CAD規(guī)劃成果數(shù)據(jù)GIS建庫的技術(shù)與研究

楊娜娜，張新長，黃健鋒

(1. 中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣東 廣州 510275; 2. 佛山市禪城區(qū)國土城建與稅務(wù)局，廣東 佛山 528000)

The Technology and Research on Regularization and Transformation of

CAD Planning Data for GIS Spatial Database

YANG Nana，ZHANG Xinchang，HUANG Jianfeng

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CAD規(guī)劃成果數(shù)據(jù)GIS建庫的技術(shù)與研究

楊娜娜1，2，張新長1，黃健鋒1

(1. 中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣東 廣州 510275; 2. 佛山市禪城區(qū)國土城建與稅務(wù)局，廣東 佛山 528000)

The Technology and Research on Regularization and Transformation of

CAD Planning Data for GIS Spatial Database

YANG Nana，ZHANG Xinchang，HUANG Jianfeng

摘要：提出了一套較為完善的CAD規(guī)劃成果數(shù)據(jù)GIS建庫的方案和技術(shù)實現(xiàn)流程。該技術(shù)使用AutoCAD.NET API組件和ArcGIS Engine二次開發(fā)組件，在AutoCAD軟件平臺中開發(fā)規(guī)劃數(shù)據(jù)的規(guī)整工具和格式轉(zhuǎn)換器?；诮y(tǒng)一的要素編碼規(guī)則和圖形擴展字典存儲屬性數(shù)據(jù)的方法，有效地實現(xiàn)了CAD圖形和屬性信息的一體化管理，并最終完成了CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的無縫轉(zhuǎn)換，真正實現(xiàn)了異構(gòu)數(shù)據(jù)的同化。試驗結(jié)果證明，該技術(shù)具有良好的實用性和平臺通用性。

關(guān)鍵詞：規(guī)劃成果數(shù)據(jù)；GIS建庫；格式轉(zhuǎn)換；異構(gòu)同化；AutoCAD.NET API

一、引言

規(guī)劃成果數(shù)據(jù)是城市規(guī)劃GIS數(shù)據(jù)庫建設(shè)最重要的數(shù)據(jù)，以GIS作為規(guī)劃成果數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)平臺，為城市GIS的專題信息提取、空間分析、決策管理、信息共享提供了良好的平臺，是數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)的有效手段[1]。目前大部分規(guī)劃成果數(shù)據(jù)采用AutoCAD軟件繪制，其與GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的差異性及圖屬一體化表達的薄弱性，導致原始積累的大量規(guī)劃成果數(shù)據(jù)無法快速建庫，是制約GIS系統(tǒng)深入應(yīng)用的瓶頸所在[2]。因此，探討和解決規(guī)劃成果數(shù)據(jù)GIS建庫的問題已經(jīng)成為規(guī)劃行業(yè)信息化建設(shè)的重難點之一。

規(guī)劃成果數(shù)據(jù)GIS建庫需要解決以下技術(shù)問題：①制定規(guī)劃成果數(shù)據(jù)建庫標準與編碼規(guī)則；②圖形和屬性信息一體化管理；③設(shè)計數(shù)據(jù)規(guī)整流程和工具；④實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的無縫轉(zhuǎn)換。目前，許多學者提出了各自的解決辦法，陳明輝[2]探討了規(guī)劃成果數(shù)據(jù)建庫的方法與思路，開發(fā)了規(guī)劃成果數(shù)據(jù)建庫軟件Xmap，然而其平臺通用性不高，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能略為簡單。王警[3]和李勇平[4]采用了XDATA擴展實體數(shù)據(jù)方法實現(xiàn)了圖形和屬性信息的關(guān)聯(lián)。張雪松[5]分析了傳統(tǒng)CAD和GIS數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換方法的不足，給出一種可行的數(shù)據(jù)解譯器組成結(jié)構(gòu)，但僅以地籍數(shù)據(jù)為重點，類似的還有利用Geoway作為中間件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[6-7]，該類技術(shù)靈活性不足，且程序復雜。另外，關(guān)于CAD地形圖數(shù)據(jù)GIS建庫的研究[8-10]可借鑒于規(guī)劃數(shù)據(jù)建庫的問題中。本文在總結(jié)和改進前人工作的基礎(chǔ)上，提出了一套完善的CAD規(guī)劃成果數(shù)據(jù)規(guī)整入庫的解決方案，并順利應(yīng)用在佛山市規(guī)劃成果數(shù)據(jù)庫的建設(shè)中，從真正意義上解決了異構(gòu)數(shù)據(jù)同化的難題。

二、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)GIS建庫標準與編碼規(guī)則

佛山市規(guī)劃成果數(shù)據(jù)主要分為5類：總體規(guī)劃成果、分區(qū)規(guī)劃成果、控制性詳細規(guī)劃成果(以下簡稱控規(guī)數(shù)據(jù))、修建性詳細規(guī)劃成果、專題規(guī)劃成果，以CAD文件格式(*.dwg)為主。各類規(guī)劃數(shù)據(jù)包含相應(yīng)的專題圖，盡管每種專題圖突出的重點不一，但存在輔助信息重復的現(xiàn)象，如果將每個專題圖的內(nèi)容全部導入數(shù)據(jù)庫，將導致數(shù)據(jù)庫的存儲冗余，因此需對規(guī)劃成果數(shù)據(jù)進行嚴謹?shù)姆诸惙謱?、要素編碼規(guī)則制定等，使其結(jié)構(gòu)清晰，內(nèi)容豐富。

1. 規(guī)劃成果數(shù)據(jù)分類分層框架

按照統(tǒng)一的地理坐標對地理實體要素進行分層疊加是數(shù)據(jù)組織的基本思路[2]。根據(jù)規(guī)劃空間數(shù)據(jù)的特點，本文依照“數(shù)據(jù)庫—子庫—專題分類—圖層”的框架構(gòu)筑規(guī)劃空間數(shù)據(jù)庫，其組織及層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)基于Geodatabase數(shù)據(jù)模型，各類規(guī)劃數(shù)據(jù)分別建立子庫組成城市規(guī)劃成果GIS數(shù)據(jù)庫，子庫中按專題分類建立要素集，而各要素集下也有表征不同特征類型的圖層，即要素類。數(shù)據(jù)分層除按內(nèi)容劃分外，為滿足制圖和GIS數(shù)據(jù)檢索分析的需求，應(yīng)按不同抽象特征類型進行嚴格分層，每層只允許存儲點、線、面和注記一種實體要素。

圖1　規(guī)劃成果GIS數(shù)據(jù)庫組織及層次結(jié)構(gòu)

2. 要素編碼規(guī)則制定

各規(guī)劃成果類型的專題分類較為類似，即要素在圖形表現(xiàn)上基本一致，可統(tǒng)一制定一套編碼規(guī)則[11]。編碼規(guī)則主要按照分類要素集的內(nèi)容進行設(shè)計，編碼方式以4段分組，共7位數(shù)字，如下所示：

XX+XX+XX+X

大類碼+細類碼+要素代碼+類型碼

1) 大類碼：按照專題分類劃分，分為用地規(guī)劃、綜合交通、市政管線、公共配套設(shè)施、綠地水體、文物保護幾類。占兩位編碼。

2) 細類碼：按照大類中的細類劃分。如綜合交通可劃分為道路、鐵路軌道、交通站場和交通設(shè)施等。占兩位編碼。

3) 要素代碼：按照細類的各種圖層劃分，即同一圖層所有要素具有相同編碼，如道路細類可劃分為道路紅線、道路中線、道路附屬線和道路交叉口等。占兩位編碼。

4) 類型碼：按照實體幾何類型來劃分。1表示點，3表示線，7表示面，9表示注記。占一位編碼。

要素編碼用于區(qū)分各類規(guī)劃圖形數(shù)據(jù)，可依據(jù)編碼的不同將數(shù)據(jù)存儲到所屬分層中。數(shù)據(jù)規(guī)整的目的是為了給圖形賦予正確的編碼和屬性，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)則依賴于要素編碼。

三、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)規(guī)整

在滿足規(guī)劃數(shù)據(jù)GIS建庫標準的前提下，需選取合適的操作平臺對CAD數(shù)據(jù)進行規(guī)范化整理，以便于數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。本文利用Visual Studio 2008和AutoCAD.NET API組件在AutoCAD 2008軟件平臺上開發(fā)了CAD數(shù)據(jù)的規(guī)整工具和操作面板。AutoCAD.NET API組件有助于開發(fā)者利用更多不同的編程語言(本文使用C#編程語言)和環(huán)境訪問CAD格式數(shù)據(jù)，通過調(diào)用其封裝好的對象屬性和方法，便捷地獲取用戶所需信息，大大降低了程序開發(fā)難度，增強了規(guī)整工具的平臺通用性。

CAD規(guī)劃數(shù)據(jù)規(guī)整主要包括編碼賦值、編碼檢查、拓撲檢查、屬性賦值、數(shù)據(jù)標準化等操作，具體規(guī)整流程如圖2所示。

1. 編碼賦值

編碼賦值實現(xiàn)入庫圖形數(shù)據(jù)的編碼標識，根據(jù)要素編碼規(guī)則，同一層所有圖形數(shù)據(jù)具有相同的要素編碼。賦值過程若僅用目視識別的方法，其工作量將會非常大，應(yīng)提供更多智能篩選的功能。本文設(shè)計的編碼賦值輔助工具主要包括編碼賦值面板、圖層控制面板和圖形篩選面板。

圖2　AutoCAD地形圖規(guī)整流程

編碼賦值面板用于選擇單個或多個圖形數(shù)據(jù)，并對選取的數(shù)據(jù)進行編碼賦值，其中編碼值寫入圖形的自定義擴展字典中，相關(guān)概念將在屬性賦值流程中介紹。

圖層控制面板實現(xiàn)CAD圖層的顯示控制，包括圖層打開和關(guān)閉、凍結(jié)和解凍、鎖定和解鎖，并可依照圖層名稱、顏色、線型等特性篩選圖層。

圖形篩選面板可進一步檢索同類型圖形，如多段線、二維多段線、點、塊參照、閉合線、非閉合線等，以提高工作效率。

2. 編碼檢查

編碼檢查過程首先判斷圖形的編碼值是否存在，其次是圖形的編碼是否正確。如果要素編碼表中不存在該編碼，說明用戶使用了錯誤的賦值方法。另外，還要檢查編碼對應(yīng)圖形幾何類型與圖形的實際幾何類型是否符合，如注記編碼值不能賦到幾何圖形中，線編碼不能賦值在塊參照里。

3. 拓撲檢查

結(jié)合ArcGIS Engine二次開發(fā)組件，首先將CAD圖形轉(zhuǎn)換到臨時個人地理數(shù)據(jù)庫中，然后建立拓撲規(guī)則，最終檢測并修改存在拓撲錯誤的圖形。拓撲檢查功能包括圖形是否閉合、是否存在懸掛點、線段是否重疊或自相交等。為修改拓撲錯誤的圖形，規(guī)整工具提供了幾種拓撲編輯功能，如地塊自動閉合、線段自動連接等。

4. 屬性賦值

規(guī)劃成果數(shù)據(jù)各專題內(nèi)容對屬性的要求不同，其對應(yīng)的屬性字段也不相同。本文采用圖形的擴展字典(extension dictionary)進行屬性存儲，將地物對應(yīng)的屬性字段名稱存儲在字典的擴展記錄(Xrecord)的Name屬性中，而屬性值則記錄在擴展記錄的Data值內(nèi)，從而實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)和屬性信息的無縫集成。相對于以往直接存儲屬性信息在圖形實體的XDATA方法，本方法既能滿足屬性存儲的要求，又大大提高了其可擴展和易讀性。具體的屬性存儲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　規(guī)劃成果數(shù)據(jù)屬性存儲的結(jié)構(gòu)

5. 數(shù)據(jù)標準化

由于各個單位的工作人員都可能編輯過未經(jīng)審核的規(guī)劃數(shù)據(jù)，導致CAD圖紙上存在很多不滿足規(guī)劃繪圖要求的錯誤和疏漏，如圖層的名稱、顏色、線型、線寬、符號塊等不符合繪圖規(guī)范。數(shù)據(jù)標準化就是利用要素編碼值重新繪制圖形的過程，既然要素編碼是唯一的，其對應(yīng)的CAD圖層和圖形特性也應(yīng)是唯一的，因此筆者利用編碼值獲取圖形對應(yīng)的特性，重新繪制圖形數(shù)據(jù)，使CAD規(guī)劃數(shù)據(jù)得到規(guī)范化處理。數(shù)據(jù)標準化包括圖層重命名、分層設(shè)色、線型更改、符號塊更改等流程。所有操作程序均可自動完成。

四、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及其關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)規(guī)整后，將進行CAD數(shù)據(jù)向GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。本文在研究二者數(shù)據(jù)格式、圖形幾何特性及二次開發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合AutoCAD.NET API組件和ArcGIS Engine組件實現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和入庫。在格式轉(zhuǎn)換過程中，由于CAD實體圖形種類繁多，應(yīng)針對常見的各類實體的特性構(gòu)建正確的轉(zhuǎn)換算法，避免出現(xiàn)幾何或?qū)傩孕畔⒌膩G失，以便最有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的無損轉(zhuǎn)換。其流程如圖4所示。

圖4　CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)GIS數(shù)據(jù)流程

1. 創(chuàng)建個人地理數(shù)據(jù)庫

首先創(chuàng)建一個用于存儲轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的個人地理數(shù)據(jù)庫，按規(guī)劃成果數(shù)據(jù)的類型創(chuàng)建相應(yīng)的要素集(IFeatureDataSet)，以及其包含的所有點(Point)、線(Polyline)、面(Polygon)和注記(Annotation)圖層，并依據(jù)入庫標準添加相應(yīng)的圖層屬性字段。

2. 圖形轉(zhuǎn)換

圖形轉(zhuǎn)換是轉(zhuǎn)換流程中最容易產(chǎn)生信息丟失的一個環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵是坐標信息的提取與重新組合，由于CAD實體(Entity)形式多樣，其坐標提取較為復雜。常見的幾類CAD實體圖形包括點(DBPoint)、塊參照(BlockReference)、直線(Line)、圓(Circle)、弧線(Arc)、樣條曲線(Spline)、多段線(Polyline)、二維多段線(Polyline2d)和文字(DBText)。針對這些實體圖形，需要讀取其相關(guān)的特性信息，以提取或換算坐標。

1) 對于點和塊參照實體，提取其位置(Position)的X和Y坐標即可，使用ArcGIS Engine接口IPoint記錄坐標信息。

2) 對于直線實體，提取其起點(StartPoint)和終點(EndPoint)的位置，使用ArcGIS Engine接口IPolyline記錄兩對坐標。

3) 對于圓形實體，在獲取其圓心(Center)位置和半徑長度后，使用ArcGIS Engine接口ICircularArc構(gòu)建幾何圓，并最終封裝成IPolyline或IPolygon類型；而對于弧線實體，一般為圓的一部分，還需獲取其對應(yīng)的圓心角(TotalAngle)、自身的起點和終點位置，并使用相同的ArcGIS Engine接口進行轉(zhuǎn)換。

4) 對于樣條曲線實體，由幾何知識可知，獲取其起點、終點以及控制點數(shù)量，運用樣條曲線的生成公式，即可得到擬合的坐標串，最后使用ArcGIS Engine接口IPolyline封裝坐標串。

5) 對于多段線實體，一般由直線(Line)和弧線(Arc)分段構(gòu)成，應(yīng)根據(jù)其分段類型(SegmentType)逐段獲取坐標信息，如為直線，使用方法2)的坐標提取方法；如為弧線，則使用方法3)，最后封裝成IPolyline或IPolygon類型。

6) 對于二維多段線實體，其線段類型(Poly2dType)包括SimplePoly、CubicSplinePoly、QuadSplinePoly、FitCurvePoly 4種，根據(jù)線段類型，坐標提取時只讀取相應(yīng)節(jié)點類型(VertexType)的坐標值，最后封裝成IPolyline或IPolygon類型。

7) 對于文字實體，本文為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無損轉(zhuǎn)換以及保證數(shù)據(jù)的可讀性，將其轉(zhuǎn)換成注記類型。轉(zhuǎn)換過程中除了讀取文字的位置信息外，還需額外獲得其旋轉(zhuǎn)角度和字體高度。使用ITextElement和IFDOAttributeConversion等接口完成注記的生成。

3. 屬性轉(zhuǎn)換

圖形的屬性信息存儲在實體擴展字典的擴展記錄中，轉(zhuǎn)換時先讀取這部分的屬性信息，最后存儲到對應(yīng)圖層的相應(yīng)屬性字段(IField)中。

4. 要素創(chuàng)建與入庫

遍歷CAD數(shù)據(jù)的所有圖形實體，根據(jù)規(guī)整時賦予的編碼值判斷出實體需轉(zhuǎn)換成的幾何類型及所屬的GIS圖層，依照步驟2和步驟3得到的幾何信息和屬性信息創(chuàng)建GIS要素(IFeature)，并插入到所屬GIS圖層中。直至所有實體轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換過程方可結(jié)束。

五、應(yīng)用實例

利用設(shè)計好的規(guī)劃成果數(shù)據(jù)GIS建庫標準、編碼規(guī)則、規(guī)整工具及轉(zhuǎn)換程序，可解決規(guī)劃數(shù)據(jù)GIS建庫的難題。為驗證該技術(shù)的有效性和實用性，以佛山市規(guī)劃成果數(shù)據(jù)的入庫為試驗案例，圖5(a)是原始的CAD規(guī)劃成果數(shù)據(jù)，圖5(b)是轉(zhuǎn)換并入庫的規(guī)劃成果數(shù)據(jù)在ArcMap平臺上的顯示效果。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，原始CAD規(guī)劃成果數(shù)據(jù)與GIS中的圖形要素保持良好的一致，證明了本技術(shù)方案的

可行性。

圖5　實例轉(zhuǎn)換對比圖

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引文格式： 楊娜娜，張新長，黃健鋒. CAD規(guī)劃成果數(shù)據(jù)GIS建庫的技術(shù)與研究[J].測繪通報，2015(6)：44-48.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0175

作者簡介：楊娜娜(1989—)，女，碩士生，主要研究方向為城市GIS與空間信息服務(wù)。E-mail:luckyangna@163.com

基金項目：國家自然科學基金重點項目(41431178)；高等學校博士點專項科研基金(20120171110030)

收稿日期：2014-06-21

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)06-0044-05