cad数据与gis数据融合方法研究

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第43卷第3期2020年3月
测绘与空间地理信息
GEOMATICS&SPATIALINFORMATIONTECHNOLOGY
Vol.43ꎬNo.2Mar.ꎬ2020
收稿日期:2018-10-08
作者简介:张㊀洪(1994-)ꎬ男ꎬ四川三台人ꎬ地理信息系统专业硕士研究生ꎬ主要研究方向为空间数据挖掘与建模ꎮ
CAD数据与GIS数据融合方法研究
张㊀洪1ꎬ卢廷玉2
(1.哈尔滨师范大学地理科学学院ꎬ黑龙江哈尔滨150025ꎻ
2.哈尔滨师范大学寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室ꎬ黑龙江哈尔滨150025)
摘要:AutoCAD数据和GIS数据的数据模型差异导致的异构性ꎬ是AutoCAD数据与GIS数据之间难以实现无损
转换㊁无缝融合的根本原因ꎮ从以上根本原因出发ꎬ提出了两种基于语义的AutoCAD数据与GIS数据融合方案ꎬ并给出了利用AutoCAD进行数据生产作业过程中在制图规则㊁数据规范化方面的建议关键词:AutoCADꎻGISꎻ数据融合ꎻ语义转换
中图分类号:P208㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-5867(2020)03-0086-04
ResearchonCADDataandGISDataFusionMethod
ZHANGHong1ꎬLUTingyu2
(1.CollegeofGeographicalScienceꎬHarbinNormalUniversityꎬHarbin150025ꎬChinaꎻ2.HeilongjiangProvinceKeyLaboratoryofGeographicalEnvironmentMonitoringandSpatialInformationServiceinColdRegionsꎬHarbinNormalUniversityꎬHarbin150025ꎬChina)
Abstract:TheheterogeneousdatamodelleadingtothedifferenceofAutoCADdataandtheGISdataisthefundamentalreasonforthelosslesstransformationandseamlessintegrationbetweenAutoCADdataandGISdata.Basedontheabovereasonsꎬtwosemanticbased
AutoCADdataandGISdatafusionschemesareproposedꎬandsuggestionsaregiveninthemappingrulesꎬdatastandardizationusingAutoCADdataproductionprocess
Keywords:AutoCADꎻGISꎻdatafusionꎻsemantictransformation
0㊀引㊀言
AutoCAD是面向工程规划㊁设计行业的图形编辑软件ꎬ侧重于几何图形表达㊁可视化展示ꎬ其数据文件DWG(或DXF)中对几何图形的组织方式较为松散ꎬ且不具备空间拓扑关系ꎮ而GIS数据是按照 面向对象 思想来实现对现实世界地物的建模ꎬGIS数据中的对象具有几何形状㊁属性信息㊁空间拓扑㊁符号系统等信息元素ꎬ且按照一定的规则组织数据ꎮAutoCAD数据和GIS数据的数据模型差异导致的异构性ꎬ是AutoCAD数据与GIS数据之间难以实现无损转换㊁无缝融合的根本原因ꎮ本文从以上根本原因出发ꎬ分析了AutoCAD数据与GIS数据在数据模型方面的差异性ꎬ提出了两种基于语义的AutoCAD数据与GIS数据融合方案ꎬ并给出了在制图规则㊁数据规范化方面的建议ꎬ以期从源头上解决AutoCAD数据与GIS数据的融合问题ꎮ
1㊀问题分析
影响AutoCAD数据与GIS数据融合的主要问题ꎬ可
概括为如下几点:
1)坐标系统
AutoCAD中的坐标系统和GIS中的坐标系统虽然都是笛卡尔坐标系ꎬ但其坐标系的意义不同ꎮAutoCAD中的坐标系原点是任意的ꎬ在工程规划㊁设计中ꎬ可根据需求平移ꎬ整个图形也可以同时平移ꎬ甚至旋转㊁缩放ꎬ只要保证各图形间的相对关系即可ꎬ对坐标的绝对值没有特别要求ꎮ但在GIS中ꎬ特定坐标系的原点是固定的ꎬ一般情况下ꎬ不允许对地理要素进行平移㊁旋转㊁缩放等ꎬ强调地理要素坐标绝对值的正确性ꎮ在AutoCAD数据向GIS数据转换过程中ꎬ就会造成AutoCAD数据坐标系与GIS坐标系不一致的情况ꎬ在缺少同名点的情况下ꎬ很难实现坐标纠正ꎬ影响数据的融合和叠加ꎮ
2)几何类型
AutoCAD中的几何类型包括点㊁线段㊁多义线㊁弧㊁圆㊁注记㊁块㊁形等类型ꎬ而GIS数据的类型一般只有点㊁线㊁面㊁注记(不考虑三维数据类型ꎬ如三角扇㊁面片㊁不规则格网等)ꎬ很难通过一一对应的关系实现二者间几何形状的无损转换ꎮ一般情况下ꎬ可能是多对一的关系ꎬ如
AutoCAD中闭合的多义线转为GIS中的面ꎬAutoCAD中的弧转为GIS中的线ꎬAutoCAD中的圆转为GIS中的面等ꎮ在对几何形体㊁长度㊁面积指标等要求较为精确的应用场景中(如精密工业测量㊁房产数据)ꎬ通过GIS中的线拟合AutoCAD中的弧ꎬ或GIS中的多边形拟合AutoCAD中的圆ꎬ对节点的数量是有严格要求的ꎬ若节点数量过多ꎬ尽管可以精确拟合ꎬ但数据冗余大㊁占用过多的物理存储空间ꎻ若节点数量过少ꎬ几何形体㊁长度㊁面积指标等会造成损失ꎬ影响业务应用ꎮ
3)空间拓扑
AutoCAD中的几何实体仅作为图面表达而存在ꎬ只要满足可视化和出图需求即可ꎬ对几何实体的空间拓扑关系没有特殊要求ꎬ如封闭几何形体的首尾节点不闭合㊁悬挂线㊁悬挂点等现象在AutoCAD中经常出现ꎮ而GIS数据对空间拓扑要求较为严格ꎬ以上情况在GIS数据中可能被判定为不合格数据ꎮ因此ꎬ在数据融合过程中ꎬ若AutoCAD数据的空间拓扑关系存在严重问题ꎬ会造成Au ̄toCAD数据无法正确转换成GIS数据ꎮ
4)图层分层
AutoCAD中的图层可以理解为几何实体的容器ꎬ不同几何类型的几何对象都可以归到一个图层中ꎬ而GIS中的图层要求内部的要素必须具有同样的几何类型和属性结构ꎮ若AutoCAD下生产的数据对图层规则定义与GIS中的图层不一致ꎬ则会给二者之间的转换造成很大困难ꎮ5)属性信息
AutoCAD对属性信息管理能力较弱ꎬ属性信息在Au ̄toCAD中有两种表现形式:扩展属性㊁文字注记ꎮ扩展属性与单个几何对象绑定ꎬ结构化特性不强ꎻ文字注记直接标注在图面上ꎬ与要标注的几何对象没有建立强关联关系ꎮ而GIS数据的属性信息通过图层的属性表来定义ꎬ结构化特性强ꎮ两种不同属性信息表达方式ꎬ造成从GIS数据转为AutoCAD数据ꎬ属性信息可以无损地转换过去ꎬ而AutoCAD数据转为GIS数据ꎬ要逐个抽取几何对象的扩展属性ꎬ解析字段名和字段值ꎬ甚至要解析注记信息ꎬ工作量大且极易造成信息损失ꎮ
6)符号系统
AutoCAD中的符号系统通过线型文件㊁块参照等方式表现ꎬ甚至直接用线划来表现(如地形图中陡坎要素)ꎬ可以看出AutoCAD中的符号系统较为复杂ꎬ且几何形体和符号间的界限模糊ꎬAutoCAD中的几何形体可能是实际地物的骨架线ꎬ也有可能就是符号ꎮ而GIS中几何形体和符号是分离的ꎬ几何形体就是地物的骨架线ꎬ几何形体通过GIS符号库渲染后ꎬ形成可视化的地图ꎮ要实现Au ̄toCAD数据与GIS数据深度融合㊁真正的无损转换ꎬ则需要解决二者之间的符号转换和替换ꎮ
以上提出的6个问题ꎬ前3个属于几何形状层面的转换问题ꎬ采用常规的商用GIS软件自带的功能模块基本都能很好地解决ꎮ后3个属于语义层面的转换问题ꎬ需要采用更专业的数据转换软件或根据转换需求从底层自行研究转换协议编写转换工具ꎮ显而易见ꎬ只有实现了语义层面的数据转换ꎬ才能防止转换过程中的信息损失ꎬ达到无缝融合的目标ꎮ2 解决方案
根据以上分析ꎬ给出两种技术方案ꎬ实现AutoCAD数据和GIS数据之间的语义转换问题ꎮ
2.1㊀基于商业软件FME的技术方案
FME是加拿大SafeSoftware开发的一款用于空间数据与非空间数据加载㊁转换㊁集成㊁导出㊁共享的产品ꎬ支持超过325种数据格式ꎬ是世界领先的空间数据交换与共享的技术ꎬ能够实现不同数据格式间语义级别的转换工作ꎬ也是CAD与GIS数据间融合转换首选的工具ꎮ当前FME的产品线包括FMEDesktop㊁FMEServer㊁MyFMEꎮ一般选用FMEDesktop即能完成CAD与GIS数据间的转换工作ꎮ此种方案的一般转换流程为:
1)源数据规范化处理
在CAD数据向GIS数据转换工作中ꎬCAD的数据质量和规范由CAD数据的生产者决定ꎮ若生产者对CAD数据中的图层㊁几何类型㊁扩展属性结构等有严格要求ꎬ则对后期数据转换工作有益ꎮ若源数据没有统一的数据标准ꎬ则需要在转换向前进行规范化处理工作ꎬ规范化处理的准则是尽量按照目标GIS数据结构来整理数据ꎮ若是从GIS数据转为CAD数据ꎬ则不需要做规范化处理工作ꎮ
2)建立语义映射关系
启动FMEDesktopꎬ创建工作空间ꎬ选择源数据格式和目标数据格式ꎬ导入源数据ꎬ软件会自动构造初步的语义映射关系文件ꎮ根据具体的转换需求ꎬ利用软件提供的工具调整源数据到目标数据的映射关系ꎮ映射关系的建立要注意以下几点:①CAD图层与GIS要素类的映射关系ꎻ②CAD中的扩展属性与GIS中要素类属性之间的映射关系ꎻ③CAD中的注记㊁标注与GIS注记要素类或要素类属性之间的映射关系ꎮ
3)执行转换工作
配置好语义映射关系后ꎬ即可实现自动化的转换工作ꎮ
4)整饰与后处理
如果只追求几何要素和属性结构的无损转换ꎬ则目标已达成ꎮ若还需要符号系统在二者之间无缝转换ꎬ实现可视化效果上的无损转换ꎬ则需要对目标数据进行整饰与后处理ꎮ由于AutoCAD和GIS在符号系统上的异构性ꎬ本部分的工作一般流程为:事先建立好AutoCAD符号库和GIS符号库ꎬ以及AutoCAD要素与GIS要素间的符号对照关系ꎬ在目标数据完成后ꎬ依据对照关系重新符号化ꎮ
另外ꎬFME还提供了FMEObjectAPIꎬ可基于C++㊁C#㊁Java等面向对象语言进行二次开发ꎬ可实现较为复杂的转换逻辑ꎬ或将数据转换功能集成在其他应用系统中ꎬ脱离FMEDesktop环境ꎮ
2.2㊀从底层自主开发转换工具的技术方案从底层自主开发转换工具的难点有两点:一是DWG或DXF数据的解析ꎬDWG格式不公开ꎬDXF格式虽然公开ꎬ但自主解析难度较大ꎻ二是实现顾及符号化的语义级无损转换ꎮ针对以上难点ꎬ参考FME的转换原理ꎬ提出一种基于信息映射机制的转换方法ꎮ
78
第3期张㊀洪等:CAD数据与GIS数据融合方法研究
针对DWG解析的问题ꎬ可以通过AutoCAD的Object ̄ARX开发包及DWGDirect类库来实现DWG文件的读写操作ꎮ其中ꎬObjectARX依赖于AutoCAD宿主环境ꎬ但与AutoCAD及DWG文件兼容性更好ꎻDWGDirect是一个独立的类库ꎬ由ODA组织开发ꎬ可以脱离AutoCAD运行环境实现对DWG文件的读写ꎬ但与不同版本的DWG文件的兼容性ꎬ还需要在生产实践中验证ꎮ
针对顾及符号化的语义级无损转换问题ꎬ基于信息映射机制ꎬ实现要素级的数据转换ꎬ对于AutoCAD与GIS之间符号转换问题ꎬ基本思路是分别建立AutoCAD符号库和GIS符号库ꎬ通过要素级的符号映射关系ꎬ实现符号的转换ꎮ该技术方案的框架如图1所示

图1㊀基于信息映射机制的转换方案
Fig.1㊀Transformationschemebasedoninformationmappingmechanism
㊀㊀该方案的技术要点主要有两方面:
1)AutoCAD与GIS数据读写
通过调用DWGAPI(如ObjectARX㊁DWGDirect)可以实现文件㊁数据库等持久化存储的AutoCAD数据与内存级AutoCAD对象之间的相互转换问题ꎮ通过调用GISDataAPI(如ArcGISEngine㊁SuperMapObject)可以实现特定数据格式持久化存储的GIS数据与内存级GIS对象之间的相互转换问题ꎮ获得内存级的AutoCAD对象和GIS对象后ꎬ即可通过后续的信息映射机制在AutoCAD对象和GIS对象之间实现语义级别的信息交换ꎮ信息交换完
成后ꎬ再通过相应的API将内存级对象持久化存储到本地文件或数据库中ꎬ即完成AutoCAD或GIS数据的写操作ꎮ
2)信息映射机制的实现
信息映射机制需要实现要素的几何形体㊁属性㊁符号转换以及注记的转换ꎬ关键在于建立几何形体㊁属性㊁符号㊁注记在AutoCAD和GIS中的双向映射关系ꎮ这种映射关系可以通过XML文件或数据库表来存储ꎮ以数据库表为例ꎬ设计了该映射关系的表结构及表之间的关系ꎬ如图2所示

图2㊀信息映射关系Fig.2㊀Informationmapping

8㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
测绘与空间地理信息㊀
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2020年
㊀㊀各表结构说明及作用如下所述:
①CAD图元编码表
图元编码是对CAD中各图元的类别划分的标识ꎬ每个编码代表一类图元ꎬ该类图元具有相同的符号㊁相同的几何类型和相同的属性结构ꎻ类型名称是图元编码的中文描述ꎻ所在图层是CAD图元所属的图层ꎬ一个图层内可能聚集同一大类的图元ꎻ几何类型是该编码图元的几何表达类型ꎮ
CAD图元编码表需要根据CAD源数据进行配置ꎮ同时ꎬ要求CAD源数据具有规范化特征ꎬ便于该表的编制ꎮ②CAD图元符号描述表
图元编码即是表①中的主键ꎻ符号编码是CAD数据中各图元符号的标识ꎻ符号描述是对该类符号的详细描述ꎻ符号路径是该符号的物理索引位置ꎮ
该表同样需要根据CAD元数据进行配置ꎬ主要用于后期符号转换时ꎬ进行符号索引和替换ꎮ
③GIS要素编码表
该表是对GIS数据中各类要素编码的描述ꎬ各字段意义及表的作用同表①ꎬ具体含义略ꎮ
④GIS要素符号描述表
该表是对GIS数据中各类要素符号的描述ꎬ各字段意义及表的作用同表②ꎬ具体含义略ꎮ
⑤几何对象映射表
该表存储了CAD与GIS数据间要素级的几何对象相互映射的关系ꎬ通过外键CAD图元编码㊁GIS要素编码实现一一映射ꎮ转换规则用于描述需要特殊说明的转换要素ꎬ如CAD的圆转换为GIS中的多边形时ꎬ多边形边的个数规定等ꎮ
⑥属性映射表
该表存储了CAD与GIS数据转换中ꎬCAD的扩展属性与GIS要素的属性项之间的对应关系ꎮ
⑦CAD注记编码表
⑧GIS注记编码表
⑨注记对象映射表
表⑦ 表⑨与表① 表③的描述和作用类似ꎬ不再赘述ꎮ
以上各表中ꎬ表⑤⑥⑨是实现语义级无损转换的关键ꎬ需要根据应用场景和转换需求进行灵活配置ꎮ其他表实质上是对源数据㊁目标数据的结构化描述信息ꎬ在程序设计中ꎬ可以设计交互式界面用于配置以上各表ꎮ同时ꎬ设计和实现数据转换引擎ꎬ用于解析以上各表及表之间的关系ꎬ并根据其蕴含的转换规则ꎬ实现内存级AutoCAD对象和GIS对象之间的信息交换ꎮ
3㊀结束语
AutoCAD数据与GIS数据之间难以实现无损转换和融合的根本原因ꎬ还是在于AutoCAD数据和GIS数据的数据模型差异ꎮ本文提出的两种解决方案ꎬ正是从两种不同数据模型层面的转换为出发点ꎬ尽可能减少不同数据模型转换造成的信息损失ꎮ但是ꎬ也应当注意到ꎬ提高AutoCAD数据的规范性㊁统一AutoCAD制图规则ꎬ并将这种规范和规则以结构化语言描述出来或通过在AutoCAD平台上二次开发制图及数据检查模块形成强制数据标准ꎬ对后续实现AutoCAD数据与GIS数据之间的转换融合是大有裨益的ꎬ可大大减少建立映射关系的难度和工作量ꎮ同时ꎬ可参考测绘地理信息行业中对各类地物进行编码和分层的做法ꎬ对勘测设计业务中涉及的空间对象进行编码和分层ꎬ形成规范性技术文件ꎬ落实在AutoCAD设计和制图中ꎬ进一步加强AutoCAD数据标准建设ꎬ将后续AutoCAD数据与GIS数据之间的融合准备工作前置到AutoCAD数据生产中ꎮ
参考文献:
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[编辑:刘莉鑫]
(上接第85页)
势还是逐渐增大的ꎻ某一年内的湖泊变化规律表现为减 增 减的规律ꎬ其中在2月份达到最低ꎬ在10月份达到最高ꎮ这对于加强水资源与环境的保护㊁水资源的利用等都有着非常重要的意义ꎮ
参考文献:
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[编辑:刘莉鑫]
98
第3期张㊀洪等:CAD数据与GIS数据融合方法研究。

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