張新長，高金頂，何顯錦

（1.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；2. 廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點實驗室，廣東 廣州 510275）

地形圖數(shù)據(jù)規(guī)整及變化要素自適應(yīng)更新方法

張新長1,2，高金頂1，何顯錦1

（1.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；2. 廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點實驗室，廣東 廣州 510275）

地形圖數(shù)據(jù)作為一種重要的空間數(shù)據(jù)，其更新一般包括數(shù)據(jù)規(guī)整和更新入庫2個過程。提出了一套地形圖數(shù)據(jù)規(guī)整及自適應(yīng)更新方法。該方法在AutoCAD 環(huán)境下對地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整，包括地物編碼、拓?fù)錂z查編輯、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等；在數(shù)據(jù)規(guī)整的基礎(chǔ)上，進(jìn)行要素的變化檢測，提取出變化的要素，再對變化要素進(jìn)行更新入庫。實驗表明，該方法能系統(tǒng)、高效地實現(xiàn)地形圖數(shù)據(jù)的更新。

地形圖；數(shù)據(jù)規(guī)整；變化檢測；增量更新

空間數(shù)據(jù)更新是維護(hù)空間數(shù)據(jù)庫現(xiàn)勢性的主要手段[1]，是當(dāng)前GIS的前沿研究課題。目前，我國大多數(shù)城市的地形圖測量數(shù)據(jù)以AutoCAD格式存儲，而在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)存儲、空間分析等方面CAD格式數(shù)據(jù)相對于GIS數(shù)據(jù)存在很大的不足。為充分利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源，一般是將已有的AutoCAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)[2]。目前，對AutoCAD數(shù)據(jù)向GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的研究較多[3,4]，但由于AutoCAD數(shù)據(jù)在生產(chǎn)方式和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面存在較大差異，造成數(shù)據(jù)本身存在不規(guī)范性，使得這些方法的轉(zhuǎn)換結(jié)果并不理想[5]。本文主要研究將AutoCAD數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范整理并無損轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)的方法。

空間數(shù)據(jù)規(guī)整后，如何將這些數(shù)據(jù)快速更新到現(xiàn)勢數(shù)據(jù)庫，以維持?jǐn)?shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性，是一個關(guān)鍵的技術(shù)問題。目前，常用的地形圖數(shù)據(jù)更新方法有2種：基于范圍的更新方法和基于要素的更新方法[6]?；诜秶母率菍⑴f數(shù)據(jù)按相應(yīng)的范圍挖空后填入新數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行要素接邊操作[7,8]；基于要素的更新是對新舊數(shù)據(jù)進(jìn)行變化檢測，只針對變化的要素進(jìn)行更新[9-11]?；诜秶母路椒ㄐ枰^多的接邊操作，在接邊過程中會出現(xiàn)接邊錯位現(xiàn)象[12]，并且整體替換加大了數(shù)據(jù)的存儲量，降低了數(shù)據(jù)的更新效率，因此，本文采用基于要素的更新方法。

1 地形圖數(shù)據(jù)規(guī)整及自適應(yīng)更新方法

1.1 地形圖數(shù)據(jù)規(guī)整關(guān)鍵技術(shù)流程

地形圖數(shù)據(jù)規(guī)整一般包括2個階段：將初始地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理； CAD 數(shù)據(jù)與 GIS 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[13]，本文提出了篩選特定的圖層并進(jìn)行批量轉(zhuǎn)換的方法。

1.1.1 地形圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

只有符合技術(shù)規(guī)程及相關(guān)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)才能正確進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此首先對地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化整理。AutoCAD 地形圖標(biāo)準(zhǔn)化步驟主要包括地物編碼賦值、編碼檢查、拓?fù)錂z查與編輯、屬性編輯等，具體標(biāo)準(zhǔn)化流程如圖1 所示。

圖1 地形圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化流程圖

地形圖要素編碼即給圖形賦予唯一的編碼值[14]，編碼是標(biāo)準(zhǔn)化的核心，賦值過程中若僅使用目視方法進(jìn)行逐要素判斷需要花費較長時間。通過對實測地形圖的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，不少數(shù)字地形圖由 CASS 軟件編輯而成，且一般存儲了 CASS 編碼和編碼意義。本文提出了批量轉(zhuǎn)換編碼的方法，可快速將CASS編碼轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的要素編碼，加快了轉(zhuǎn)換速度。

在編碼完成后可以對要素的拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行相應(yīng)的檢查與修正，主要檢查常見的拓?fù)溴e誤，包括圖形的自相交、圖形的懸掛點、圖形的重疊等。本文提供了面要素的自動閉合、重疊要素的刪除等處理方法來解決相應(yīng)的拓?fù)溴e誤。

最后對要素進(jìn)行相應(yīng)的屬性編輯與賦值，采用圖形的擴(kuò)展字典方法，將名稱和對應(yīng)的值分別以成對的方式存儲在字典的Name屬性和Data值中，這樣既可快速進(jìn)行存儲和調(diào)用，又增加了屬性值的可讀性。

1.1.2 地形圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在完成 AutoCAD 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化之后，要進(jìn)行AutoCAD 數(shù)據(jù)與 GIS 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，以建立GIS 空間數(shù)據(jù)庫，主要包括圖形轉(zhuǎn)換和屬性轉(zhuǎn)換。在分析了2種數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用直接轉(zhuǎn)換的方式，將AutoCAD地形圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ArcGIS格式的標(biāo)準(zhǔn)GIS空間數(shù)據(jù)，具體步驟包括：

1）建立圖層間的映射關(guān)系，建立各個專題的點、線、面、注記等圖層，并依據(jù)入庫標(biāo)準(zhǔn)添加相應(yīng)的屬性字段。

2）實現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)間的圖形轉(zhuǎn)換。圖形轉(zhuǎn)換是轉(zhuǎn)換流程中最容易產(chǎn)生要素丟失的環(huán)節(jié)，這里提取相應(yīng)的坐標(biāo)，并對坐標(biāo)進(jìn)行組合，組合成相應(yīng)的要素類型。常見的CAD實體圖形包括點、直線、圓、弧線、樣條曲線、多線段和文字[15]。針對以上各種類型，設(shè)置相應(yīng)的提取方法。直線僅提取起點和終點；圓實體提取圓心的位置和半徑；而弧線不僅需要提取圓心和半徑，還需要提取對應(yīng)的圓心角；樣條曲線提取起點和終點，并根據(jù)該曲線的復(fù)雜度選擇中間控制點的數(shù)量；多線段將其進(jìn)行拆分成相應(yīng)的簡單直線和圓弧后再進(jìn)行提取操作；為了實現(xiàn)文字的朝向和大小，需提取其旋轉(zhuǎn)角度和字體高度。采用以上提取方式后，根據(jù)相應(yīng)的還原方式，連接成對應(yīng)的要素。

3）在圖形轉(zhuǎn)換后，要進(jìn)行相應(yīng)的屬性轉(zhuǎn)換和賦值，這里就從圖形的擴(kuò)展字典中讀取并存儲到對應(yīng)圖層的相應(yīng)屬性字段中。

1.2 基于要素的更新方法

1.2.1 總體思路

基于要素的更新方法主要包括2個階段：第一階段是變化信息檢測，即通過新舊數(shù)據(jù)的對比，檢測出變化的要素，將變化的要素存放在臨時庫中；第二階段是更新數(shù)據(jù)的入庫，即根據(jù)臨時庫中變化要素的類型（新增或刪除），對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的更新操作?？傮w更新流程如圖2所示。

1.2.2 變化信息檢測

變化信息檢測是基于要素更新的關(guān)鍵步驟，其目的是為了發(fā)現(xiàn)變化的要素信息[16]。目前的變化檢測研究大都是利用新舊數(shù)據(jù)間的匹配處理，檢測空間對象的變化信息[17]，匹配處理采用雙向匹配方法，以獲取所有的變化類型。

傳統(tǒng)方法需逐一比較來進(jìn)行判讀，需要較多的空間和屬性對比，為了快速找到對應(yīng)的要素進(jìn)行對比，本文采用了格網(wǎng)搜索定位的方法[16]。該方法可以快速實現(xiàn)定位，具體如下：

圖2 基于要素的更新流程圖

1）分別對新舊數(shù)據(jù)增加特征點坐標(biāo)屬性字段（Center_X、Center_Y）以及屬性匯總字段（TotalStr）。

2）遍歷要素進(jìn)行新增字段的計算，這里的特征點坐標(biāo)代表要素所在的位置，點要素直接取其坐標(biāo)，線要素取其中點，面要素取其質(zhì)心。屬性匯總信息是將屬性字段的字段值進(jìn)行拼接，每個字段值之間用特殊符號分割，如式（1）。

3）將檢測范圍（Xmin，Ymin，Xmax，Ymax）劃分為m×n個格網(wǎng)，根據(jù)需要格網(wǎng)的寬（Gwidth）和高（Ghight）可以自己設(shè)定，劃分公式為：

4）對新舊數(shù)據(jù)按特征點坐標(biāo)進(jìn)行排序，并按特征點坐標(biāo)將要素匹配到相應(yīng)的格網(wǎng)。格網(wǎng)編號與特征點坐標(biāo)匹配方法按式（3）計算，其中INT（）為向下取整。將格網(wǎng)內(nèi)要素的特征點坐標(biāo)、幾何信息、屬性匯總信息，按照排序結(jié)果依次累加到相應(yīng)的網(wǎng)格中，如式（4）。線要素和面要素的幾何信息為要素的弧段長度，點要素不需累加幾何信息。

式中，gridcenx（）、gridceny（）分別表示網(wǎng)格中要素特征點X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)的和； gridlen（）表示網(wǎng)格中要素的弧段長度和；gridstr（）表示網(wǎng)格中要素屬性值字符串拼接；gridcount（）為行號網(wǎng)格中要素個數(shù)；k為格網(wǎng)中要素的數(shù)量。

5）對新舊數(shù)據(jù)中編號相同網(wǎng)格的特征點X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、弧段長度、屬性值拼接字符串進(jìn)行對比。

按式（5）計算網(wǎng)格中幾何特征的變化率。

式中，changecenx（）為格網(wǎng)中要素特征點X坐標(biāo)和的變化率；changeceny（）為格網(wǎng)中要素特征點Y坐標(biāo)和的變化率；changelen（）為格網(wǎng)中弧段長度的變化率；N（）與O（）分別代表新舊數(shù)據(jù)。當(dāng)新舊數(shù)據(jù)中對應(yīng)網(wǎng)格中以上3個指標(biāo)發(fā)生變化時，說明該網(wǎng)格中的要素存在變化，需對網(wǎng)格內(nèi)的要素進(jìn)行逐一變化檢測。

1.2.3 變化數(shù)據(jù)檢測入庫

在找到對應(yīng)要素后，以新舊要素的緩沖區(qū)重疊度（Index）來判斷要素是否變化。

式中，Ai為新數(shù)據(jù)中的要素；Bi為舊數(shù)據(jù)中與該要素相對應(yīng)的舊要素；Buffer（Ai）表示新要素Ai生成的緩沖區(qū)；Buffer（Bi）表示舊要素Bi生成的緩沖區(qū)；Area[Buffer（Ai）∩Buffer（Bi）]表示Ai與Bi相交的幾何面積；Area[Buffer（Ai）∪ Buffer（Bi）]表示Ai與Bi相并的幾何面積。在理想情況下，如果新數(shù)據(jù)中的要素和舊數(shù)據(jù)中相比沒有發(fā)生變化，Index等于1，其他情況下即發(fā)生了變化。但由于數(shù)據(jù)精度等原因，這里一般設(shè)定閾值Q，在閾值外數(shù)據(jù)即為變化要素。在變化檢測完成后，即可將變化要素入庫。這里將變化要素分為新增要素和刪除要素，根據(jù)相應(yīng)的ID值進(jìn)行插入和刪除操作，同時將刪除要素插入到對應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)庫中，方便進(jìn)行歷史回溯查看。

2 實驗與分析

為了驗證提出的數(shù)據(jù)規(guī)整和增量更新方法，本文在Windows環(huán)境下，以CAD和Visual Studio 2010為開發(fā)工具，集成ArcGIS Engine開發(fā)包研制了數(shù)據(jù)規(guī)整與更新原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)規(guī)整到基于要素的地形圖數(shù)據(jù)更新入庫的流程，以1∶2 000地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗。

首先對CAD格式的地形圖數(shù)據(jù)（如圖3所示）進(jìn)行編碼、拓?fù)錂z查處理操作，將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖4。對比轉(zhuǎn)換后的結(jié)果數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無缺失，證明該數(shù)據(jù)規(guī)整程序具有可行性。

圖3 規(guī)整轉(zhuǎn)換前CAD數(shù)據(jù)

圖4 規(guī)整轉(zhuǎn)換后GIS數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)規(guī)整后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新操作。圖5為更新前數(shù)據(jù)，通過對新舊數(shù)據(jù)進(jìn)行變化檢測，發(fā)現(xiàn)新數(shù)據(jù)中的居民地面要素發(fā)生了變化（如圖6所示），圖中對變化要素以粉紅色進(jìn)行標(biāo)注，可以準(zhǔn)確檢測出細(xì)小的變化，并進(jìn)行相應(yīng)替換。

圖5 更新前GIS數(shù)據(jù)

圖6 更新后GIS數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以快速、無損地將地形圖CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)，且滿足數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。在基于要素的更新過程中，本文提出的自適應(yīng)更新方法可高效準(zhǔn)確地完成測量數(shù)據(jù)的更新操作。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合修補(bǔ)測地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)規(guī)整和增量更新的實踐，設(shè)計了CAD數(shù)據(jù)規(guī)整的技術(shù)流程，實現(xiàn)了CAD數(shù)據(jù)向GIS數(shù)據(jù)的無損轉(zhuǎn)換；提出了基于快速定位的變化檢測方法，實現(xiàn)變化數(shù)據(jù)的快速更新入庫，保證了地形圖數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性。實驗結(jié)果表明，提出的地形圖數(shù)據(jù)規(guī)整及自適應(yīng)更新方法能系統(tǒng)、高效地實現(xiàn)地形圖數(shù)據(jù)的更新。

本文提出的技術(shù)路線具有較好的應(yīng)用效果，但由于CAD數(shù)據(jù)圖形賦值，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時仍要進(jìn)行多次檢查編輯操作，且有些不常見拓?fù)溴e誤需要人工篩選編輯。鑒于此，一些新的拓?fù)湫拚椒ê唾|(zhì)量控制研究將是下一步的工作任務(wù)。同時基于要素的更新方法在檢測到對應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)有變化要素存在時，仍要對網(wǎng)格中要素進(jìn)行逐要素對比查看，在變化要素較多時更新效率會下降，因此快速定位變化要素的方法仍需進(jìn)一步研究。

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1672-4623（2016）03-0001-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.001

張新長，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為數(shù)字城市理論與方法。

2015-12-09。

項目來源：國家自然科學(xué)基金重點項目資助項目（41431178）；高等學(xué)校博士點專項科研基金資助項目（20120171110030）。