從數據庫地形數據到CAD地形數據的快速無縫轉換研究

王 嬌

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

隨著鐵路勘測設計技術不斷革新，中比例地形數據(如1∶5萬地形圖)在鐵路項目方案競選階段的需求越來越多。中比例地形數據一般由國家基礎地理測繪數據制作而成(以數據庫格式存放和管理)。而工程設計往往需要CAD格式的地形數據。因此，需對數據庫地形數據進行轉換處理。

傳統轉換方法存在處理效率較低、數據損失等問題，針對這種情況，對兩種數據的結構進行詳細分析，并對常用轉換方法存在的問題進行剖析，提出基于FME語義轉換與ObjectArx編程相結合的快速無縫轉換方法，實現了數據庫地形數據向CAD地形數據的快速、準確、無縫轉換。

1 數據結構分析

數據庫地形數據和CAD地形數據是由兩種不同軟件平臺制作而成，其數據格式、數據組織、數據分層以及數據屬性等存在較大的差異，要實現數據庫地形數據向CAD地形數據無縫轉換，必須充分了解兩種數據之間的區別。

1.1 數據要素組織

數據庫地形數據是一種簡單的矢量數據格式，要素通過點、線、面和注記四種類型來表示，用來存儲矢量要素的空間信息和屬性信息[1]。根據要素類型不同，分為點圖層、線圖層、面圖層和注記圖層。一種地物實體的表達主要由點圖層、線圖層和面圖層來完成。一個圖層是一種類型要素的集合體，圖層中要素對象與類型要一致，如點要素圖層中對象均為點要素的空間數據與屬性數據[2-3]。

CAD地形數據是由顏色、線型、圖塊等靜態圖形特征組織后的圖層集合，一個圖層對象可以包含多種類型的要素[4](即一個圖層中可以包括點、線、塊、文字以及填充等多種類型的要素對象)。

1.2 數據分層分類

按照《基礎地理信息要素分類與代碼》中大類組織分層結構，數據庫地形數據分層一般分為居民地及設施、交通、水系、管線、境界與政區、地貌、土質與植被、定位基礎等八類[5]。根據數據類型不同，又分為點層、線層和面層，如水系類分層為HYDA、HYDL、HYDP等，居民地及設施類分層為RESA、RESL、RESP等。CAD地形數據則按照《基礎地理信息要素分類與代碼》中子類組織分層結構，按照要素分類代碼進行數據分層及命名。如水系類分為210101(地面河流)、210102(地下河段)、220100(運河)、230101(湖泊)、230102(池塘)等。

1.3 數據屬性存儲

數據庫地形數據在一個數據集中存儲空間對象的幾何信息和屬性信息，一個圖層要素集對應一個屬性表，一個要素實體屬性信息存儲在屬性表的一條記錄中[6]。CAD地形數據要素屬性表是一個虛擬表，屬性數據的描述主要依靠圖層和注記[7]。

從以上分析可以看出，兩種數據格式具有不同的特點，要將數據庫地形數據無縫轉換到CAD地形數據，需要從數據組織、數據分層以及屬性存儲等方面進行解析與轉換。

2 快速無縫轉換方法的確定

數據庫地形數據向CAD地形數據轉換的方法大致有如下幾種[8]。

2.1 利用ArcGIS軟件實現數據庫地形數據到CAD地形數據的語義轉換

主要利用ArcGIS的Conversion Tools實現[9]，但其轉換過程中存在較多問題：①幾何要素丟失嚴重。由于GIS軟件數據結構與CAD軟件數據結構差異較大，轉換過程中幾何屬性丟失較多(如線性、符號等)。②屬性信息丟失或者冗余較多。GIS數據具有空間定位與空間分析能力，具有豐富的屬性信息，而CAD數據只注重相對顯示位置與表達關系，數據屬性信息較少。轉換后，屬性檢查與追加修改工作量較大，費時費力。③不具有自動批量轉換功能，人工編輯工作量大，工作效率低。

2.2 利用FME實現數據庫地形數據到CAD地形數據的語義轉換

FME是一款用于空間數據與非空間數據加載、轉換、集成、導出、共享的產品，能夠靈活應對各種數據重組內容變換任務，并將處理后的信息輸出到要求的格式中去，使信息在格式與應用之間自由遷移[10]。

使用FME進行數據轉換的思路是建立源數據與目的數據的語義映射關系轉換模型，通過選擇目的數據形式表達模板實現數據格式及形式表達等方面的快速轉換[11]。該方法具有強大的功能和靈活性，數據轉換效率和質量相對較高。但轉換過程仍然存在以下問題：①FME語義轉換成果的完整性依賴于轉換模板，其模版應盡可能包含目標圖形全部符號、線型以及字體等，否則會造成部分數據丟失現象。在實際項目應用過程中，模板文件難以包含項目全部數據的符號、線型以及字體，存在少量數據丟失的情況，還需要進行人工檢查以及要素編輯處理工作[11]。②有些復雜線型表達和轉換尚不能用FME語義實現轉換，有些屬性信息轉換成CAD文字后會出現過密現象，這些特殊情況仍需要人工編輯處理[12]。

2.3 編程實現數據庫地形數據到CAD地形數據的轉換

基于ObjectArx開發接口可靈活方便地實現CAD數據的分類重組和形式表達，在CAD地形數據的線型、符號以及文字注記等表達處理方面具有較強能力。但其對GIS數據庫的數據格式解析能力比較弱，難以實現對其幾何信息和屬性信息的快速讀取與完整解譯[13]。因此，單純利用編程方式實現數據庫地形數據的數據格式解析，建立兩種數據之間的嚴密轉換關系模型，難度較大，耗時較長。

2.4 利用FME語義轉換與編程方式相結合的快速無縫轉換方法

綜合以上幾種轉換方法的優點，提出采用FME語義轉換和編程方式相結合的數據轉換方法，實現從數據庫地形數據到CAD地形數據的快速無縫轉換。

轉換思路：首先利用FME強大的GIS數據模型，依據分類要素各自的數據組織結構特點，分類分層構建數據庫地形數據與CAD地形數據的映射對應關系，實現兩種格式數據邏輯組織層面的快速無損轉換(即實現幾何要素完整無縫提取轉換)。再利用ObjectArx靈活方便的開發接口與較強的形式表達層面數據處理能力，根據CAD地形數據的組織結構與表達規則，研發自動批量快速轉換應用程序功能，實現兩種格式數據形式表達層面的快速轉換。

3 FME語義轉換與ObjectArx編程相結合的快速無縫轉換方法實現

3.1 基于FME語義轉換的要素分類提取轉換方案

根據兩種地形數據的組織結構和圖形表達規則，對每類地形要素集，分別從數據組織結構重構、幾何要素分類分層轉換、屬性數據分類篩選提取等方面建立數據對應映射過程，制定各自的要素分類提取轉換方案，實現數據結構邏輯組織層面的快速完整轉換。基于FME語義轉換的要素分類提取轉換方案的技術路線如圖1所示。

圖1 基于FME語義轉換的要素分類提取方案技術路線

數據轉換過程：①讀取數據庫地形數據的分類要素。采用FME Workbench搭建轉換模板，選擇數據庫地形數據，利用讀模塊加載分類要素集數據。②數據組織結構重構。由于數據庫地形數據與CAD地形數據在數據組織與分層方式的不同，需要按照國標分類編碼對要素進行重新分層組織(利用屬性過濾轉換器AttributerFilter完成)。③幾何要素分類分層提取轉換。利用屬性過濾轉換器將分類要素的幾何要素全部轉出，保證幾何要素的完整性。如利用3DForce將等高線、高程點集合要素轉換成CAD下的三維對象，保持高程信息的完整轉換。④屬性信息分類篩選提取轉換。數據庫地形數據的屬性表中附帶大量屬性信息(如高程、角度、名稱、國標編碼等)。依據CAD地形數據表達規則，利用屬性過濾轉換器AttributerFilter進行篩選過濾，再利用TextAdder轉換器將篩選出的屬性數據轉換為CAD文字注記，在輸出屬性中設置顏色、字體大小等。⑤數據分類分層拆分與重組處理。為了便于后續程序批量自動化處理，依據數據表達一致性原則，利用AttributerFilter對要素集合進行拆分，將相同表達的要素進行重組分類(如將數據庫地形數據中AGNP類要素集合，根據道路級別、行政區級別等拆分重組)。⑥CAD地形數據文件生成。利用寫模塊將分類要素分別寫出，設置數據格式及屬性，最終通過目的數據源指定的數據存儲路徑及文件名稱，生成完整的CAD地形數據文件。此時生成的CAD地形數據具有完整無損的幾何要素信息，但在要素表達方面需要進一步進行轉換處理。

依據轉換思路，在FME的Workbench環境下建立語義映射轉換方案。圖2為數據庫地形數據道路類線要素集的FME語義映射轉換方案部分成果展示。

圖2 道路類線要素集的FME語義映射轉換方案部分成果展示

3.2 基于ObjectArx二次開發的自動批量轉換應用程序

利用基于FME語義轉換方案處理后的初步成果，不但具有完整的幾何要素信息，數據結構上也具有一定的規律性。在此基礎上，利用ObjectArx開發接口，采用C#開發語言，設計研發自動批量表達轉換與數據處理的應用程序[14-15]，實現對初步成果的進一步處理，完成數據庫地形數據到CAD地形數據的快速完整轉換。應用程序主要從以下方面實現批量自動轉化處理。①數據清理與轉換：經過FME語義提取轉換后，初步成果中的道路中線、河流中線等冗余數據需要批量刪除；塊以及直線等類型數據需要對其進行實體要素類型批量轉換。②顏色線型表達：依據國家基本比例尺地形圖圖式相關標準，將地形要素逐層進行顏色、線型以及線寬等屬性自動批量設置。③點狀要素符號化表達：依據地形符號庫及表達規則，將點要素自動轉換成對應符號，并根據符號角度屬性，自動設置符號旋轉角度。④面要素填充表達：對水系、房屋、植被等閉合要素進行批量暈線填充表達處理。⑤文字注記表達：對經過基于FME語義轉換后初步成果中的文字注記要素進行歸類處理，可直接對文字大小、樣式、顏色、角度等進行自動批量處理。⑥特殊表達處理：如抽稀處理、隧道洞口表達處理等。數據庫注記轉化成CAD文字時會出現文字過密現象，需要進行取舍等抽稀表達；有時隧道洞口未進行符號化表達，需要根據隧道多段線自動提取洞口點，再進行符號化表達處理。

將基于ObjectArx二次開發的自動批量轉換應用程序通過LoadNet命令加載集成到CAD編圖環境下即可應用。程序主要界面如圖3所示。

圖3 基于ObjectArx開發的自動批量表達轉換程序

3.3 FME語義轉換與ObjectArx編程相結合的快速無縫轉換方法在生產項目中的應用

以泰綏鐵路項目(1∶5萬)數據庫地形數據轉換為例，運用FME語義轉換與ObjectArx編程相結合的快速無縫轉換方法(新方法)進行數據轉換。

(1)利用FME要素分類語義映射轉換方案將地形數據幾何要素完整轉出。轉出后初步成果如圖4(a)，傳統方法FME直接導出成果如圖4(b)。

圖4 FME語義轉換成果與傳統FME直接轉出成果

對兩種方法獲得的成果進行如下的比較。①圖形可識別性與標準性：新方法將要素顏色、圖層名稱等方面進行分類標準化處理，可識別性較強；傳統方法圖形識別性和標準性均較差。②文件大小與冗余數據：新方法對道路、河流中線等冗余數據進行了處理，冗余數據少，文件相對較小；傳統方法冗余相對較多，文件較大。③數據完整性與數據規則性：新方法對隱含屬性進行了針對性的暴露與轉換處理，對同類同表達的要素進行了歸類處理，其數據完整且具有規則性，便于自動批量化表達處理。傳統方法屬性要素存在丟失情況，數據規則性不強，人工處理工作量較大。

(2)利用基于ObjectArx接口開發的自動批量轉換處理程序，對FME語義轉換后初步成果進行數據自動批量處理。其中，線型與填充自動批量處理程序應用效果如圖5。

圖5 線型與填充自動批量處理程序應用效果

對新方法與傳統方法的生產效率進行對比，其結果如圖6。

圖6 新方法與傳統方法的項目應用工效對比

從項目應用的工效統計對比中可以看出，利用FME語義轉換與ObjectArx編程相結合的快速無縫轉換方法不僅保證了數據庫地形數據的快速、無縫轉換，而且減少了人工編輯地形圖的工作量，提高了數據轉換與處理的工作效率，在生產項目中應用效果較好。

4 結論

(1)采用基于FME語義轉換的要素分類提取轉換方案，結合基于ObjectArx二次開發的自動批量轉換應用程序，可以很好地實現數據庫地形數據向CAD地形數據的快速、準確、無縫轉換。

(2)新方法在生產項目應用中，不僅能夠保證數據完整性，而且可以減少大量人工處理工作，工作效率與成圖質量都有較大提高。

(3)新方法不僅適用于鐵路項目，對其他類型項目的數據庫地形數據轉換處理也具有很好的應用價值。

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