徐　進(jìn)，李　博，白春江，周　穎，張?jiān)迄i

(1. 大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026； 2. 遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116037)

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海事測繪CAD數(shù)據(jù)空間矯正共享模型

徐進(jìn)1，李博2，白春江1，周穎1，張?jiān)迄i1

(1. 大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026； 2. 遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116037)

Marine Surveying and Mapping CAD Data Spatial Correction and Sharing Model

XU Jin，LI Bo，BAI Chunjiang，ZHOU Ying，ZHANG Yunpeng

摘要：海事測繪部門早期積累的數(shù)據(jù)多為CAD格式數(shù)據(jù)，由于CAD平臺(tái)缺乏空間分析能力，且其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)方式、表征形式、空間參考等方面均具有一定的局限性，給數(shù)據(jù)在海事測繪部門之間的應(yīng)用與共享帶來了諸多不便。本文針對(duì)CAD數(shù)據(jù)在海事測繪領(lǐng)域應(yīng)用與共享中存在的問題，提出了采用參考點(diǎn)矯正原始數(shù)據(jù)、投影變換、分層轉(zhuǎn)換等方式，基于ArcGIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了海事測繪CAD數(shù)據(jù)的共享技術(shù)模型，為其數(shù)據(jù)向其他海事測繪數(shù)據(jù)格式的共享提供了一個(gè)有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：海事測繪；CAD；ArcGIS；數(shù)據(jù)共享

我國的海事測繪科學(xué)技術(shù)已進(jìn)入信息化建設(shè)的時(shí)代，正在以前所未有的速度蓬勃發(fā)展。信息化進(jìn)程的加快使海事測繪數(shù)據(jù)的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用跨入了一個(gè)新的紀(jì)元。但是，在海事測繪部門早期積累的數(shù)據(jù)中，有很大一部分?jǐn)?shù)據(jù)都采用了AutoCAD平臺(tái)支持的DWG格式數(shù)據(jù)或DXF交換格式數(shù)據(jù)。由于AutoCAD平臺(tái)缺乏空間分析能力，且其數(shù)據(jù)的空間參考信息處理方面具有一定的局限性，使其在海事測繪部門之間的應(yīng)用和共享帶來了諸多不便。

本文深入研究海事測繪CAD數(shù)據(jù)的空間參考規(guī)律和組織規(guī)律，基于ArcGIS對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換共享，并分析CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后存在的自身誤差或外界不確定性帶來的數(shù)據(jù)失效問題，針對(duì)研究天津港口區(qū)域的CAD數(shù)據(jù)，采用關(guān)鍵參考點(diǎn)糾正、數(shù)據(jù)重配準(zhǔn)和坐標(biāo)投影變換等手段，構(gòu)建CAD數(shù)據(jù)空間矯正共享模型，改進(jìn)海事測繪CAD數(shù)據(jù)的共享融合技術(shù)。

一、海事測繪CAD數(shù)據(jù)應(yīng)用與共享中存在的問題

1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與表征形式方面

現(xiàn)行的海事測繪數(shù)據(jù)是基于IHO S-100通用海道測量數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)按照點(diǎn)、線、面、水深4個(gè)圖形特征進(jìn)行分類管理。各類數(shù)據(jù)分別擁有不同樣式的圖形表征方法和屬性庫(如1個(gè)燈塔包括rhythm of light、light sector、signal sequence 3個(gè)復(fù)合屬性和object name、height 2個(gè)簡單屬性，而照明規(guī)律rhythm of light復(fù)合屬性又包括light characteristic、signal period、signal group 3個(gè)子屬性，見表1和表2)。目前的海事測繪數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多采用墨卡托投影方式和以經(jīng)緯度為單位的地理坐標(biāo)系統(tǒng)，且需要復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系來進(jìn)行大量的空間分析。而現(xiàn)有的海事測繪CAD數(shù)據(jù)注重的是對(duì)現(xiàn)實(shí)地物要素的定位和定量描述，雖然其圖形表達(dá)信息管理功能十分強(qiáng)大，但與IHO S-100標(biāo)準(zhǔn)的要求相比，其圖形表征樣式表現(xiàn)相對(duì)單一、屬性信息管理功能相對(duì)較弱、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為簡單，且多采用用戶自定義投影方式[1]和以米、千米或海里為單位的平面坐標(biāo)系統(tǒng)。

表1　燈塔屬性結(jié)構(gòu)

表2　照明規(guī)律復(fù)合屬性結(jié)構(gòu)

2. 數(shù)據(jù)共享方面

在數(shù)據(jù)共享方面，海事測繪CAD數(shù)據(jù)具有空間參考不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換易丟失圖形信息和屬性信息等弊端存在。

(1) 空間參考不統(tǒng)一

在海事測繪領(lǐng)域中，特別是港口測繪工作，CAD數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛。在早期積累的一部分?jǐn)?shù)據(jù)中，由于其數(shù)據(jù)應(yīng)用在某個(gè)限定的平臺(tái)上，其空間坐標(biāo)系統(tǒng)往往是以某個(gè)特定的地點(diǎn)為原點(diǎn)、正東方向?yàn)閄軸正方向、正北方向?yàn)閅軸正方向構(gòu)建的平面坐標(biāo)系統(tǒng)，或是所在地區(qū)建立的城建坐標(biāo)系統(tǒng)[2]。這兩種坐標(biāo)系統(tǒng)缺乏嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行投影變換時(shí)易產(chǎn)生誤差。因此，在應(yīng)用和共享這類數(shù)據(jù)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)其進(jìn)行校正，再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

(2) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換易造成圖形信息丟失或圖形變形

由于CAD數(shù)據(jù)中的要素圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在其他海事測繪平臺(tái)中的圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)偏差較大，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換兼容性差，容易導(dǎo)致要素圖形信息丟失或圖形變形。如在電子海圖中，一個(gè)錨地符號(hào)的表達(dá)只需要一個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和一個(gè)點(diǎn)樣式符號(hào)進(jìn)行表征，而在CAD數(shù)據(jù)中，往往需要繪制出一個(gè)閉合的多邊形對(duì)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，本應(yīng)為一個(gè)點(diǎn)要素的對(duì)象卻變成了線要素或面要素對(duì)象。

(3) CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換易造成屬性信息丟失

CAD數(shù)據(jù)在屬性信息的應(yīng)用方面考慮不夠周全，缺少編碼機(jī)制，且少有考慮地物數(shù)據(jù)之間的拓?fù)潢P(guān)系[3]。利用現(xiàn)有工具轉(zhuǎn)換CAD數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)常容易丟失空間數(shù)據(jù)中的部分屬性信息，甚至出現(xiàn)丟失全部屬性信息的情況。

二、解決方案

1. 原始數(shù)據(jù)矯正

針對(duì)自定義坐標(biāo)系統(tǒng)或城建坐標(biāo)系統(tǒng)的海事測繪CAD數(shù)據(jù)，首先應(yīng)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正，即采用標(biāo)準(zhǔn)采樣點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)誤差，然后進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的批量矯正。

如一份天津航道標(biāo)志點(diǎn)的CAD數(shù)據(jù)見表3，采用了自定義坐標(biāo)系統(tǒng)。首先利用GPS設(shè)備采樣獲取“B1”“H2”的WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)；再將其轉(zhuǎn)換成1954北京坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，見表4；最后根據(jù)這兩個(gè)點(diǎn)的平均誤差(4 000 032.2，59.977)，批量矯正天津航道標(biāo)志點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)(見表5)。

2. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面，本文深入分析了AutoCAD和ArcGIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)方式和組織規(guī)律，采用分層轉(zhuǎn)換的方式，將CAD數(shù)據(jù)逐層轉(zhuǎn)換為ArcGIS支持的shapefile數(shù)據(jù)。

表3　自定義坐標(biāo)系統(tǒng)的天津航道標(biāo)志點(diǎn)CAD部分?jǐn)?shù)據(jù)

表4　采樣點(diǎn)WGS-84經(jīng)緯度坐標(biāo)和1954北京坐標(biāo)數(shù)據(jù)

表5　批量矯正數(shù)據(jù)

AutoCAD具有強(qiáng)大的工程繪圖和建模功能，常用DWG和DXF兩種數(shù)據(jù)格式。在CAD中的空間對(duì)象實(shí)體是基于像元塊要素，并輔以符號(hào)、顏色和注記進(jìn)行圖形表達(dá)(如圖1所示)，從而完成工程制圖的目的的。數(shù)據(jù)層和像元塊是CAD數(shù)據(jù)的核心，空間信息和屬性信息種類相同的空間對(duì)象實(shí)體被封裝入一個(gè)數(shù)據(jù)層中，分為點(diǎn)、線、面、注記4個(gè)基本類型的數(shù)據(jù)層。值得注意的是，AutoCAD中的一個(gè)數(shù)據(jù)層往往是ArcGIS一個(gè)圖層中的某個(gè)專題類[4]。DXF是CAD的數(shù)據(jù)交換格式，用于跨軟件平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

ArcGIS存儲(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括兩種方式：一是以shapefile文件格式為代表的文件存儲(chǔ)方式，二是以ArcGIS SDE空間數(shù)據(jù)引擎為代表的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)方式。本文采用以shapefile文件存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)換AutoCAD數(shù)據(jù)[5]。ArcGIS存儲(chǔ)信息時(shí)，根據(jù)地物要素的幾何特征和屬性特征將其數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并將每一類地物要素對(duì)象分別存儲(chǔ)在一組shapefile文件中[6]。一組shapefile文件至少由shp、dbf、shx 3個(gè)文件組成，分別存儲(chǔ)空間坐標(biāo)信息、屬性信息及索引關(guān)系。其中，shx文件用于存儲(chǔ)shp文件中地理要素空間坐標(biāo)序列與主文件頭的偏移量，并且保證shp表和dbf表記錄地理要素對(duì)象信息的順序與索引關(guān)系保持一致，3個(gè)文件的關(guān)系如圖2所示。

圖2　shapefile文件存儲(chǔ)格式關(guān)系

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，首先將CAD中的數(shù)據(jù)層名與ArcGIS的要素類名保持一致，接下來利用CAD開發(fā)接口循環(huán)逐步讀取每個(gè)數(shù)據(jù)層中的實(shí)體空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，再利用ArcGIS Engine開發(fā)接口向?qū)?yīng)的要素類中添加要素記錄，如圖3所示。

圖3　ArcGIS轉(zhuǎn)換CAD數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)方法

三、模型構(gòu)建

1. 原始數(shù)據(jù)矯正模塊

根據(jù)上文中提到的數(shù)據(jù)矯正方法，建設(shè)原始數(shù)據(jù)矯正模塊，以表1中的B1點(diǎn)為例應(yīng)用該模塊，如圖4所示。

2. 數(shù)據(jù)共享平臺(tái)

以天津港總平面布置圖為例，對(duì)比AutoCAD和數(shù)據(jù)共享平臺(tái)轉(zhuǎn)換后的ArcGIS數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖4　原始數(shù)據(jù)矯正模塊

圖5　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后效果對(duì)比

四、結(jié)論與展望

本文首先針對(duì)海事測繪CAD原始數(shù)據(jù)進(jìn)行空間矯正；再依據(jù)其數(shù)據(jù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，以點(diǎn)、線、面和注記為分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)層名檢索空間信息；之后基于ArcGIS Engine研發(fā)海事測繪數(shù)據(jù)空間矯正共享模型轉(zhuǎn)換CAD數(shù)據(jù)。該模型在天津港海事測繪CAD數(shù)據(jù)矯正共享工作中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，為其數(shù)據(jù)向shapefile數(shù)據(jù)、電子海圖數(shù)據(jù)、map數(shù)據(jù)及其他格式數(shù)據(jù)的共享提供了一個(gè)有效的解決方案。

海事測繪數(shù)據(jù)空間矯正共享模型在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出一些不足之處，在接下來的工作中將進(jìn)一步完善：

1) 原始數(shù)據(jù)矯正模塊目前只采用單獨(dú)點(diǎn)或批量點(diǎn)坐標(biāo)的方式來矯正CAD原始數(shù)據(jù)，在下一步的工作中要考慮采用面向?qū)ο蠓绞?，針?duì)點(diǎn)、線、面實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)矯正。

2) 本文采用AutoCAD的數(shù)據(jù)層與ArcGIS的要素類一一對(duì)應(yīng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，而現(xiàn)實(shí)中的數(shù)據(jù)層往往是一個(gè)要素類的專題層，因此，應(yīng)在下一步工作中引入自動(dòng)識(shí)別分類方法，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同、空間對(duì)象類型相似的數(shù)據(jù)層按專題的方式轉(zhuǎn)入同一個(gè)要素類中。

3) 現(xiàn)行的海事測繪數(shù)據(jù)將按照IHO S-100通用海道測量數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)的管理，而本文研發(fā)的海事測繪數(shù)據(jù)空間矯正共享模型只針對(duì)CAD原始屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行跨平臺(tái)轉(zhuǎn)換，尚未按照“復(fù)合屬性”“物標(biāo)關(guān)聯(lián)”“專題顯示”等機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布，在下一步工作中，應(yīng)在模型的研發(fā)工作中引入上述機(jī)制。

4) 我國現(xiàn)行的海事測繪數(shù)據(jù)平臺(tái)主要包括CARIS HPD、ArcGIS、AutoCAD、電子海圖桌等，在接下來的工作中，海事測繪數(shù)據(jù)空間矯正共享模型應(yīng)提供CAD測繪數(shù)據(jù)向其他平臺(tái)數(shù)據(jù)格式共享轉(zhuǎn)換的多種方案。

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中圖分類號(hào)：P229

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)03-0054-04

作者簡介：徐進(jìn)(1985—)，男，博士,主要從事海事測繪領(lǐng)域的技術(shù)研究。E-mail：jinxu@dlmu.edu.cn通信作者： 李博。E-mail：libo_2020@126.com

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(3132015002)

收稿日期：2015-04-17

引文格式： 徐進(jìn)，李博，白春江,等. 海事測繪CAD數(shù)據(jù)空間矯正共享模型[J].測繪通報(bào)，2016(3)：54-57.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0085.