動態矢量數據與在線地圖的實時發布與實現

李鴻宇，盧小平，王志軍，豆喜朋

(1. 河南理工大學礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，河南 焦作 454003； 2. 河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003)

動態矢量數據與在線地圖的實時發布與實現

李鴻宇1，盧小平1，王志軍2，豆喜朋2

(1. 河南理工大學礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，河南 焦作 454003； 2. 河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003)

針對城市勘測規劃中需要將AutoCAD矢量數據與WebGIS發布的地圖進行疊加分析的應用需求，本文提出了在兩種異構數據中尋找同名節點相應位置的方法，建立了一種基于節點向量同名節點(無幾何畸變)的快速轉換模型匹配方法，并通過AO(ArcObjects)/ArcGIS Server發布地圖服務使不同坐標系下的矢量數據與在線地圖進行同步匹配，實現了在WebGIS平臺下用戶對矢量文件的在線審查、分析等功能，并以實例應用結果表明了該方法的有效性。

動態矢量數據；快速匹配；同名節點；在線地圖；Uploadify

城市勘測設計是城市規劃、建設的基礎和前提，也是城鄉規劃管理過程中不可分割的工作環節，可為城鄉規劃提供強有力的技術支撐和保障[1-2]。目前，城市規劃部門積累了龐大的數據和文檔資料，且呈現多元化(紙質、圖片、AutoCAD、Shape文件)等特點，因此迫切需要運用現代信息化手段對這些數據進行管理。AutoCAD擁有較強的數據交互能力，可以進行多種數據轉換，是目前最主要的繪圖工具，在制圖表現形式方面具有GIS系統無法比擬的優勢[3-4]，但其在管理地理信息數據方面存在局限性，如拓撲關系和空間數據的分析方面難以實現等。隨著WebGIS在城鄉規劃、工程勘測、數據庫管理等領域的廣泛應用，用戶需要將AutoCAD生成的數據文件與WebGIS發布的地圖服務進行疊加分析，實現多源數據融合，便于對比地圖數據和地圖底圖兩者在地塊形狀、空間位置、坐標等方面的差異，并及時進行修改和完善，從而簡化操作流程，提高工作效率。在C/S架構下，客戶端通常是將AutoCAD圖形數據直接導入ArcGIS平臺指定的空間，即可實現數據的疊加[5-6]。而B/S架構模式下客戶端只有瀏覽器[7]，無法直接導入AutoCAD矢量數據，使得WebGIS系統難以實時提供AutoCAD矢量數據的在線疊加功能，即無法進行實時疊加分析，從而制約了WebGIS系統的應用。

文獻[8]提出R+樹對疊加算法進行改進，但當圖層中圖元數目較多、數據量較大時，該方法計算耗時較長。文獻[9]提出利用更新后的地圖要素對應的坐標范圍計算對應的行列號，以此重新生成該范圍內的瓦片，但當在線編輯地理要素涉及的空間范圍較大時，該方法計算過程比較繁瑣。針對AutoCAD數據與GIS底圖圖斑外邊界較為規則、類型相對單一等特點，現有的點特征匹配方法難以滿足同名點匹配精度要求，本文提出一種顧及地圖空間關系的節點向量同名點匹配方法，可使AutoCAD數據文件與GIS底圖進行精確配準與疊加，利用WebGIS平臺實時發布的AutoCAD矢量數據，實現矢量數據與在線地圖在線準確匹配，并以實例驗證本文所提方法的有效性。

1 不同坐標系下的AutoCAD數據與GIS底圖疊加方法

AutoCAD矢量數據與WebGIS系統發布的地圖服務進行疊加，首先需要將AutoCAD矢量數據上傳至GIS服務器，然后轉換成Map Service進行服務發布。不同坐標系的矢量數據文件需要通過坐標轉換成同一坐標系下的坐標。

1.1 基于節點向量的同名點匹配方法

本文提出利用兩節點間的距離L、梯度R及節點間的地圖空間關系作為判斷同名點的約束條件，不僅能提高計算效率(局部匹配，參與計算節點數少)，同時也能保證匹配的精度。具體步驟如下：

(1)

(2)

式中，XP、YP和XPi、YPi為節點P和Pi在圖層M1的坐標值。同理，可根據式(1)、式(2)計算圖層M2中Q節點與其相鄰節點的距離LQ和RQ。

(2) 對比M1、M2圖層各節點L和R是否相同，若兩者相同，則通過對應的地圖空間關系建立相應的同名點，否則重復上述步驟，繼續進行對比。

1.2 七參數轉換模型

通過上述過程，可得到1980西安坐標系與1954北京坐標系同名點的對應坐標，然后采用七參數法坐標轉換模型(Bursary-Wolf模型的簡化形式[10-11])對坐標系進行統一，數學表達式如下

(3)

式中，Δx、Δy、Δz及εx、εy、εz分別為平移參數和旋轉參數；k為尺度因子。

通過式(3)求出轉換參數后，可以再利用布爾沙模型進行各種坐標轉換。如果僅考慮平面坐標，Z值近似為0，則式(3)可簡化為

(4)

1.3 AutoCAD數據與GIS底圖疊加方法

1.3.1 參數優化

根據式(4)得到的轉換參數計算坐標值，精度難以滿足實際要求。因此，本文采用隨機抽樣一致性(random sample consensus,RANSAC)通過迭代方式對解算的參數進行優化。RANSAC是Fischler提出的一種魯棒模型估計方法[12]，其基本思想是將一組觀測數據分為局內點和局外點兩種，初始均設定為局內點，隨機選取觀測數據參數化模型，重復迭代對觀測數據集取樣得到最多局內點的參數估計為最佳模型矩陣。采用RANSAC算法求參數H的具體流程為：

(1) 在控制點對中隨機選取兩組控制點對,用式(4)解方程組，得到單應矩陣參數H。

(2) 根據計算得到的參數H，測試其他控制點對，采用Sampson距離[13]計算誤差距離Dis。

(3) 將誤差距離大于閾值的控制點對設為局外點，反之則為局內點。

(4) 重復上述步驟，直到遍歷所有點對。

根據RANSAC算法保留了局內點最多的參數H估計值，該參數H為最優參數。

1.3.2 疊加流程

AutoCAD數據與GIS底圖疊加的具體技術如下：

(1) 上傳圖形文件。客戶端選擇與WebGIS系統發布服務進行疊加顯示的AutoCAD圖形文件，WebGIS通過Web Service將該文件上傳至ArcGIS Server，用于發布服務。

(2) 讀取圖形文件。ArcObjects不僅具備發布地圖服務的功能，還具有靈活的編輯功能和強大的空間分析能力[14]。在GIS服務器新建一個空白的MXD文檔，使用ArcObjects將AutoCAD圖形作為一個整體由Cadlayer讀取。

(3) AutoCAD數據轉換為MXD文檔。將WebGIS系統發布地圖服務所在的空間位置賦予讀取后的FeatureLayer，并將FeatureLayers添加到MXD圖層集中保存。

(4) 發布地圖服務。在服務器上使用擁有發布Map Service權限的用戶標識連接到ArcGIS Server，然后新建一個Map Service并進行基本配置，將MAD文檔賦予該Map Service，完成服務發布。在客戶端，用戶根據發布的Map Service及WebGIS發布的服務進行疊加顯示和在線分析。

1.4 系統設計

1.4.1 文件上傳

由于WebGIS不能直接使用ArcObjects讀取AutoCAD矢量數據文件，因此需要利用Uploadify插件讀取文件并進行上傳。Uploadify函數的參數為JSON格式，通過修改JSON對象的Key值可進行自定義設置，如Key值中的Value可設為字符串類型、布爾類型或對象類型。本文將Key值的Value設為對象類型，實現AutoCAD文件的上傳。

1.4.2 矢量數據讀取

ArcGIS Server不能直接將AutoCAD矢量數據發布為Map Service，需要利用ArcObjects將AutoCAD數據讀取到FeatureLayer，賦予特定的空間位置并添加至MXD文檔。本文以某宗地為例，在該宗地邊界四周按順時針方向從左上角開始，依次選取8個點的坐標(1980西安坐標系)，然后根據以上方法，計算這8個點對應的1954北京坐標(見表1)。

表1 轉換后的1954北京坐標與已知的1954北京坐標

1.4.3 服務發布

通過ArcGIS Server發布保存在MXD中的AutoCAD矢量數據，客戶端通過加載Map Service與WebGIS發布的地圖服務，從而實現疊加分析。

1.5 系統功能實現

以Visual Studio2012作為開發環境，ArcGIS Server作為地圖服務平臺，采用JavaScript腳本語言編寫后臺代碼，同時結合HTML和CSS語言進行前臺頁面的展示和布局，使用SQL Server 2008存儲數據，用Ajax和JSON進行前后臺數據的交互[15]。數據庫用于存儲空間數據和屬性數據，并利用空間數據引擎，將AutoCAD數據加載到關系數據庫RDBMS。

(1) 數據層：建立基礎信息數據庫和勘測數據庫，通過ArcSDE和SQL Server2008分別實現對空間數據和屬性數據的存儲。

(2) 應用層：以Microsoft.NET框架作為基礎技術平臺，以ArcGIS作為通用的業務GIS平臺。服務器端利用ArcGIS Server構建勘測總規圖、遙感影像圖、路網和電子地圖底圖相關服務。

(3) 表現層：以ArcGIS API for JavaScript開發庫調用地圖的相關服務，通過Ajax進行前后臺數據的交互,并借助于瀏覽器通過HTML和CSS等語言實現數據的直觀展現。

本文基于ArcGIS Server開發的城市勘測規劃數據管理系統，實現了AutoCAD矢量數據的實時發布及AutoCAD矢量數據與在線地圖的實時在線疊加功能，建立了AutoCAD矢量數據上傳、AutoCAD矢量數據AO讀取、空間參考賦值、發布地圖服務等一整套技術流程。

2 結果分析

利用本文所提方法在試驗宗地塊上按順時針方向依次從左上角選取了8個點位的坐標，疊加效果如圖1所示。由圖1可以看出，用戶可更直觀地對AutoCAD圖形文件與GIS地圖進行對比分析。

圖1 CAD矢量數據發布

轉換后的1954北京坐標與已知的1954北京坐標對比結果見表2。由表2可知，點位的MX(X坐標中誤差)、MY(Y坐標中誤差)分別為0.042 m和0.054 m，平面位置中誤差為MS=0.127 m；X坐標、Y坐標方向上的小于或等于3MS的控制點個數分別為7個和8個，分別占總數的87.5%和100%，說明本文所提方法能夠滿足用戶實時在線疊加和分析的精度要求。

表2 1980西安坐標系與1954北京坐標轉換精度統計 m

3 結 語

本文提出建立了一種基于節點向量同名節點(無幾何畸變)的快速轉換模型匹配方法，設計研發了城市勘測中心數據管理系統，通過AO(ArcObjects)/ArcGIS Server發布地圖服務使不同坐標系下的矢量數據與在線地圖進行同步匹配，實現了用戶利用WebGIS平臺對矢量文件在線審查、分析等功能，實例應用結果表明了該方法的有效性。

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Real-time Publishing and Implementation of Dynamic Vector Data and Online Map

LI Hongyu1,LU Xiaoping1,WANG Zhijun2,DOU Xipeng2

(1. Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies，National Administration of Surverying，Mapping and Geoinformation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003, China； 2. Henan Hydraulic Engineering Investigation and Surveying Co.Ltd., Zhengzhou 450003, China)

In order to meet the needs of the application that the AutoCAD vector data and the maps published by WebGIS need to overlay analysis, this paper proposes a method to find the corresponding position of the same name point in two kinds of heterogeneous data, and establishes a method based on the same point of the node vector (no geometric distortions ), and the vector data of different coordinate systems are synchronized with the online map through AO (ArcObjects)/ArcGIS Server.This system can realize the online review and analysis of vector files under WebGIS platform. The application results show that the method is effective.

dynamic vector data; fast matching; correspondence nodes; online map; Uploadify

李鴻宇，盧小平，王志軍,等.動態矢量數據與在線地圖的實時發布與實現[J].測繪通報，2017(4)：104-107.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0131.

2016-08-18

2016年國家重點研發計劃(2016YFC0803103)；河南省高校創新團隊支持計劃(14IRTSTHN026)；河南省創新型科技創新團隊支持計劃

李鴻宇(1990—)，男，碩士生，研究方向為地理信息系統。E-mail：lihongyu1022@126.com

盧小平

P208

A

0494-0911(2017)04-0104-04