河道地形數據GIS入庫方法

丁龍遠,聶時貴,陶冬冬,趙崇亮

(1.江蘇省基礎地理信息中心,江蘇南京 210013;2.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098)

河道地形數據在江河沿岸經濟建設、水資源開發利用、防洪減災、河床演變研究等領域是不可或缺的基礎信息,是江河整治和水利工程規劃建設的依據。我國河道地形測量歷史悠久,資料豐富。一方面,幾十年來大江大河和河道測圖堆積如山,另一方面,隨著現代GPS定位測量技術的發展,以及水下地形掃測系統問世,河道測量的速度加快、測次頻繁,大量乃至海量河道測量信息不斷涌現,因此需要對河道地形信息進行計算機管理,并進行深度開發與利用[1],拓寬原CAD河道地形數據的使用范圍。

目前,河道地形數據主要是在AutoCAD環境下制圖。AutoCAD作為強大的圖形編輯軟件在圖形數據的采集、編輯方面有著獨特的優勢,現有的許多地形數據的成果都采用CAD格式,CAD技術在工程勘測、設計和規劃管理部門有著廣泛應用。但是CAD技術難以支持測量信息的時空管理和更高層次的信息資源開發利用,這是因為在CAD環境中地形對象與其屬性分離,不支持空間分析。由于GIS可以對已有的數據進行理解、分析和管理,將信息與相應的地理位置相關聯,在建立數據庫方面有其得天獨厚的優勢,而傳統的CAD地形數據在河道地形分析方面存在不足。采用GIS技術進行河道地形信息建庫,有利于河道的相關地形分析。

本文利用ArcGIS軟件以及部分基于ArcEngine的程序,對在CAD河道地形數據轉換入庫(GIS)過程中涉及的高程點數據的獲取、等高線高程的確定、高程數據粗差探測等方面進行研究。

1 河道地形數據轉換入庫

河道通常較長,河道地形數據來自不同的測量單位以及同一單位不同的測量年份,其測圖與成圖方式有可能不同,有必要對CAD數據源進行分析,采用最合適的方法提取相應數據,特別是等深(高)線與高程點數據,作為河道DEM生成的高程數據源。在進行數據提取之前,首先要進行數據預處理,保證高程點數據與等高線數據在對應的層上,確定平面坐標空間參考與高程點基準面是否正確[2]。

1.1 CAD數據轉換入庫

AutoCAD地形圖的數據格式有DWG和DXF 2種,本文的數據源為DWG格式。利用ArcGIS的ArcToolBox模塊的轉換工具 ArcToolBox-ConversionTools-To Geodatabase-Import from CAD,將DWG文件轉換為File Geodatabase。轉換得到的File Geodatabase中包含有Point,Line,Area和CadDoc 4個圖層以及 XtrProp,XData,TxtProp,MSLink,Entity,CadLayer,Attrib等屬性表。可以在ArcGIS中直接瀏覽空間圖形以及轉換后相應的屬性表。這些屬性表和空間圖形要素是由EntID字段關聯的。本文研究所需要的地形數據(等高線、等高點)就包含在Point和Line 2個圖層中。

經過轉換后數據中每個要素通過EntID字段可以在對應的屬性表中找到對應的所有屬性,其中字段Txt值即為注記的文本值。正是通過這種一一對應關系,可以分別將高程點和注記點從Point層中提取出來,將等高線從Line層中提取出來。其他空間信息的整理與轉換不在本文的范圍內,在此不作研究。

1.2 地形數據分析

1.2.1高程點

地形圖中高程點與高程點注記一般有2種情況:①高程點包括在注記對象中;②高程點與注記點分離。

a.高程點包括在注記對象中。包括2種情況:①前面是整數部分文本對象,中間是點對象,后面是小數部分文本對象。3個對象獨立分布,點對象代表高程點,如圖1(a)所示。②只有一個數值對象,小數點對應的坐標就是高程點的坐標,如圖1(b)所示。

圖1 高程數據點的2種不同樣式(單位:m)

b.高程點與注記點分離。高程信息一般是由高程點和注記點2個部分組成。其中高程點本身不帶屬性,高程信息由對應的注記點表示,高程點和注記點在空間位置上比較接近,得到了注記點的數值也就得到了高程點的高程,因此主要討論注記值的獲取。注記一般有2種情況:①由多個對象組成,包括整數部分、小數點和小數部分,幾個部分彼此獨立;②只有單個對象,可以直接獲得完整的高程信息。

1.2.2等高線

在河道地形數據中,等高線占有很重要的地位,但是在實際CAD地形圖中由于各類要素的相互交錯或者覆蓋,等高線中不連續(存在大量斷點)的情況普遍存在。這是由于作圖人員是從出圖效果考慮的,忽視了數據的完整性,從而破壞了等高線的連續性,無法滿足GIS系統中等高線應完整且閉合的要求,因此需要對這些斷線進行連接。

1.3 地形數據的提取方法

1.3.1高程點的提取

a.對于圖1(a)的情況,CAD中高程點經轉換提取后在GIS數據中的表現如圖2所示。1個注記就分成了3個部分(3個單獨的點):整數部分、小數點、小數部分。中間點的坐標就是高程點的坐標。由于在CAD中注記以塊的形式表現,雖然被分成了3個單獨的點,但是在空間位置上這3個點是在1條直線上的。同時,這3個點可以通過屬性標記區分,分別為 ZX(整數)、SX(小數)、DAIMA(代碼),可以將整數點、小數點和高程點分別從注記點層中分離出來,然后從高程點以一定半徑做緩沖區,加上共線這個規律就能將整數和小數部分組合到高程點中,如圖3所示。

圖2 提取后的注記點(單位:m)

圖3 高程點提取賦值過程

b.對于圖1(b)的情況,經程序轉換后得到的注記點坐標就是高程點坐標,并且包含高程值,無需處理。

c.對于1.2節中b的第①種情況,注記部分處理類似1.2節a,但是與1.2節a的區別在于:中間點坐標為注記點坐標,高程點與注記點分離,高程點和注記點坐標在空間位置上相鄰且比較接近。首先用1.2節a中提到的方法將整數部分和小數部分整合到注記點上,然后從高程點以一定半徑做緩沖,在緩沖區內一般只有1個點,即為高程點對應的注記點,如果超過1個點,取最近的注記點,最后將注記點的文本屬性賦給高程點即得到高程點高程。

d.對于 1.2節中 b的第 ② 種情況,類似1.3.1節中的c,從高程點處開始以一定半徑做緩沖,取最近的注記點,將注記點的文本屬性賦給高程點即得到高程點高程。

1.3.2等高線的提取

CAD中等高線經轉換后在GIS數據中的表現如圖4所示。等高線為虛線,且不連續,需要將等高線進行連接。

圖4 轉換后的等高線(沒有高程屬性)

通過分析可以發現:相鄰等高線段之間距離不是很遠,而且原來在一條等高線上的線段走向都是一致的。因此首先從某條等高線段開始以距離為約束條件,找到離搜索線最近的線對象。具體過程如下:以每條線的某個端點做緩沖,判斷其余線落入緩沖區的條數,當多于1條線時減小半徑,沒有線對象落入緩沖區時增加半徑,直到搜索到唯一的1條線[3]。

但實際中距離搜索線最近的并不一定是應該連接的線對象,因此在距離約束的同時還需要加入角度約束條件,即連接線起始2點連線的方向與搜索線最后2點連線的延長線方向的夾角應為最小。因此應該設置一個用于判斷連接線是否滿足角度的約束條件,否則錯誤率比較高[3]。

在所有等高線連接完成后需要給等高線賦值。由于等高線分為首曲線、計曲線、間曲線與助曲線,在提取等高線的時候屬性中是帶有等高線性質字段的,因此在賦值的時候要根據等高線的性質區別對待。給等高線賦值的方法是給最高、最低點人工賦值,其余的自動賦值。具體過程如下:分別在最高、最低等高線上取1點,使連接的直線與所有的等高線基本垂直。由于等高線是閉合的曲線,因此這條直線與最高、最低等高線之間的所有等高線都會有一個交點,這個交點又位于直線上,在直線上與等高線相交的地方分別插入節點,這樣按節點順序(即按照等高線高程的高低順序)遍歷直線的節點,每個節點可以獲得1條等高線,在確定等高距的情況下即可對所有等高線賦值。其中間曲線按1/2等高距賦值,助曲線按1/4等高距賦值。處理結果如圖 5所示。

圖5 連接賦值后的等高線(單位:m)

2 地形數據檢查

在等高線與高程點的提取過程中,不可避免地會帶來數據誤差,所以必須對提取的數據進行檢查。數據誤差包括原始資料誤差、采點設備誤差、人為誤差等。原始資料誤差、采點設備誤差以及內插誤差很難消除,而最容易消除,但又經常被忽視的是人為誤差即粗差。數字化過程中對點、線高程的錯誤賦值以及對一些特殊地形、地貌的錯誤描述很常見。如高程點負號的丟失、位數的不一致,等高線數據高程值的賦值錯誤等,除可以采用人工對比法以外,還可以采用多種算法進行高程粗差剔除,如基于不同大小窗口的移動曲面擬合法[5]、基于坡度剔除粗差的方法、基于三維可視化的方法、各種插值方法值的對比等。對于河道突然的隆起與深坑旋渦的地貌進行敏感性分析,排除假性地貌。其中基于三維可視化的方法比較簡單實用,在具體工作中可利用高程點、等高線數據生成TIN數據,對突變地貌與原始數據進行比對。如圖6、圖7所示,就是運用三維可視化方法發現數據中的1處錯誤(-33.7被解釋為33.7,負號丟失)。

圖6 原始高程點錯誤處(單位:m)

DEM是河道地形數據入庫后的主要表達形式之一,當高程點、等高線數據提取并檢查以后,就可以進行DEM的構建。

圖7 TIN中發現錯誤處(單位:m)

3 結 語

河道地形數據的應用和需求相當廣泛,地形數據是構建高精度DEM的基礎。筆者對在CAD河道地形數據轉換入庫(GIS)過程中涉及的高程點數據的獲取、等高線高程的確定、高程數據粗差探測等方面進行研究,實現了在少量人工質量控制的前提下高效率地將CAD河道地形數據向GIS數據自動轉換與入庫。該高程數據提取方法具有準確、快捷和實用的特點。

[1]丁賢榮,王文,楊濤,等.河道數字地形信息系統與長江鎮揚河段GIS研制[J].河海大學學報:自然科學版,2001,29(4):116-119.

[2]許捍衛,何江,柯紅軍,等.長江江蘇段河道DEM建立方法研究[J].測繪工程,2006,15(4):33-36.

[3]蔣淼,張琴.基于ArcGIS Engine的水下間斷等高線自動連接研究[J].現代測繪,2008,31(3):32-34.

[4]楊曉云,顧利亞,岑敏儀,等.基于不同大小窗口的移動曲面擬合法探測不規則DEM粗差的一種方法[J].測繪學報,2005,34(2):148-153.