从数据库地形数据到CAD地形数据的快速无缝转换研究

2018-07-03王娇

铁道勘察 2018年3期

王娇

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

随着铁路勘测设计技术不断革新，中比例地形数据(如1∶5万地形图)在铁路项目方案竞选阶段的需求越来越多。中比例地形数据一般由国家基础地理测绘数据制作而成(以数据库格式存放和管理)。而工程设计往往需要CAD格式的地形数据。因此，需对数据库地形数据进行转换处理。

传统转换方法存在处理效率较低、数据损失等问题，针对这种情况，对两种数据的结构进行详细分析，并对常用转换方法存在的问题进行剖析，提出基于FME语义转换与ObjectArx编程相结合的快速无缝转换方法，实现了数据库地形数据向CAD地形数据的快速、准确、无缝转换。

1 数据结构分析

数据库地形数据和CAD地形数据是由两种不同软件平台制作而成，其数据格式、数据组织、数据分层以及数据属性等存在较大的差异，要实现数据库地形数据向CAD地形数据无缝转换，必须充分了解两种数据之间的区别。

1.1 数据要素组织

数据库地形数据是一种简单的矢量数据格式，要素通过点、线、面和注记四种类型来表示，用来存储矢量要素的空间信息和属性信息[1]。根据要素类型不同，分为点图层、线图层、面图层和注记图层。一种地物实体的表达主要由点图层、线图层和面图层来完成。一个图层是一种类型要素的集合体，图层中要素对象与类型要一致，如点要素图层中对象均为点要素的空间数据与属性数据[2-3]。

CAD地形数据是由颜色、线型、图块等静态图形特征组织后的图层集合，一个图层对象可以包含多种类型的要素[4](即一个图层中可以包括点、线、块、文字以及填充等多种类型的要素对象)。

1.2 数据分层分类

按照《基础地理信息要素分类与代码》中大类组织分层结构，数据库地形数据分层一般分为居民地及设施、交通、水系、管线、境界与政区、地貌、土质与植被、定位基础等八类[5]。根据数据类型不同，又分为点层、线层和面层，如水系类分层为HYDA、HYDL、HYDP等，居民地及设施类分层为RESA、RESL、RESP等。CAD地形数据则按照《基础地理信息要素分类与代码》中子类组织分层结构，按照要素分类代码进行数据分层及命名。如水系类分为210101(地面河流)、210102(地下河段)、220100(运河)、230101(湖泊)、230102(池塘)等。

1.3 数据属性存储

数据库地形数据在一个数据集中存储空间对象的几何信息和属性信息，一个图层要素集对应一个属性表，一个要素实体属性信息存储在属性表的一条记录中[6]。CAD地形数据要素属性表是一个虚拟表，属性数据的描述主要依靠图层和注记[7]。

从以上分析可以看出，两种数据格式具有不同的特点，要将数据库地形数据无缝转换到CAD地形数据，需要从数据组织、数据分层以及属性存储等方面进行解析与转换。

2 快速无缝转换方法的确定

数据库地形数据向CAD地形数据转换的方法大致有如下几种[8]。

2.1 利用ArcGIS软件实现数据库地形数据到CAD地形数据的语义转换

主要利用ArcGIS的Conversion Tools实现[9]，但其转换过程中存在较多问题：①几何要素丢失严重。由于GIS软件数据结构与CAD软件数据结构差异较大，转换过程中几何属性丢失较多(如线性、符号等)。②属性信息丢失或者冗余较多。GIS数据具有空间定位与空间分析能力，具有丰富的属性信息，而CAD数据只注重相对显示位置与表达关系，数据属性信息较少。转换后，属性检查与追加修改工作量较大，费时费力。③不具有自动批量转换功能，人工编辑工作量大，工作效率低。

2.2 利用FME实现数据库地形数据到CAD地形数据的语义转换

FME是一款用于空间数据与非空间数据加载、转换、集成、导出、共享的产品，能够灵活应对各种数据重组内容变换任务，并将处理后的信息输出到要求的格式中去，使信息在格式与应用之间自由迁移[10]。

使用FME进行数据转换的思路是建立源数据与目的数据的语义映射关系转换模型，通过选择目的数据形式表达模板实现数据格式及形式表达等方面的快速转换[11]。该方法具有强大的功能和灵活性，数据转换效率和质量相对较高。但转换过程仍然存在以下问题：①FME语义转换成果的完整性依赖于转换模板，其模版应尽可能包含目标图形全部符号、线型以及字体等，否则会造成部分数据丢失现象。在实际项目应用过程中，模板文件难以包含项目全部数据的符号、线型以及字体，存在少量数据丢失的情况，还需要进行人工检查以及要素编辑处理工作[11]。②有些复杂线型表达和转换尚不能用FME语义实现转换，有些属性信息转换成CAD文字后会出现过密现象，这些特殊情况仍需要人工编辑处理[12]。

2.3 编程实现数据库地形数据到CAD地形数据的转换

基于ObjectArx开发接口可灵活方便地实现CAD数据的分类重组和形式表达，在CAD地形数据的线型、符号以及文字注记等表达处理方面具有较强能力。但其对GIS数据库的数据格式解析能力比较弱，难以实现对其几何信息和属性信息的快速读取与完整解译[13]。因此，单纯利用编程方式实现数据库地形数据的数据格式解析，建立两种数据之间的严密转换关系模型，难度较大，耗时较长。

2.4 利用FME语义转换与编程方式相结合的快速无缝转换方法

综合以上几种转换方法的优点，提出采用FME语义转换和编程方式相结合的数据转换方法，实现从数据库地形数据到CAD地形数据的快速无缝转换。

转换思路：首先利用FME强大的GIS数据模型，依据分类要素各自的数据组织结构特点，分类分层构建数据库地形数据与CAD地形数据的映射对应关系，实现两种格式数据逻辑组织层面的快速无损转换(即实现几何要素完整无缝提取转换)。再利用ObjectArx灵活方便的开发接口与较强的形式表达层面数据处理能力，根据CAD地形数据的组织结构与表达规则，研发自动批量快速转换应用程序功能，实现两种格式数据形式表达层面的快速转换。

3 FME语义转换与ObjectArx编程相结合的快速无缝转换方法实现

3.1 基于FME语义转换的要素分类提取转换方案

根据两种地形数据的组织结构和图形表达规则，对每类地形要素集，分别从数据组织结构重构、几何要素分类分层转换、属性数据分类筛选提取等方面建立数据对应映射过程，制定各自的要素分类提取转换方案，实现数据结构逻辑组织层面的快速完整转换。基于FME语义转换的要素分类提取转换方案的技术路线如图1所示。

图1 基于FME语义转换的要素分类提取方案技术路线

数据转换过程：①读取数据库地形数据的分类要素。采用FME Workbench搭建转换模板，选择数据库地形数据，利用读模块加载分类要素集数据。②数据组织结构重构。由于数据库地形数据与CAD地形数据在数据组织与分层方式的不同，需要按照国标分类编码对要素进行重新分层组织(利用属性过滤转换器AttributerFilter完成)。③几何要素分类分层提取转换。利用属性过滤转换器将分类要素的几何要素全部转出，保证几何要素的完整性。如利用3DForce将等高线、高程点集合要素转换成CAD下的三维对象，保持高程信息的完整转换。④属性信息分类筛选提取转换。数据库地形数据的属性表中附带大量属性信息(如高程、角度、名称、国标编码等)。依据CAD地形数据表达规则，利用属性过滤转换器AttributerFilter进行筛选过滤，再利用TextAdder转换器将筛选出的属性数据转换为CAD文字注记，在输出属性中设置颜色、字体大小等。⑤数据分类分层拆分与重组处理。为了便于后续程序批量自动化处理，依据数据表达一致性原则，利用AttributerFilter对要素集合进行拆分，将相同表达的要素进行重组分类(如将数据库地形数据中AGNP类要素集合，根据道路级别、行政区级别等拆分重组)。⑥CAD地形数据文件生成。利用写模块将分类要素分别写出，设置数据格式及属性，最终通过目的数据源指定的数据存储路径及文件名称，生成完整的CAD地形数据文件。此时生成的CAD地形数据具有完整无损的几何要素信息，但在要素表达方面需要进一步进行转换处理。

依据转换思路，在FME的Workbench环境下建立语义映射转换方案。图2为数据库地形数据道路类线要素集的FME语义映射转换方案部分成果展示。

图2 道路类线要素集的FME语义映射转换方案部分成果展示

3.2 基于ObjectArx二次开发的自动批量转换应用程序

利用基于FME语义转换方案处理后的初步成果，不但具有完整的几何要素信息，数据结构上也具有一定的规律性。在此基础上，利用ObjectArx开发接口，采用C#开发语言，设计研发自动批量表达转换与数据处理的应用程序[14-15]，实现对初步成果的进一步处理，完成数据库地形数据到CAD地形数据的快速完整转换。应用程序主要从以下方面实现批量自动转化处理。①数据清理与转换：经过FME语义提取转换后，初步成果中的道路中线、河流中线等冗余数据需要批量删除；块以及直线等类型数据需要对其进行实体要素类型批量转换。②颜色线型表达：依据国家基本比例尺地形图图式相关标准，将地形要素逐层进行颜色、线型以及线宽等属性自动批量设置。③点状要素符号化表达：依据地形符号库及表达规则，将点要素自动转换成对应符号，并根据符号角度属性，自动设置符号旋转角度。④面要素填充表达：对水系、房屋、植被等闭合要素进行批量晕线填充表达处理。⑤文字注记表达：对经过基于FME语义转换后初步成果中的文字注记要素进行归类处理，可直接对文字大小、样式、颜色、角度等进行自动批量处理。⑥特殊表达处理：如抽稀处理、隧道洞口表达处理等。数据库注记转化成CAD文字时会出现文字过密现象，需要进行取舍等抽稀表达；有时隧道洞口未进行符号化表达，需要根据隧道多段线自动提取洞口点，再进行符号化表达处理。

将基于ObjectArx二次开发的自动批量转换应用程序通过LoadNet命令加载集成到CAD编图环境下即可应用。程序主要界面如图3所示。

图3 基于ObjectArx开发的自动批量表达转换程序

3.3 FME语义转换与ObjectArx编程相结合的快速无缝转换方法在生产项目中的应用

以泰绥铁路项目(1∶5万)数据库地形数据转换为例，运用FME语义转换与ObjectArx编程相结合的快速无缝转换方法(新方法)进行数据转换。

(1)利用FME要素分类语义映射转换方案将地形数据几何要素完整转出。转出后初步成果如图4(a)，传统方法FME直接导出成果如图4(b)。

图4 FME语义转换成果与传统FME直接转出成果

对两种方法获得的成果进行如下的比较。①图形可识别性与标准性：新方法将要素颜色、图层名称等方面进行分类标准化处理，可识别性较强；传统方法图形识别性和标准性均较差。②文件大小与冗余数据：新方法对道路、河流中线等冗余数据进行了处理，冗余数据少，文件相对较小；传统方法冗余相对较多，文件较大。③数据完整性与数据规则性：新方法对隐含属性进行了针对性的暴露与转换处理，对同类同表达的要素进行了归类处理，其数据完整且具有规则性，便于自动批量化表达处理。传统方法属性要素存在丢失情况，数据规则性不强，人工处理工作量较大。

(2)利用基于ObjectArx接口开发的自动批量转换处理程序，对FME语义转换后初步成果进行数据自动批量处理。其中，线型与填充自动批量处理程序应用效果如图5。