務(wù)器，然后轉(zhuǎn)換成Map Service進(jìn)行服務(wù)發(fā)布。不同坐標(biāo)系的矢量數(shù)據(jù)文件需要通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成同一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

1.1 基于節(jié)點(diǎn)向量的同名點(diǎn)匹配方法

本文提出利用兩節(jié)點(diǎn)間的距離L、梯度R及節(jié)點(diǎn)間的地圖空間關(guān)系作為判斷同名點(diǎn)的約束條件，不僅能提高計(jì)算效率(局部匹配，參與計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)少)，同時(shí)也能保證匹配的精度。具體步驟如下：

(1)

(2)

式中，XP、YP和XPi、YPi為節(jié)點(diǎn)P和Pi在圖層M1的坐標(biāo)值。同理，可根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算圖層M2中Q節(jié)點(diǎn)與其相鄰節(jié)點(diǎn)的距離LQ和RQ。

(2) 對(duì)比M1、M2圖層各節(jié)點(diǎn)L和R是否相同，若兩者相同，則通過(guò)對(duì)應(yīng)的地圖空間關(guān)系建立相應(yīng)的同名點(diǎn)，否則重復(fù)上述步驟，繼續(xù)進(jìn)行對(duì)比。

1.2 七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型

通過(guò)上述過(guò)程，可得到1980西安坐標(biāo)系與1954北京坐標(biāo)系同名點(diǎn)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，然后采用七參數(shù)法坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型(Bursary-Wolf模型的簡(jiǎn)化形式[10-11])對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

(3)

式中，Δx、Δy、Δz及εx、εy、εz分別為平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)；k為尺度因子。

通過(guò)式(3)求出轉(zhuǎn)換參數(shù)后，可以再利用布爾沙模型進(jìn)行各種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。如果僅考慮平面坐標(biāo)，Z值近似為0，則式(3)可簡(jiǎn)化為

(4)

1.3 AutoCAD數(shù)據(jù)與GIS底圖疊加方法

1.3.1 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)式(4)得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算坐標(biāo)值，精度難以滿足實(shí)際要求。因此，本文采用隨機(jī)抽樣一致性(random sample consensus,RANSAC)通過(guò)迭代方式對(duì)解算的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。RANSAC是Fischler提出的一種魯棒模型估計(jì)方法[12]，其基本思想是將一組觀測(cè)數(shù)據(jù)分為局內(nèi)點(diǎn)和局外點(diǎn)兩種，初始均設(shè)定為局內(nèi)點(diǎn)，隨機(jī)選取觀測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)化模型，重復(fù)迭代對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)集取樣得到最多局內(nèi)點(diǎn)的參數(shù)估計(jì)為最佳模型矩陣。采用RANSAC算法求參數(shù)H的具體流程為：

(1) 在控制點(diǎn)對(duì)中隨機(jī)選取兩組控制點(diǎn)對(duì),用式(4)解方程組，得到單應(yīng)矩陣參數(shù)H。

(2) 根據(jù)計(jì)算得到的參數(shù)H，測(cè)試其他控制點(diǎn)對(duì)，采用Sampson距離[13]計(jì)算誤差距離Dis。

(3) 將誤差距離大于閾值的控制點(diǎn)對(duì)設(shè)為局外點(diǎn)，反之則為局內(nèi)點(diǎn)。

(4) 重復(fù)上述步驟，直到遍歷所有點(diǎn)對(duì)。

根據(jù)RANSAC算法保留了局內(nèi)點(diǎn)最多的參數(shù)H估計(jì)值，該參數(shù)H為最優(yōu)參數(shù)。

1.3.2 疊加流程

AutoCAD數(shù)據(jù)與GIS底圖疊加的具體技術(shù)如下：

(1) 上傳圖形文件?？蛻舳诉x擇與WebGIS系統(tǒng)發(fā)布服務(wù)進(jìn)行疊加顯示的AutoCAD圖形文件，WebGIS通過(guò)Web Service將該文件上傳至ArcGIS Server，用于發(fā)布服務(wù)。

(2) 讀取圖形文件。ArcObjects不僅具備發(fā)布地圖服務(wù)的功能，還具有靈活的編輯功能和強(qiáng)大的空間分析能力[14]。在GIS服務(wù)器新建一個(gè)空白的MXD文檔，使用ArcObjects將AutoCAD圖形作為一個(gè)整體由Cadlayer讀取。

(3) AutoCAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MXD文檔。將WebGIS系統(tǒng)發(fā)布地圖服務(wù)所在的空間位置賦予讀取后的FeatureLayer，并將FeatureLayers添加到MXD圖層集中保存。

(4) 發(fā)布地圖服務(wù)。在服務(wù)器上使用擁有發(fā)布Map Service權(quán)限的用戶標(biāo)識(shí)連接到ArcGIS Server，然后新建一個(gè)Map Service并進(jìn)行基本配置，將MAD文檔賦予該Map Service，完成服務(wù)發(fā)布。在客戶端，用戶根據(jù)發(fā)布的Map Service及WebGIS發(fā)布的服務(wù)進(jìn)行疊加顯示和在線分析。

1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.4.1 文件上傳

由于WebGIS不能直接使用ArcObjects讀取AutoCAD矢量數(shù)據(jù)文件，因此需要利用Uploadify插件讀取文件并進(jìn)行上傳。Uploadify函數(shù)的參數(shù)為JSON格式，通過(guò)修改JSON對(duì)象的Key值可進(jìn)行自定義設(shè)置，如Key值中的Value可設(shè)為字符串類型、布爾類型或?qū)ο箢愋?。本文將Key值的Value設(shè)為對(duì)象類型，實(shí)現(xiàn)AutoCAD文件的上傳。

1.4.2 矢量數(shù)據(jù)讀取

ArcGIS Server不能直接將AutoCAD矢量數(shù)據(jù)發(fā)布為Map Service，需要利用ArcObjects將AutoCAD數(shù)據(jù)讀取到FeatureLayer，賦予特定的空間位置并添加至MXD文檔。本文以某宗地為例，在該宗地邊界四周按順時(shí)針?lè)较驈淖笊辖情_始，依次選取8個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(1980西安坐標(biāo)系)，然后根據(jù)以上方法，計(jì)算這8個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的1954北京坐標(biāo)(見表1)。

表1 轉(zhuǎn)換后的1954北京坐標(biāo)與已知的1954北京坐標(biāo)

1.4.3 服務(wù)發(fā)布

通過(guò)ArcGIS Server發(fā)布保存在MXD中的AutoCAD矢量數(shù)據(jù)，客戶端通過(guò)加載Map Service與WebGIS發(fā)布的地圖服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)疊加分析。

1.5 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

以Visual Studio2012作為開發(fā)環(huán)境，ArcGIS Server作為地圖服務(wù)平臺(tái)，采用JavaScript腳本語(yǔ)言編寫后臺(tái)代碼，同時(shí)結(jié)合HTML和CSS語(yǔ)言進(jìn)行前臺(tái)頁(yè)面的展示和布局，使用SQL Server 2008存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用Ajax和JSON進(jìn)行前后臺(tái)數(shù)據(jù)的交互[15]。數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并利用空間數(shù)據(jù)引擎，將AutoCAD數(shù)據(jù)加載到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)RDBMS。

(1) 數(shù)據(jù)層：建立基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和勘測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)ArcSDE和SQL Server2008分別實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

(2) 應(yīng)用層：以Microsoft.NET框架作為基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)，以ArcGIS作為通用的業(yè)務(wù)GIS平臺(tái)。服務(wù)器端利用ArcGIS Server構(gòu)建勘測(cè)總規(guī)圖、遙感影像圖、路網(wǎng)和電子地圖底圖相關(guān)服務(wù)。

(3) 表現(xiàn)層：以ArcGIS API for JavaScript開發(fā)庫(kù)調(diào)用地圖的相關(guān)服務(wù)，通過(guò)Ajax進(jìn)行前后臺(tái)數(shù)據(jù)的交互,并借助于瀏覽器通過(guò)HTML和CSS等語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀展現(xiàn)。

本文基于ArcGIS Server開發(fā)的城市勘測(cè)規(guī)劃數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了AutoCAD矢量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布及AutoCAD矢量數(shù)據(jù)與在線地圖的實(shí)時(shí)在線疊加功能，建立了AutoCAD矢量數(shù)據(jù)上傳、AutoCAD矢量數(shù)據(jù)AO讀取、空間參考賦值、發(fā)布地圖服務(wù)等一整套技術(shù)流程。

2 結(jié)果分析

利用本文所提方法在試驗(yàn)宗地塊上按順時(shí)針?lè)较蛞来螐淖笊辖沁x取了8個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)，疊加效果如圖1所示。由圖1可以看出，用戶可更直觀地對(duì)AutoCAD圖形文件與GIS地圖進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 CAD矢量數(shù)據(jù)發(fā)布

轉(zhuǎn)換后的1954北京坐標(biāo)與已知的1954北京坐標(biāo)對(duì)比結(jié)果見表2。由表2可知，點(diǎn)位的MX(X坐標(biāo)中誤差)、MY(Y坐標(biāo)中誤差)分別為0.042 m和0.054 m，平面位置中誤差為MS=0.127 m；X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)方向上的小于或等于3MS的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為7個(gè)和8個(gè)，分別占總數(shù)的87.5%和100%，說(shuō)明本文所提方法能夠滿足用戶實(shí)時(shí)在線疊加和分析的精度要求。

表2 1980西安坐標(biāo)系與1954北京坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度統(tǒng)計(jì) m

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出建立了一種基于節(jié)點(diǎn)向量同名節(jié)點(diǎn)(無(wú)幾何畸變)的快速轉(zhuǎn)換模型匹配方法，設(shè)計(jì)研發(fā)了城市勘測(cè)中心數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過(guò)AO(ArcObjects)/ArcGIS Server發(fā)布地圖服務(wù)使不同坐標(biāo)系下的矢量數(shù)據(jù)與在線地圖進(jìn)行同步匹配，實(shí)現(xiàn)了用戶利用WebGIS平臺(tái)對(duì)矢量文件在線審查、分析等功能，實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明了該方法的有效性。

[1] 肖建華.城市勘測(cè)規(guī)劃信息化建設(shè)30年回顧與展望.[J].城市勘測(cè)，2008(4):8-13.

[2] 郭英起，唐彬，張秋江,等.基于空間直角坐標(biāo)系的高精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2012,32(3):125-128.

[3] 康玲，傅俊峰，王懷清,等.基于ArcGIS Server的WebGIS應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)[J].水電能源科學(xué)，2007(1):26-29.

[4] 張新長(zhǎng)，郭泰圣，唐鐵.一種自適應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)增量更新方法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2012,41(4):613-619.

[5] 王閃，彭清山，程琦,等，一種基于WebGIS的AutoCAD矢量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布方法[J]. 測(cè)繪通報(bào),2013(11):106-108.

[6] 崔鐵軍，郭黎.多源地理空間矢量數(shù)據(jù)集成與融合方法探討[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2007,24(1):1-4.

[7] 吳風(fēng)華，張亞寧.應(yīng)用WebGIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)二三維一體化系統(tǒng)[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(7):125-127.

[8] 董鵬，李金平，白予琦,等.基于改進(jìn)四叉樹索引的矢量地圖疊加分析算法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2004,16(4)：530-534.

[9] 郭明武，彭清山，李黎.ArcGIS Server中地圖瓦片實(shí)時(shí)在線局部更新方法研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2012(2):35-38.

[10] 劉基余，李佂航，王躍虎，等.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[M].北京：測(cè)繪出版社，1999.

[11] 王奇勝，朱長(zhǎng)青，符浩軍.利用數(shù)據(jù)點(diǎn)定位的矢量地理數(shù)據(jù)數(shù)字水印算法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2013,42(2):310-316.

[12] BARRANCO M J, NOGUERA J M, CASTRO J, et al. A Context-aware Mobile Recommender System Based on Location and Trajectory[C]∥Management Intelligent Systems. [S.l.]: Springer, 2012: 153-162.

[13] FISCHLER M A. Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated Cartography[J]. Readings in Computer Vision, 1987, 24(6):726-740.

[14] 韓敏，戴步成，鄭丹晨，等.ArcGIS Server 電子地圖研究與應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué)，2011，36(3):204-206.

[15] 周紅波，趙建民，袁文翠.AutoCAD圖形數(shù)據(jù)向ArcInfo數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換問(wèn)題的研究[J].石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010(2):41-44.

Real-time Publishing and Implementation of Dynamic Vector Data and Online Map

LI Hongyu1,LU Xiaoping1,WANG Zhijun2,DOU Xipeng2

(1. Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies，National Administration of Surverying，Mapping and Geoinformation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003, China； 2. Henan Hydraulic Engineering Investigation and Surveying Co.Ltd., Zhengzhou 450003, China)

In order to meet the needs of the application that the AutoCAD vector data and the maps published by WebGIS need to overlay analysis, this paper proposes a method to find the corresponding position of the same name point in two kinds of heterogeneous data, and establishes a method based on the same point of the node vector (no geometric distortions ), and the vector data of different coordinate systems are synchronized with the online map through AO (ArcObjects)/ArcGIS Server.This system can realize the online review and analysis of vector files under WebGIS platform. The application results show that the method is effective.

dynamic vector data; fast matching; correspondence nodes; online map; Uploadify

李鴻宇，盧小平，王志軍,等.動(dòng)態(tài)矢量數(shù)據(jù)與在線地圖的實(shí)時(shí)發(fā)布與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(4)：104-107.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0131.

2016-08-18

2016年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0803103)；河南省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(14IRTSTHN026)；河南省創(chuàng)新型科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃

李鴻宇(1990—)，男，碩士生，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)。E-mail：lihongyu1022@126.com

盧小平

P208

A

0494-0911(2017)04-0104-04