陳建文 石木耀 郭立新

(1. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306;2. 華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 河北 唐山 063210)

0 引言

近30年來,在基礎(chǔ)測(cè)繪領(lǐng)域中通常采用歐特克計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Autodesk Computer Aided Design,CAD)軟件制作工程測(cè)量圖,它們?yōu)閲窠?jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)支持。隨著近些年“智慧城市”建設(shè)的興起,人們的日常生活越來越依靠地理空間信息服務(wù),而作為城市規(guī)劃、資源利用、輔助決策的依據(jù)[1],更加需要整合多源異構(gòu)的地理空間數(shù)據(jù),構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及屬性,形成一個(gè)共享數(shù)據(jù)庫平臺(tái)。

為此,國內(nèi)學(xué)者展開了工程測(cè)繪數(shù)據(jù)向空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的相關(guān)研究。李亭等[2]使用.sdb數(shù)據(jù)引擎將dxf地形圖文件轉(zhuǎn)換為Supermap簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)集,為空間數(shù)據(jù)庫的建立提供了技術(shù)依據(jù)。裴喜安[3]通過制定CASS碼和地理要素國標(biāo)碼的參照表,采用VB.net和SuperMap Objects二次開發(fā)的方式,將CASS數(shù)據(jù)逐一地轉(zhuǎn)換為SuperMap數(shù)據(jù)。張麗娟等[4]首先基于空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)(Feature Manipulate Engine, FME)將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Mapinfo中間格式數(shù)據(jù),再采用SuperMap Objects導(dǎo)入和轉(zhuǎn)換中間數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了向SuperMap數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。以上技術(shù)方法滿足了SuperMap數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換的要求,為空間數(shù)據(jù)庫的建立起到了很好的助力作用。

然而,CAD數(shù)據(jù)圖形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大,在實(shí)際應(yīng)用中常常會(huì)出現(xiàn)屬性信息丟失、數(shù)據(jù)冗余等狀況。因此,本文提出了一種新的構(gòu)建SuperMap空間數(shù)據(jù)庫的方法,并結(jié)合數(shù)據(jù)實(shí)例進(jìn)行了論證。通過消除數(shù)據(jù)模型差異,建立語義映射關(guān)系,完整保留了圖形的數(shù)據(jù)信息,提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的效率與準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)了城市基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)的無損轉(zhuǎn)換和高效建庫,將對(duì)“智慧城市”的建設(shè)與發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)模型分析

CAD與地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)的側(cè)重點(diǎn)不同,因此,兩者在數(shù)據(jù)模型上存在本質(zhì)上的區(qū)別。CAD數(shù)據(jù)模型側(cè)重于圖形的設(shè)計(jì)而忽略其屬性數(shù)據(jù),且只以文件形式存儲(chǔ)。而GIS數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)側(cè)重于空間數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ),兼顧圖形和屬性信息的表達(dá),支持文件和關(guān)系數(shù)據(jù)庫兩種存儲(chǔ)形式。

1.1 CAD數(shù)據(jù)模型

CAD通過點(diǎn)、線、符號(hào)等形式表達(dá)地理要素的幾何位置、形態(tài)、大小等屬性特征,其圖形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件包括dwg和dxf兩種格式。dwg格式文件是最常用的圖形文件,由頭、實(shí)體、塊和表等部分組成,點(diǎn)、線、面等圖形元素按照特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮處理,以二進(jìn)制形式記錄在文件中,相關(guān)的線形、注記、顏色等屬性與幾何數(shù)據(jù)一同封裝。

基于面向?qū)ο蟮乃枷?可將每個(gè)制圖元素看作為一個(gè)對(duì)象,基本的對(duì)象實(shí)體有塊、線、面、文本4類[5],如圖1所示。其中,塊是由任意若干個(gè)圖形元素構(gòu)成的集合,一個(gè)塊就是一個(gè)實(shí)體,可作為一個(gè)整體進(jìn)行插入、縮放等操作。線是由多個(gè)點(diǎn)組成的線實(shí)體,主要包括直線段(Line)、多段線(Ployline)、圓弧(Arc)、圓(Circle)、橢圓弧(EllipseArc)、射線(Ray)、圓環(huán)(Donut)、構(gòu)造線(Xline)和樣條曲線(Spline)等多種類型。

圖1 CAD數(shù)據(jù)模型

1.2 SuperMap數(shù)據(jù)模型

SuperMap軟件是北京超圖公司研發(fā)的全組件GIS開發(fā)平臺(tái),其數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)集的形式組織和實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)集是同種類型數(shù)據(jù)的集合,分為矢量、柵格、影像數(shù)據(jù)集等,通常一個(gè)數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)一個(gè)圖層。其中,矢量數(shù)據(jù)集是由空間要素組成的集合(也稱為要素集),用于存儲(chǔ)和管理矢量數(shù)據(jù),包括點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)集等。

矢量數(shù)據(jù)集存儲(chǔ)的空間幾何要素由數(shù)據(jù)集的類型決定,如面數(shù)據(jù)集只能存儲(chǔ)面要素,每個(gè)空間要素通過一條特定的記錄集來記錄其空間屬性[6]。具有不同空間特征和性質(zhì)的地理實(shí)體,對(duì)應(yīng)不同類型的Geometry對(duì)象。SuperMap數(shù)據(jù)模型如圖2所示,幾何對(duì)象可分為點(diǎn)(GeoPoint)、線(GeoLine)、面(GeoRegion)、文本(GeoText)等。線對(duì)象類型包括直線(GeoLine)、圓弧(GeoArc)、圓(GeoCircle)、橢圓弧(GeoEllipseArc)、橢圓(GeoEllipse)和B樣條曲線(GeoBSpline)。不同類型的線對(duì)象不能通過任意組合的方式來表達(dá)復(fù)雜的連續(xù)線狀地物。

圖2 SuperMap數(shù)據(jù)模型

1.3 圖元對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖元是圖形表示的最小單位,CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)之間的區(qū)別主要體現(xiàn)在圖元表達(dá)方式的不同。CAD中的基本圖元要素有點(diǎn)、塊、線、文本等,而SuperMap圖元有點(diǎn)、線、面和注記等。盡管兩者存在差異,但仍可建立圖元之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如表1所示,它是進(jìn)行數(shù)據(jù)互操作的基礎(chǔ)。以面狀地物為例,CAD注重地物的視覺表達(dá),不存在拓?fù)潢P(guān)系的反映,采用閉合多段線來表示面,但本質(zhì)意義上還是線圖元;而SuperMap中具有嚴(yán)格意義的拓?fù)潢P(guān)系,面實(shí)體必須是連續(xù)封閉的。因此,建立CAD閉合多段線與SuperMap面圖元的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 CAD與SuperMap圖元的對(duì)應(yīng)關(guān)系

續(xù)表1

2 空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.1 流程設(shè)計(jì)

空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建需經(jīng)過圖紙規(guī)范化預(yù)處理、數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)檢查與修復(fù)等過程,如圖3所示。首先,在CAD工作環(huán)境下,根據(jù)制定的規(guī)范編輯處理原始工程圖數(shù)據(jù);其次讀取dwg文件數(shù)據(jù)信息,并創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)集文件,再執(zhí)行各種類型實(shí)體數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與寫入;最后檢查與修復(fù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),完成SuperMap空間數(shù)據(jù)建庫。

圖3 空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建流程圖

2.2 圖紙預(yù)處理

為提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的效率和質(zhì)量,須對(duì)原始圖紙數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化預(yù)處理[7-8],減少在轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)的問題?，F(xiàn)有工程圖紙數(shù)據(jù)多為不同時(shí)期測(cè)量采集,人工操作多,數(shù)據(jù)輸入操作不嚴(yán)謹(jǐn),通常存在一些質(zhì)量問題。因此,在編輯現(xiàn)有或繪制新CAD圖紙時(shí),應(yīng)制定一套處理規(guī)范,用于指導(dǎo)數(shù)據(jù)的編輯處理與新圖的繪制。良好的圖紙規(guī)范能夠使得現(xiàn)有測(cè)繪數(shù)據(jù)及其數(shù)字化成果既能滿足傳統(tǒng)制圖需要,又能適用于各種GIS軟件在顯示、分析等方面的應(yīng)用。

圖紙規(guī)范的制定應(yīng)主要考慮目標(biāo)數(shù)據(jù)表達(dá)的需要,可做少量適當(dāng)?shù)男薷?其部分要求如下：

(1)圖層劃分與命名：分層應(yīng)盡量詳細(xì),不同專題要素分層存放,各層圖形要素類型單一(如房屋圖層只含有面要素);每個(gè)圖層使用含義清楚的中文來命名。

(2)點(diǎn)狀要素：點(diǎn)類型的地物盡量采用塊參照表示。小型塊參照應(yīng)保證是一個(gè)整體對(duì)象且未被打散,可直接作為點(diǎn)地物來轉(zhuǎn)換;大型塊參照可都打散,轉(zhuǎn)換成基本的圖形元素(如直線、圓弧、橢圓弧等線要素),有助于更好地轉(zhuǎn)換和顯示。對(duì)于塊參照對(duì)象的邊界,可再新建一個(gè)圖層進(jìn)行相應(yīng)繪制。

(3)線狀要素：合并屬于同一個(gè)線狀要素的若干個(gè)線狀圖形,保證線狀要素的連續(xù)性;線要素圖形不易修改時(shí)可新建一個(gè)圖層,復(fù)制圖形再進(jìn)行修改或重新繪制。

(4)面狀要素：使用閉合的多段線命令繪制面狀圖形,未閉合的面(起點(diǎn)和終點(diǎn)距離十分接近)進(jìn)行閉合處理。對(duì)于未閉合的單條多段線使用編輯多義線快捷命令,再直接選擇該線段使其閉合即可;對(duì)于未閉合的多條多線段,需先使用編輯多義線命令,再輸入多條命令來選中多條線段,最后使用合并命令使其全部閉合?？傊?須確保面狀要素完全閉合。

(5)文字注記：需進(jìn)行分層處理,且保證注記的整體性。

(6)圖形檢查和編輯：部分圖紙中存在不易被發(fā)現(xiàn)的問題(如圖形間的壓蓋現(xiàn)象),需對(duì)圖紙文件仔細(xì)檢查,并編輯處理問題數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換2.3.1 dwg數(shù)據(jù)讀取

dwg數(shù)據(jù)由Teigha.net類庫讀取。Teigha.net以前被稱為OpenDWG和DWGDirect,由開放設(shè)計(jì)聯(lián)盟(Open Design Alliance,ODA)設(shè)計(jì)開發(fā)的一套面向?qū)ο箢悗?、支持多個(gè)版本的dwg文件,可直接讀取dwg文件數(shù)據(jù)[9]?；谠擃悗扉_發(fā)的應(yīng)用程序,可脫離CAD軟件平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行,高效安全。本研究采用的版本是Teigha.net 4.00,核心類庫在文件TD_Mgd_4.00_10.dll中。

在Teigha.Net for .dwg中,dwg文件在內(nèi)存中由一個(gè)OdDbdatabase類的實(shí)例表示,以一系列對(duì)象的形式保存其各種信息。每個(gè)OdDbdatabase由9個(gè)符號(hào)表和1個(gè)對(duì)象字典組成,即視圖表(ViewTable)、文本樣式表(TextStyleTable)、線型表(LineTypeTable)、尺寸表(DimStyleTable)、視口表(Viewport Table)、用戶坐標(biāo)系表(UCSTable)、注冊(cè)應(yīng)用程序表(RegAppTable)、塊表(BlockTable)、層表(LayerTable)和對(duì)象字典(DBDictionary)。其中,層表和塊表分別包含多個(gè)層表記錄(LayerTableRecord)和塊表記錄(BlockTableRecord),層表記錄代表CAD圖層,圖形實(shí)體數(shù)據(jù)(點(diǎn)、直線、圓弧等)包含在塊表記錄中,如圖4所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),調(diào)用相應(yīng)的類和方法即可訪問和獲取dwg文件中的實(shí)體數(shù)據(jù)和圖層等信息。例如,調(diào)用ReadDwgFile()方法讀取指定的dwg文件;調(diào)用GetType()方法獲得實(shí)體的不同類型,當(dāng)實(shí)體類型為AcDbCircle時(shí),表示獲取圓的信息。

2.3.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)是通過調(diào)用Supermap Objects組件提供的相關(guān)函數(shù)方法和數(shù)據(jù)接口,創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)集文件,轉(zhuǎn)換并寫入實(shí)體的幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。參照?qǐng)D元對(duì)應(yīng)關(guān)系,以及兩者圖形實(shí)體對(duì)象間的屬性和方法,可歸納為以下4種實(shí)體類型(點(diǎn)、線、面和注記)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：

(1)點(diǎn)轉(zhuǎn)換：CAD中的點(diǎn)狀圖形包括單點(diǎn)類型(DBPoint)和塊參照類型(Block Reference)。其方法是通過讀取圖形的坐標(biāo)信息,利用X、Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)在點(diǎn)數(shù)據(jù)集中進(jìn)行構(gòu)點(diǎn)。

(2)線轉(zhuǎn)換：根據(jù)組合方式可分為簡(jiǎn)單線和復(fù)雜線兩類。線轉(zhuǎn)換的基本方法是通過讀取線圖形的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息,然后在線數(shù)據(jù)集中順序連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)線。簡(jiǎn)單線類型(如直線),通過讀取起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo),連接兩點(diǎn)即可直接構(gòu)線;復(fù)雜線類型(如圓弧),通過讀取圓弧的圓心、圓弧半徑、圓弧的起始角度、圓弧所掃過的角度等信息構(gòu)造圓弧上的點(diǎn),然后再進(jìn)行構(gòu)線。

(3)面轉(zhuǎn)換：CAD中無面狀圖形,通過閉合多段線(Polyline)實(shí)現(xiàn)面的表達(dá)。面轉(zhuǎn)換主要包括閉合多段線、圓、橢圓3種實(shí)體類型,圓和橢圓可看作是分段數(shù)趨于無窮的閉合多邊形。面轉(zhuǎn)換的基本方法是通過讀取面圖形的各個(gè)節(jié)點(diǎn)及其他相關(guān)信息,在面數(shù)據(jù)集中先進(jìn)行構(gòu)線,再通過ConvertToRegion()方法轉(zhuǎn)換生成為面對(duì)象,其平滑程度取決于等分的段數(shù)。例如,對(duì)于橢圓類型,通過讀取橢圓的圓心、長半軸、短半軸和旋轉(zhuǎn)角度(旋轉(zhuǎn)基點(diǎn)為橢圓的圓心)等信息,然后進(jìn)行構(gòu)線及構(gòu)面。

(4)注記轉(zhuǎn)換：文字注記包括單行文本(DBText)和多行文本(MText)。注記的轉(zhuǎn)換方法是通過讀取文字注記的相關(guān)信息,在點(diǎn)數(shù)據(jù)集中進(jìn)行繪制。其幾何信息來自插入的CAD文本基點(diǎn),屬性信息來自文本內(nèi)容。通過制作標(biāo)簽專題圖的方式即可顯示注記的文本內(nèi)容。

2.4 數(shù)據(jù)檢查與修復(fù)

轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)文件可能包含一些圖形錯(cuò)誤,并不能完全滿足實(shí)際需要。因此,在入庫之前需先比較轉(zhuǎn)換前后的數(shù)據(jù)丟失情況,并進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。數(shù)據(jù)丟失情況可通過比較點(diǎn)、線、面圖形要素以及文本注記的正確轉(zhuǎn)換個(gè)數(shù),以及圖形信息和屬性信息是否正確對(duì)應(yīng)。質(zhì)量控制是對(duì)點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)的幾何和屬性邏輯的可靠程度進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查,并采用相應(yīng)的處理方法[10],主要包括圖形拓?fù)?、分類編碼、擴(kuò)展屬性等方面。例如：對(duì)房屋地物等面狀要素進(jìn)行封閉檢查、重疊檢查和覆蓋檢查,針對(duì)問題數(shù)據(jù)進(jìn)行面狀修復(fù),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),便于與原數(shù)據(jù)對(duì)照和修改。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過自主編程的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,可達(dá)到簡(jiǎn)化操作的效果。在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下,使用C#編程語言,引入Teigha.net類庫和SuperMap iObjects組件,開發(fā)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(CAD2SuperMap),同時(shí)借助AutoCAD 2008、SuperMap iDesktop 9D軟件,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯預(yù)處理和檢查修復(fù),最終實(shí)現(xiàn)了CAD數(shù)據(jù)向SuperMap空間數(shù)據(jù)的無損轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)采用某城區(qū)的基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換試驗(yàn),數(shù)據(jù)包括JDE樓梯區(qū)域(7)、JDE門窗(744)、JDE墻(902)、JDE升電梯(40)、JDE收銀區(qū)域(1496)、JDE文字(47)、JDE消防樓梯(157)等共4006個(gè)圖形要素。圖4(a)～(b)為數(shù)據(jù)截圖,對(duì)比結(jié)果表明,點(diǎn)、線、面圖形要素以及文本注記均能正確轉(zhuǎn)換,完整地保留了圖形的數(shù)據(jù)信息和屬性信息,且圖面表達(dá)效果與原圖形保持一致。

圖4 轉(zhuǎn)換前后對(duì)比圖

3.2 空間數(shù)據(jù)應(yīng)用

轉(zhuǎn)換后的空間數(shù)據(jù)應(yīng)能夠有效應(yīng)用于地理信息系統(tǒng),滿足空間分析、管理與輔助決策等方面的需要。即能夠?qū)Φ乩砜臻g數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算,提取其所需的潛在信息并提供決策支持,同時(shí)還能將分析所得的結(jié)果用可視化的方式進(jìn)行表達(dá),易于用戶理解和進(jìn)一步利用。

空間分析是GIS的核心技術(shù),也是區(qū)別于CAD及其他信息系統(tǒng)的主要特征,包括空間信息量算與查詢、緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析等方法。其中,空間信息量算是根據(jù)目標(biāo)對(duì)象的空間位置,獲取地理要素間的距離、面積、方位等信息。在SuperMap軟件中打開轉(zhuǎn)換后的空間數(shù)據(jù),選取其中樓梯的起終點(diǎn)、消防電梯的4個(gè)頂點(diǎn),分別進(jìn)行距離量算與面積量算,可知樓梯的總距離為2.34 m,消防電梯的面積為3.24 m2,如圖5所示。

圖5 空間信息量算結(jié)果

4 結(jié)束語

工程測(cè)量圖是地理空間數(shù)據(jù)建庫的重要數(shù)據(jù)源。通過對(duì)CAD數(shù)據(jù)模型和SuperMap數(shù)據(jù)模型的分析,建立了兩者的圖元對(duì)應(yīng)關(guān)系,并制定了原始圖紙數(shù)據(jù)的預(yù)處理規(guī)范,同時(shí)利用開源類庫和組件提供的數(shù)據(jù)接口,實(shí)現(xiàn)了某城區(qū)工程測(cè)量數(shù)據(jù)的規(guī)范處理與讀取,以及向地理空間數(shù)據(jù)的無損轉(zhuǎn)換和入庫,最終建立了一個(gè)滿足空間可視化分析與應(yīng)用的城市基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫。

然而,在實(shí)際應(yīng)用中,CAD中的線型數(shù)據(jù)多而復(fù)雜,其處理工作及轉(zhuǎn)換模型還需進(jìn)一步優(yōu)化。未來,隨著“智慧城市”的興起與發(fā)展,將引入應(yīng)用人工智能等新一代信息技術(shù),提高多源異構(gòu)城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的自動(dòng)整合效率和準(zhǔn)確性,最終形成一個(gè)統(tǒng)一的城市地理空間數(shù)據(jù)共享平臺(tái),全面地、智能化地融入城市建設(shè)、發(fā)展、規(guī)劃和決策等各個(gè)方面。