基于NetTopologySuite在AutoCAD中實現(xiàn)拓?fù)涠噙呅蔚臉?gòu)建

王光昇 ，周奎

(天津市測繪院，天津 300381)

1 引 言

AutoCAD 軟件是國內(nèi)地形圖數(shù)據(jù)采集加工的主流軟件，它為開發(fā)人員提供了豐富的開發(fā)接口，便于我們定制開發(fā)滿足專業(yè)應(yīng)用需求的應(yīng)用程序。為了滿足國家新版地形圖圖式、數(shù)據(jù)字典的要求，天津市測繪院開發(fā)了基于AutoCAD Map3D 的地形圖采集編輯軟件，該軟件實現(xiàn)了局部拓?fù)錁?gòu)面功能，即通過已有的邊界自動生成多邊形。最初，我們通過Map3D 的Clean、Topology 等功能來實現(xiàn)，但經(jīng)過應(yīng)用測試，發(fā)現(xiàn)這種方法存在弊端，首先，Clean 操作會生產(chǎn)中間數(shù)據(jù)，對于最終結(jié)果而言，這些數(shù)據(jù)是沒有用的;其次，Map3D 的Clean、Topology 功能沒有完全釋放選擇集，在同一繪圖環(huán)境下多次應(yīng)用會產(chǎn)生“超出選擇集數(shù)量的最大范圍”的問題，而采集軟件中的拓?fù)錁?gòu)面功能應(yīng)該是能夠與用戶交互的反復(fù)調(diào)用的工具，所以這種構(gòu)建多邊形的方法是不可取的。本文闡述了在AutoCAD 中引入符合OpenGIS 標(biāo)準(zhǔn)的GIS 分析、操作類庫NetTopology-Suite，通過GIS 解決方案對AutoCAD 中的線狀對象進(jìn)行空間分析，生成拓?fù)涠噙呅?。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:采用完全的幾何運(yùn)算，不產(chǎn)生中間數(shù)據(jù)，速度快;不依賴于Map3D 軟件，降低了對CAD 軟件平臺的要求。

2 NetTopologySuite 簡介

NetTopologySuite(以下簡稱NTS)是著名的JTS Topology Suite 的C#/．NET 版本，NTS 項目的目的是提供一個基于．NET，快速、穩(wěn)定的GIS 解決方案，以應(yīng)用于所有．NET 平臺，包括各類嵌入式設(shè)備。

JTS Topology Suite 是一個OpenGIS 標(biāo)準(zhǔn)的GIS 分析、操作類庫，它實現(xiàn)了OGC(Open Geospatial Consortium)定義在SFS(Simple Features Specification)中的簡單對象模型，提供了完整的二元比較集合，支持的空間關(guān)系包括:equals、disjoint、touches、crosses、within、contains、overlaps;JTS 支持基本的空間分析方法，包括:Intersection、Union、Difference、Symmetric Difference、Convex hull、Buffer。同時，JTS API 支持用戶自定義精度模型。

3 程序流程

程序?qū)崿F(xiàn)的基本流程如圖1所示。

圖1 程序基本流程

3.1 輸入數(shù)據(jù)

用戶輸入的數(shù)據(jù)主要包括3 項:線狀邊界、精度模型比例尺、多邊形內(nèi)一點(diǎn)。

3.2 建立精度模型

NTS 允許用戶指定一個明確的精度模型，即輸入坐標(biāo)值精確的位數(shù)。實現(xiàn)方法如下:

PrecisionModel _precisionModel;

GeometryFactory _geometryFactory;

_precisionModel．Scale=in_scale;

_geometryFactory = new GeometryFactory(_precisionModel，0);

在后續(xù)的步驟中，用_geometryFactory 的CreateLineString 方法建立的LineString 對象都受到精度模型_precisionModel 的約束，如:

ILineString lstr=_geometryFactory．CreateLineString(

cl．ToCoordinateArray());

3.3 分析、處理、存儲邊界數(shù)據(jù)

分如下幾步:

第一，用AutoCAD 的幾何類型存儲每條邊界線的每一段。如果是直線段(Line)，用LineSegment2d 類型存儲，如果是弧段，用CircularArc2d 存儲，如果是多段線(Polyline)，由于它是由多個直線段(或弧段)組成的，所以可以將其存儲為LineSegment2d 與CircularArc2d 的集合。使用幾何類型存儲后，后續(xù)的坐標(biāo)信息讀取、幾何運(yùn)算就不用再讀取CAD 對象了，可以有效地提高運(yùn)算速度。

第二，建立LineString 集合。將直線段直接創(chuàng)建LineString 對象并存入集合中;對于弧段，首先計算與其他所有線段的交點(diǎn)，然后對交點(diǎn)排序，再分割弧段為子弧段，最后，對子弧段進(jìn)行加密、創(chuàng)建LineString 對象存入集合。

分割弧段時，首先要對弧上所有分割點(diǎn)按照相對起始點(diǎn)的參數(shù)(或距離)進(jìn)行排序，如圖2所示:

圖2 分割圓弧

排序方法為:

其中，MyCompare 是自定義的比較器:

然后取得相鄰兩個分割點(diǎn)之間子弧段，方法如下:

分割子弧段后，還需要按4．2 所述的方法加密子弧段。

3.4 打斷交叉對象

通過上面的分析處理，我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了用于拓?fù)浞治龅脑牧?，即LineString 集合，在生成多邊形之前，需要進(jìn)行圖形規(guī)范化，其中最主要的是打斷交叉對象，如圖3所示:

圖3 打斷交叉對象

實現(xiàn)方法如下:

3.5 生成多邊形

NTS 提供了Polygonizer 類，可以對規(guī)范化之后的LineString 集合進(jìn)行處理，獲取多邊形，方法為:

Polygonizer polygonizer=new Polygonizer();

polygonizer．Add(nodedLineStrings);

IList ＜IGeometry ＞polys=polygonizer．GetPolygons()as IList ＜IGeometry ＞;

遍歷所有多邊形，包含用戶輸入的區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)的多邊形即為目標(biāo)多邊形。

3.6 將加密點(diǎn)解析成圓弧

上述目標(biāo)多邊形點(diǎn)表中如果包含子弧段加密點(diǎn)，那么我們必須對加密弧段信息進(jìn)行解析，復(fù)原弧段信息，才能得到最終的結(jié)果，詳見4.2。

3.7 輸出結(jié)果多邊形

程序整個過程，僅僅在用戶輸入邊界數(shù)據(jù)之后，我們讀取了一次AutoCAD 線狀邊界數(shù)據(jù)，并保存到幾何類型中，之后所有的運(yùn)算都是通過幾何運(yùn)算來實現(xiàn)的，最大限度地減少了對AutoCAD 對象的直接操作。這樣既提高了運(yùn)算速度，又增強(qiáng)了程序的穩(wěn)定性。

基于此設(shè)計思想，在輸出結(jié)果多邊形時，我們并不直接創(chuàng)建具體的AutoCAD 閉合多段線，而是通過ResultBuffer 類型返回多邊形點(diǎn)表及凸度信息，然后由調(diào)用函數(shù)完成具體對象的創(chuàng)建。

4 關(guān)鍵問題處理

通過NTS 在AutoCAD 實現(xiàn)拓?fù)涠噙呅蔚臉?gòu)建，需要解決兩個關(guān)鍵的問題:

4.1 精度模型

剛開始研究本課題的時候，沒有用到精度模型，很快就遇到了一些奇怪的問題:在CAD 中明明是能夠形成閉合的邊界，但在NTS 中卻得不到多邊形。如圖4所示，a、b、c 是由不同的邊界圍成的閉合區(qū)域，用NTS構(gòu)面時，可能只能得到a、b 兩個多邊形。

圖4 NTS 構(gòu)面

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，NTS 在處理坐標(biāo)精度時，默認(rèn)情況下使用精密精確度模型，即用雙精度表示，自從Java使用IEEE－754 浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)以來，它就提供了53 位的精確度。過高的精度設(shè)置使得NTS 在比較兩個雙精度浮點(diǎn)數(shù)是否相等時過于嚴(yán)格，導(dǎo)致我們無法得到期望的結(jié)果。圖4中區(qū)域c 中邊l1的終點(diǎn)和邊l2的起點(diǎn)由于精度要求過高，使得NTS 認(rèn)為它們并不重合，所以無法構(gòu)建多邊形。

為了解決這一問題，我們先后測試了兩種方法:

第一種，在AutoCAD 中，先將所選的線狀邊界對象放大一定的比例(相當(dāng)于精度模型中的比例尺)，分析處理以后，再恢復(fù)對象比例。這種方法雖然解決了精度問題，但是需要修改CAD 對象，并不是最理想的方案。

第二種，NTS 中精度模型的設(shè)計很好地解決了這一難題。精度模型包括三種類型:固定精度、浮點(diǎn)精度、精密精確度。這里使用固定精度模型，替代了前一種方法，程序編寫起來更簡單、結(jié)構(gòu)更清晰、代碼更易于維護(hù)。

4.2 圓弧處理

如圖5所示，只有分割圓弧后再進(jìn)行圓弧加密，最終生成的多邊形才能解析出弧段信息。圓弧的分割點(diǎn)1、2 是多邊形的特征點(diǎn)，是解析子弧段信息的重要依據(jù)，是不能遺失的。而在(a)中只是粗略地對整個圓弧進(jìn)行加密，遺失了特征點(diǎn)，所以不能再解析子弧段了;(b)中先對整個圓弧進(jìn)行分割，然后對每個子弧段進(jìn)行加密，生成的多邊形中不僅包含了特征點(diǎn)，而且包含了完整的子弧段加密信息，所以能夠解析出子弧段的信息。

圖5 圓弧分割、加密與解析

圓弧的分割方法3.3 中已經(jīng)提到，子弧段加密的方法如下:

Point2d［］pts=sub_arc．GetSamplePoints(20);

即對所有圓弧的采樣點(diǎn)取固定的數(shù)值，這里取值20。采樣點(diǎn)僅僅是為處理圓弧而使用的臨時點(diǎn)，所以選取數(shù)量可以自己設(shè)定，但要前后統(tǒng)一，考慮到效率問題，也不宜選取太多的點(diǎn)。

解析子弧段的方法:

遍歷所有子弧段，每個子弧段取采樣點(diǎn)20 個，將采樣點(diǎn)集合與多邊形上的點(diǎn)進(jìn)行比較，如果都落在多邊形上，則該子弧段的圓弧信息就應(yīng)該映射到多邊形上，作如下處理:保留多邊形上與采樣點(diǎn)集合中首尾點(diǎn)重合的點(diǎn)，移除與中間的點(diǎn)重合的點(diǎn)，然后計算凸度值，即可恢復(fù)子弧段信息。如圖5中(b)、(c)所示。

計算3 點(diǎn)圓弧凸度的方法為:

// s_pt 是起點(diǎn)，e_pt 是終點(diǎn)，i_pt 是弧上一點(diǎn)

private static double GetBulgeBy3Pt(Point2d s_pt，Point2d e_pt，Point2d i_pt)

{

//i_pt 到e_pt 的角度

double angle1 =i_pt．GetVectorTo(e_pt)．Angle;

//s_pt 到i_pt 的角度

double angle2 =s_pt．GetVectorTo(i_pt)．Angle;

double bulge=Math．Tan((angle1 － angle2)/ 2．0);

return bulge;

}

5 應(yīng)用測試

如圖6所示，拓?fù)涞玫降亩噙呅螢橐粋€帶有內(nèi)環(huán)的多邊形，經(jīng)過圓弧處理，所有的弧段信息都正確地解析出來了。在NTS 中，讀取Polygon 對象的坐標(biāo)時，用ExteriorRing 屬性獲得外環(huán)坐標(biāo)，用InteriorRings 獲得所有內(nèi)環(huán)信息，如:

圖6 環(huán)狀拓?fù)涠噙呅?/p>

Coordinate［］pts1 =poly．ExteriorRing．Coordinates;

foreach (LineString ls in poly．InteriorRings){

Coordinate［］pts2 =ls．Coordinates;

}

6 結(jié) 語

目前，很多開源的GIS 軟件都將NTS 作為其空間幾何對象運(yùn)算、處理的插件。本文討論了如何在AutoCAD 中引入NTS GIS 分析、操作類庫，實現(xiàn)拓?fù)涠噙呅蔚臉?gòu)建。其中，對精度模型的建立和圓弧信息的處理兩個關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入的論述，并提出了解決方案。

總之，NTS 的很多功能都可以移植到CAD 平臺，為CAD 的數(shù)據(jù)處理提供更豐富的空間分析手段，具有很強(qiáng)的實用價值。

［1］JTS Topology Suite Developer’s Guide［R］．2003，9 ～12．

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［4］Charles McAuley．AutoCAD 2000 ObjectARX 編 程 指 南［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［5］李冠億．深居淺出AutoCAD 二次開發(fā)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．

［6］王文波，鄒清源，張斯珩等．AutoCAD 2010 二次開發(fā)實例教程(ObjectARX)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013．