CAD到GIS格式數據轉換技術及其在地鐵保護巡查系統中的應用

彭 達 高修強 張文國

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，311122，杭州∥第一作者，工程師)

目前，城市基礎地理信息數據均以CAD(計算機輔助設計)格式數據存儲，隨著GIS(地理信息系統)技術的推廣以及數字孿生城市概念的興起， CAD格式數據在圖形表現形式以及圖形對象屬性的展現上難以滿足城市建設運維期的需要，勘測設計方交付的CAD格式數據難以被二次處理或調用分析，無法實現除了信息存儲以外更多的功能。如何高效便捷地將地鐵建設期的CAD格式數據轉換成GIS數據、如何完成指定場景的空間分析和數據融合、如何構建形象化的場景是目前地鐵保護巡查工作的重點。CAD格式數據與GIS數據均建立在空間坐標系中，可以描述圖形間的拓撲關系。在圖形的表現形式上，CAD格式數據主要包含顏色、線型、符號等靜態特征，不同圖層對應的實體含義通常以圖層命名區分，數據呈現非關系性，難以進行信息化、數字化抽象及計算機語義化處理。而GIS數據的屬性內容靈活多樣，可以便捷地區分不同地物，便于進行抽象化和信息化管理[1]。

針對地鐵建設過程中，車站、線路、區間的CAD格式數據難以被二次處理或調用分析的問題，結合FME(空間操縱引擎)數據轉換技術與GIS空間分析技術，將Shapefile格式數據作為CAD格式數據與可在地圖上直觀展示的商用GIS數據相互轉換的中間媒介，同時結合GIS領域的數據渲染及空間分析技術，實現了CAD格式數據與 GIS地圖的融合處理。最終，研發了一套巡查管理系統，其功能包括：巡檢人員實時作業軌跡記錄、在建項目與地鐵保護區的外輪廓范圍相對位置展示、最近距離測算、地鐵保護區范圍在實景三維城市模型中的疊加展示。本文研究可為地鐵日常保護巡查工作提供思路與實用價值。

1 基于ArcGIS平臺的CAD數據到GIS數據的轉換

1.1 數據轉換

ArcGIS是一個集成了眾多高級GIS應用的GIS平臺，為GIS相關從業者提供了許多地理要素處理功能。ArcGIS平臺可以實現CAD格式數據的直接讀取，其Toolbox中的Conversion Tools模塊能夠將CAD地形圖數據轉換成Geodatabase模型中的地理數據。由于部分CAD圖紙中的數據元素過多，轉換過程中存在部分數據無法在ArcMap中正常顯示的問題。針對該情況，利用Data Interoperability Tools中的導出工具，將其數據格式轉換成Shapefile數據格式后能夠解決該顯示問題。

1.2 數據校驗

由于勘測設計行業的CAD格式圖紙通常是多行業的綜合圖紙，其圖紙樣式難以統一，存在圖層較多、線條樣式多樣化等問題。有些圖形實體數據結構在GIS軟件中無法正常讀取，在CAD格式數據向Shapefile格式數據轉換過程中，可能存在部分格式的線條丟失現象,因此在數據轉換完畢后需進行數據的基本校驗[2]。對于丟失的點、線及未閉合的面，可采用ArcGIS平臺的工具箱Toolbox中的編輯工具進行數據的補充、修剪及拼接等操作。

1.3 屬性補充

CAD格式數據以點、線、面3種類型格式存儲， Shapefile格式中GIS數據的注記信息格式為Feature Class Annotation，圖形幾何屬性為Polygon格式[3]。CAD格式數據與Shapefile格式數據屬性對比如表1所示。但對于空間面的交叉入侵分析，CAD中看起來“閉合”的一些面用的其實是Polyline屬性，對于此類數據需要先轉換成Polygon屬性，才能進行后續的閉合區域面積計算及入侵分析等操作。

表1 CAD格式數據與Shapefile格式數據屬性對比

ArcGIS中的自定義添加屬性字段功能可以完成對CAD格式數據屬性的自由拓展，解決了原始CAD格式數據以文字描述屬性、無法進行信息化層面的邏輯抽象、無法進行計算機語義化的缺點，也為后期圖形的屬性編輯及前端渲染展示提供了基礎。

2 轉化后的GIS數據在地鐵保護巡查系統中的應用

地鐵保護巡查系統的主要功能是對地鐵沿線50 m范圍(以下簡稱“地鐵保護區”)的施工項目進行巡視、檢查及管控。距離地鐵結構較近的工程施工項目，特別是涉及到基坑開挖類型的工程項目，容易對地鐵結構的穩固性造成影響[4]。

但由于目前商用地圖上沒有地鐵線路外邊線經緯度具體輪廓、地鐵車站具體輪廓以及地鐵保護區范圍的標識，造成了日常巡檢人員無法判斷施工項目是否處于地鐵保護區范圍。將CAD格式數據中的地鐵線路外邊線經緯度具體輪廓、地鐵車站具體輪廓及地鐵保護區范圍的標識數據轉換為GIS數據，以計算機語言抽象、加載后展示到地圖上，同時輔以地圖的自動測距功能，能夠分析周邊地鐵工程項目范圍與地鐵保護區范圍的空間關系，清晰直觀地展示日常巡檢人員所需標識。

依托北斗衛星定位、人員軌跡采集、GIS閉合面入侵判斷、面域疊加判斷、三維傾斜攝影模型與GIS數據結合等技術，可以實現管理者對巡檢人員的實時定位、巡檢人員進出地鐵保護區范圍自動提醒、違建項目在地鐵保護區范圍的面積測算、在建項目距離地鐵外輪廓的最近距離測算，以及三維可視化展示實際空間中地鐵保護區范圍的在建項目等功能。

3 實際案例應用

以南昌地鐵保護巡查系統一期項目為例，CAD修補完善前后的南昌地鐵2號線線路、車站及地鐵保護區輪廓圖如圖1所示。勘測設計單位提供的地鐵保護區范圍原始CAD格式數據中包含地鐵線路、地鐵車站、地鐵保護區以及建筑、管網、地塊等多個無用信息(見圖1 a))。在CAD軟件中將除地鐵線路、地鐵車站、地鐵保護區圖層以外的其他無用圖層剔除，同時將保護區線進行修補閉合(見圖1 b))。

圖1 CAD修補完善前后的南昌地鐵2號線線路、車站及地鐵保護區輪廓圖

將修補完善后的地鐵線路、地鐵車站及地鐵保護區輪廓圖導入ArcGIS平臺，依據表1中的對應關系，將地鐵車站和區間中的線(Polyline屬性數據)、地鐵保護區中的面(Polygon屬性數據)導出為Shapefile格式數據。在ArcGIS平臺中將地鐵保護的CAD格式數據轉換成Shapefile格式數據，其軟件截圖如圖2所示。

圖2 CAD格式數據轉換為Shapefile格式數據軟件截圖

導出的Shapefile格式數據通過MapShaper網站即可便捷地轉換成計算機所需的JSON(Java-Script對象簡譜)格式數據。經轉換后的文件是一系列的點集，通過前端開發可以直接與商用地圖融合，并最終形成可用于地鐵保護巡查系統的標識地圖。南昌地鐵2號線地鐵保護巡查地圖如圖3所示。

圖3 南昌地鐵2號線地鐵保護巡查地圖

CAD格式數據與GIS地圖融合后，結合北斗定位能夠為現場巡查人員提供手持端軟件，在地鐵保護區地圖上實時展示巡查人員的巡檢軌跡，其軟件截圖如圖4所示。引入GIS面域分析技術可以實現判斷巡查人員進出地鐵保護區范圍的自動提醒功能，能夠自動測算巡查人員的當前位置與地鐵保護區外邊線的最近距離，并以此精準判斷周邊地鐵工程項目是否位于地鐵保護區范圍。GIS面域分析及距離自動測算軟件截圖如圖5所示。利用輔助傾斜攝影技術，通過SuperMap GIS(北京超圖地理信息系統軟件)將二維的地鐵保護區邊線與三維地面融合，可以將地鐵保護區范圍在城市三維實景模型中疊加展示出來，如圖6所示。

圖4 地鐵保護區巡查人員軌跡展示軟件截圖

圖5 GIS面域分析及距離自動測算軟件截圖

圖6 地鐵保護區范圍在城市三維實景模型中的疊加展示

4 結語

本文介紹了一種基于ArcGIS技術的CAD格式數據轉換成GIS數據的方法。同時,將轉換后的GIS數據與在線地圖相結合，以地鐵運營期間周邊工程項目巡檢人員的業務需要為出發點，打造了一套集巡檢人員實時作業軌跡記錄、在建項目與地鐵保護區及外輪廓范圍相對位置展示、最近距離測算、地鐵保護區范圍在實景三維城市模型中的疊加展示等功能的巡查管理系統，打破了CAD格式數據難以進行信息化和數字化抽象、計算機語義化編程、提取分析及業務功能展示的壁壘，提高了地理信息數據的綜合利用率。通過該軟件能夠幫助管理人員及巡查人員更直觀簡便地在地鐵保護區空間范圍進行巡查管理。目前，該技術及其相關系統已在實際工程項目中獲得較好的應用，并具有市場推廣價值。