ＤＷＧ圖形文件直接生成ＤＥＭ的方法和實現

摘要：以長江武漢河段2004年7月地形圖為例，通過運用GIS軟件（Arc/Info）及編寫程序，探索一種能直接快速地從ACAD的DWG格式的圖形文件中提取地形信息，并進行數據格式轉換輸入GIS軟件內插形成DEM的方法。這種方法可以最大限度地利用地形圖信息，以較低的成本快速獲取具有較高精度的DEM數據，有效提高了數字化的效率和精度，使GIS技術作為工具能夠更好地應用在河道演變、河型分析、泥沙淤積分析等水利領域的科學研究中。

關鍵詞：數字高程模型；AutoCAD；數據轉換；水利

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0295－03

0引言

GIS是存儲、管理和分析空間數據的有效工具與技術系統。作為多種學科交叉的產物，它不僅應用于地理、地質等專業領域，目前也廣泛應用于水利、電力、交通、環保等各個領域。DEM(數字高程模型)是地形表面形態屬性信息的數字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數字描述。它作為地球空間框架數據的基本內容和其他各種地理信息的載體，是各種地學分析的基礎數據，自然也是GIS的基本內容，特別是GIS中的三維可視化和虛擬現實更是離不開DEM。

在基于GIS的河道演變及泥沙淤積分析中，運用GIS軟件在DEM的基礎上生成等高線、河道2Ｄ/3Ｄ模型和任意斷面的形態圖，GRID運算后產生任意時段、任意區域的沖淤圖、沖淤等值線和沖淤3Ｄ形態圖等來顯示和分析河道的沖淤分布與岸線的變化。在河型分類指標參數量化研究中，可從DEM中獲取河寬、河道轉折角、河道彎曲度、河道寬長比值、河流節點數等河道幾何形態指標的量化值進行分類。在基于DEM的分布式水文模型中，通過DEM可提取包含流域網格單元的坡度、坡向以及單元之間的關系等大量陸地表面形態信息，同時根據一定的算法確定地表示水流路徑、河流網絡和流域的邊界，在DEM所劃分的流域單元上建立水文模型，進行地表水和地下水的演算。

但是在工作中能得到的河道地形資料基本是ACAD的DWG格式的圖形文件。其屬性數據的主要描述依靠圖層和注記，在GIS軟件中只能瀏覽不能用來分析和計算。必須將ACAD的DWG格式的圖形文件數字化，從中提取地形信息，內插生成DEM。

目前地圖數字化的方法主要有兩種：①數字化儀數字化。通稱的數字化儀實質是圖形數字化儀，是—種將圖示坐標轉換為數字信息的設備。數字化的過程，即用數字化儀對原圖的地形特征點逐點進行采集(稱手按數字化)，將數據自動傳輸到計算機處理成數字地圖的過程。數字化圖的精度一般低于原圖的精度，且受到操作人員經驗技能的影響很大。②掃描儀數字化。掃描儀實質是圖像(含圖形)數字化儀。圖在掃描儀上走—遍，即完成圖的掃描數字化獲得柵格圖形數據，再將柵格數據轉換為矢量數據，即矢量化。掃描儀尤其是大幅面掃描儀價格昂貴，從而大大提高了圖形數字化的成本。在掃描過程中，紙張變形、操作人員熟練程度、掃描矢量化軟件的功能不全等因素都會帶來誤差，影響數字化質量。

這兩種方法都是將ACAD的DWG格式的圖形文件打印成紙圖再進行處理得到數據輸入計算機。其在輸出和輸入的過程中損失了原圖的精度，同時對操作人員技術水平和設備配置的要求很高。

1數字高程模型的建立

1．1在DXF文件中提取坐標點及高程值

DXF(Drawing Interchange File，圖形交換文件)是AutoCAD中用來進行圖形信息交換的中性文件。它是一種ASCII碼文本文件，能被絕大多數軟件應用程序所讀寫。在DXF文件中，關鍵是如何得到模型上各個點的坐標，進而繪制出整個模型。表1以一段DXF文件為例，分析其結構，從中讀取所需要的X、Y、Z值。

可以看出，在常見的地形圖中，點高程并沒有賦到Z坐標上，而是以文字(Text)形式標注在地形圖上，因此要讀取的Z坐標不是40的內容而應該是1的內容。將ACAD的DWG格式的圖形文件另存為DXF格式，用Visual C++ 6.0 編程讀取DXF文件，輸出X、Y、Z值，格式如圖1所示。外業直接測量得到的數據也可以保存為文本格式進行轉換。

2.9標高值

(2)用Autolisp編寫程序，將圓圈改成點。如果水深值換成高程值或者高程值換成水深值，則先計算改值后再將圓圈改成點，并轉換為DXF格式。

由于制圖標準不規范，不同的地形圖所帶屬性信息多少和方式各有不同。大部分地形圖高程值都是以文本形式標注的，轉換過程從在DXF文件中提取坐標點及高程值開始。有一些地形圖在文本標注的旁邊已經繪制了帶有高程屬性的小圓圈，則轉換過程直接從(2)開始。

1．3將DXF格式的離散點圖導入Arc/Info

(1)利用Arc/Info Desktop的ArcCatalog新建一個地理數據庫（GeoDatabase）。

(2)利用Arc/Info Desktop的ArcToolBox中的轉換工具將DXF格式的離散點圖轉換為Arc/Info的GeoDatabase。命令為ArcToolBox—ConversionTools—Export from CAD—CAD to GeoDatabase，保存到GeoDatabase的點要素數據集中。

圖2為導入Arc/Info的長江武漢河段潛洲到武昌深槽段(2004年7月)離散高程點圖。

值得注意的是，沒有校準的矢量數據及柵格數據是沒有太大使用價值的，很多基本的空間分析操作都要求數據指定坐標系統，同時可以指定輸出結果的坐標系統。所以建立一個新的要素數據集必須定義其空間參考，包括坐標系統（地理坐標或投影坐標）、坐標域（最小的X、Y、Z值及精度）。數據集中所有要素類用相同的坐標系統，所有要素類的所有要素坐標必須在域的范圍內。由于原圖采用的是北京1954坐標系，采用的空間參考是GCS_Beijing_1954，Coordinate System Gauss_Kruger，空間分析的范圍是Top－Bottom(3 382 282.160 906~3 375 686.746 996)，Left－Right(523 696.803 995~527 784.094 447)。

1．4內插生成DEM

(1)由離散要素點插值生成連續表面的柵格數據

ArcGIS空間分析擴展模塊提供了功能強大的空間建模和分析工具，利用這個擴展模塊可以創建基于柵格的數據。可用的空間插值方法主要有反距離權重插值(IDW)、樣條插值(Spline)和克里格插值(Kriging)。由于樣本點較多且分布均勻，插值方法對插值結果的影響不大，采用的是反距離權重插值。命令為Spatial Analyst—Interpolate to Raster—Inverse Distance Weighted。

反距離權重插值中，下面幾個參數的選擇直接影響到插值后結果的精確度：

①冪(Power)。如果定義高冪，預測結果的表面將有更多細節，但擬合面不夠光滑；如果定義低冪，可以得到比較平滑的表面但不夠細致。

②搜索半徑(Search Radius)。如果輸入的樣本點數量充足、空間分布較為規范，可選擇固定搜索半徑類型；如果輸入樣本點數量較少且隨機分布，則選擇可變搜索半徑類型效果較好。

③中斷線(Barrier)。它可以用來限制搜索輸入樣本點中斷的多段線數據集，在插值過程中只考慮這一邊界線同側的樣本點。

本文采用冪為2、固定搜索半徑類型、搜索半徑為300 m、中斷線為河道水邊線以及進出口斷面。



值得注意的是，由于DEM數據是以網格間距大小的Cell來表示區域的高程，網格間距的大小會影響到DEM數據的精度；不僅如此，網格間距也會影響到地貌形態的反映。輸出網格間距的選擇要考慮到地貌特點以及DEM的應用要求。本文采用的網格間距為60 m。

(2)柵格（Raster）數據轉換為DEM

利用Arc/Info Desktop的ArcToolBox中的轉換工具將插值得到的柵格數據轉換為DEM。命令為ArcToolBox—ConversionTools—Export from Raster—Grid to DEM。

2DEM數據檢查

2．1生成暈渲圖

暈渲圖可以立體地反映地形的起伏變化，便于直觀地發現數據中存在的問題。通過觀察灰階及顏色變化是否均勻來確定高程點、高程值標賦是否正確、有無異常值。圖3為由DEM數據生成的長江武漢河段2004年7月河道地形暈渲圖。在圖中可以清楚地看到，白沙洲、潛洲、荒五里邊灘、漢陽邊灘以及武昌深槽的位置和高程。

2．2DEM數據反演生成等高線

利用GIS軟件將DEM數據內插生成等高線。將生成的等高線與原始地形圖等高線進行對比，以確定哪些地區高程點標賦有錯，從而加以改正。

(1)利用ArcGIS空間分析擴展模塊反演生成等高線。命令為Spatial Analyst—Surface Analysis—Contour。

(2)利用Arc/Info Desktop的ArcToolBox中的轉換工具將生成的Shapefile格式的等高線文件轉換成為DXF格式。命令為ArcToolBox—ConversionTools—Export from Shapefile—Shapefile to DXF。

(3)將DXF格式的等高線文件導入AutoCAD中，與原圖中的等高線進行套合檢查；檢查等高線是否有較大的突變，是否存在高程點標賦錯誤的情況，并加以改正。

3結束語

本文在地圖數字化方法上進行了一些探索，實現了運用GIS軟件（Arc/Info）及編程從ACAD的DWG格式圖形文件中提取地形信息并進行數據格式轉換輸入GIS軟件內插形成DEM。這種方法的主要特點是：

（1）克服了其他數字化方法需要專業儀器支持、專業技術人員操作或者需要其他軟件作為中介數據接口的問題；提高了數字化的效率、降低了數字化的難度；使GIS技術作為工具能夠更好地應用在非測繪領域的科學研究中。

（2）避免了紙張變形、操作人員熟練程度，矢量化軟件的功能不全等由使用儀器數字化帶來的誤差；最大限度地利用了地形圖信息，有效地提高了數字化精度。

（3）將工程普遍使用的ACAD的DWG格式的圖形文件或者外業直接測量的數據直接轉換成DEM，具有較強的實用性。得到的DEM數據精度基本可滿足小型應用。在DEM數據的基礎上可以進行槽蓄量計算、河道沖淤演化趨勢分析、河道類型的分類參數與指標量化、可視化及動態模擬、基于DEM的分布式水文模型等研究工作。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”