基于語(yǔ)義映射的CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法的探討

歐立業(yè) 劉文軍

（江西省測(cè)繪應(yīng)急保障服務(wù)中心江西南昌 330046）

基于語(yǔ)義映射的CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法的探討

歐立業(yè) 劉文軍

（江西省測(cè)繪應(yīng)急保障服務(wù)中心江西南昌 330046）

大比例尺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)是“數(shù)字城市”地理空間框架項(xiàng)目中重要的建設(shè)內(nèi)容，本文以數(shù)字撫州為例，分析1∶500CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)之間存在的差異和內(nèi)在聯(lián)系，嘗試將語(yǔ)義映射和空間操作結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)出CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)之間的快速轉(zhuǎn)換，并取得了良好的效果。

數(shù)字城市；語(yǔ)義；映射；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

0 引言

隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各個(gè)部門對(duì)數(shù)據(jù)的需求越來(lái)越多。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，常常會(huì)因?yàn)榻?jīng)費(fèi)、技術(shù)或外部環(huán)境等因素的影響，而采用不同的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，來(lái)滿足本部門內(nèi)部的需要。隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的異構(gòu)格式的數(shù)據(jù)也隨之產(chǎn)生。當(dāng)不同的業(yè)務(wù)部門需要應(yīng)用這些數(shù)據(jù)的時(shí)，由于數(shù)據(jù)的格式差異和宿主軟件的不同，造成利用這些數(shù)據(jù)的困難。為此，不同格式數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換，已成為國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)［1-4］。筆者通過(guò)分析和總結(jié)已有的研究成果，得出以下幾點(diǎn)的不足：一是數(shù)據(jù)由一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式的過(guò)程中，會(huì)造成數(shù)據(jù)屬性信息和拓?fù)潢P(guān)系的丟失。由于CAD格式數(shù)據(jù)主要是側(cè)重圖形的表現(xiàn)形式，用顏色、線型、線寬、符號(hào)等來(lái)表達(dá)空間對(duì)象，但是在空間對(duì)象和屬性數(shù)據(jù)之間的拓?fù)潢P(guān)系方面則沒有詳述；與此相反，GIS格式數(shù)據(jù)對(duì)空間對(duì)象的拓?fù)潢P(guān)系有嚴(yán)格的要求，但是在空間對(duì)象實(shí)體的圖形表達(dá)方面較欠缺。因此，CAD格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)丟失顏色、線型等信息；GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD格式數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系和屬性數(shù)據(jù)的損失的現(xiàn)象。二是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程比較復(fù)雜，一般情況下需要把數(shù)據(jù)文件輸出公開的交換格式數(shù)據(jù)，然后再將公開交換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目的格式數(shù)據(jù)。這種方式在數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)更新較快的時(shí)候，就很難保證不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的一致性。本文從CAD數(shù)據(jù)向GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存在的問題出發(fā)，利用語(yǔ)義映射的思想，將其與空間操作相結(jié)合，設(shè)計(jì)了CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)之間的快速轉(zhuǎn)換。

1 語(yǔ)義映射

按數(shù)學(xué)的概念，映射可以這樣定義，即為集合間的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，一個(gè)集合中的各元素與自己本身或另一個(gè)集合中的元素存在的一種對(duì)應(yīng)規(guī)則。語(yǔ)義是信息的內(nèi)在涵義，其意義與相關(guān)上下文環(huán)境有很大的關(guān)系。然而映射問題是以源數(shù)據(jù)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其觀察，目的是尋找到滿足目標(biāo)類定義要求的某固定的屬性值，因此語(yǔ)義映射被定義為：在目標(biāo)域內(nèi)對(duì)一組源類的重新分類［5］。用M表示目標(biāo)類集，M= {M1，M2，…，Mn}；N1表示源類可直接觀察的屬性；N2表示由源類的語(yǔ)義上下文推出的源類屬性；R表示分類規(guī)則；W表示類之間的映射關(guān)系，那么映射問題就可以表示為：為源類Ms在目標(biāo)域內(nèi)找到m∈M，使得N1∧N2∧R=＞W(wǎng)(Ms，Mi)。以及解釋為給定了源類結(jié)構(gòu)，在目標(biāo)類結(jié)構(gòu)的前提下對(duì)其進(jìn)行分類映射，該映射過(guò)程是由源類結(jié)構(gòu)和目標(biāo)類結(jié)構(gòu)雙方的語(yǔ)義特征決定的，源類提供了對(duì)類的觀察，目標(biāo)類提供了類和分類規(guī)則，就可以基于源語(yǔ)義環(huán)境條件來(lái)尋找滿足要求的目標(biāo)，最終映射到目標(biāo)語(yǔ)義環(huán)境，如圖1所示。

圖1 語(yǔ)義映射概念圖

2 基于語(yǔ)義映射的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型主要有三個(gè)特點(diǎn)［6］：一是支持簡(jiǎn)單地圖圖元；二是屬性數(shù)據(jù)單獨(dú)處理；三是輸入數(shù)據(jù)決定輸出數(shù)據(jù)。與之相對(duì)，基于語(yǔ)義映射的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，更加注重語(yǔ)義層次上的數(shù)據(jù)共享，該轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的重新構(gòu)造，這樣用戶就能能夠根據(jù)自己內(nèi)部特定的需要，尋找并獲得不同層面上的相同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)，最終提供給用戶使用。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型相對(duì)比，基于語(yǔ)義映射的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)在于：定義了源類數(shù)據(jù)集到目標(biāo)類數(shù)據(jù)集之間的相互映射關(guān)系；允許對(duì)數(shù)據(jù)的重新構(gòu)造定義；使用了要素操作語(yǔ)言以及提供了查找復(fù)雜計(jì)算的函數(shù)。

語(yǔ)義映射就好比一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的引擎，要借助要素操作語(yǔ)言，重新定義輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。在實(shí)際的映射過(guò)程中，有很多不同的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，為此，該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型提供了一系列的數(shù)據(jù)模型之間定義和轉(zhuǎn)換的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于使得數(shù)據(jù)輸入端和數(shù)據(jù)輸出端能夠自由的轉(zhuǎn)換，同時(shí)可以使用各自的獨(dú)立系統(tǒng)和數(shù)據(jù)格式［7］。因此，用戶或開發(fā)人員只需要知道輸入數(shù)據(jù)的描述和輸出數(shù)據(jù)的要求，就能夠順利完成轉(zhuǎn)換，這種操作既方便快速，又能最大程度保證轉(zhuǎn)換過(guò)程中數(shù)據(jù)質(zhì)量的完整性。

3 CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)映射關(guān)系的設(shè)計(jì)

在構(gòu)建CAD數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)映射關(guān)系之前，必須制定統(tǒng)一的空間信息分類與編碼方案、CAD數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。本文以江西省撫州市1: 500CAD基礎(chǔ)地形圖到GIS數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換為例，介紹基于語(yǔ)義映射的CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程和方法。

3.1 CAD數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

CAD地形圖數(shù)據(jù)的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，一般包括分層設(shè)色標(biāo)準(zhǔn)、要素符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、要素編碼標(biāo)準(zhǔn)、要素?cái)U(kuò)展屬性項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)等。分層設(shè)色標(biāo)準(zhǔn)參照《1:500、1:1000、1: 2000地形圖圖式》［8］執(zhí)行，將地形圖中的地物要素按照?qǐng)D式的規(guī)定分為9大類，例如測(cè)量控制點(diǎn)（層名為KZD，顏色為red）；居民地（層名為JMD，顏色為magenta）。要素符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)參照《1:500、1:1000、1:2000地形圖圖式》執(zhí)行，分為點(diǎn)、線和文字注記三類符號(hào)，例如三角點(diǎn)（代碼為131100，塊名為gc113）；時(shí)令河（線型為X0）；控制點(diǎn)點(diǎn)名注記（文字高度為2.4mm，字體為HZ）。要素編碼標(biāo)準(zhǔn)參照《1:500、1:1000、1: 2000地形圖要素分類與代碼》［9］執(zhí)行，采用6位數(shù)字編碼表示，前四位表示要素代碼，第五位表示擴(kuò)展碼，最后一位表示類型碼。根據(jù)CAD的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展屬性（XDATA）主要存儲(chǔ)要素代碼和屬性信息。例如交通及附屬設(shè)施要素集中的公路要素類的擴(kuò)展屬性為要素代碼、名稱、材料和等級(jí)；地貌土質(zhì)要素集中的等高線要素類的擴(kuò)展屬性為要素代碼和高程。

3.2 GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中面臨的關(guān)鍵問題是GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)制定的完善與否，直接關(guān)系到了目標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的不同，從而影響到轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞。GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參照《l:500、l:1000、l: 2000地形圖圖式》執(zhí)行，設(shè)定了測(cè)量控制點(diǎn)、居民地及其附屬設(shè)施等9個(gè)要素集，每個(gè)要素集又根據(jù)其中要素的幾何分類的不同，細(xì)分為若干個(gè)要素類，同時(shí)確保每個(gè)要素類的名稱和CAD圖層都能夠一一對(duì)應(yīng)。例如植被要素集（ZB_500）分為三個(gè)要素類：植被點(diǎn)（ZB_500_P）、植被線（ZB_500_L）、植被面（ZB_500_A）、植被注記（ZB_500_T）。

3.3 CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)映射關(guān)系

（1）點(diǎn)要素實(shí)體映射關(guān)系。在CAD格式的基礎(chǔ)地形圖中，點(diǎn)狀地物分為單點(diǎn)對(duì)象（POINT）和塊對(duì)象（BLOCK），可以將這類點(diǎn)要素直接映射為GIS數(shù)據(jù)集中的點(diǎn)層要素。當(dāng)為有向點(diǎn)的時(shí)候，例如河流流向、高壓線符號(hào)線等，其符號(hào)的旋轉(zhuǎn)角度表示該點(diǎn)的方向，轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)將旋轉(zhuǎn)角度映射到相對(duì)應(yīng)的屬性表中。同時(shí)將擴(kuò)展屬性（XDATA）存儲(chǔ)的點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)映射到GIS屬性表中的相應(yīng)字段。

（2）線要素實(shí)體映射關(guān)系。線狀地物分為直線（LINE）和多段線（POLYLINE）。直線（如陡坎、籬笆和圍墻等）直接映射為GIS數(shù)據(jù)集中的線層要素；多段線（如房屋、河流、池塘等）則映射為GIS數(shù)據(jù)集中的面層要素。同時(shí)將擴(kuò)展屬性（XDATA）存儲(chǔ)的線屬性數(shù)據(jù)映射到GIS屬性表中的相應(yīng)字段。

（3）文本注記映射關(guān)系。注記分為單文本（TEXT）和多行文本（MTEXT），可以直接將注記映射為GIS數(shù)據(jù)集中的注記層要素。

（4）地圖符號(hào)映射關(guān)系。由于CAD數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)所使用的地圖符號(hào)不同，即應(yīng)用的線型和符號(hào)類型不同，可以利用之前設(shè)計(jì)好的要素編碼標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)之間地圖要素符號(hào)的的映射，保證了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后的一致性。

（5）其他映射關(guān)系。在CAD格式的基礎(chǔ)地形圖中，對(duì)地物的拓?fù)潢P(guān)系方面沒有嚴(yán)格的要求，為此，本文對(duì)拓?fù)潢P(guān)系的映射關(guān)系不予考慮，至于拓?fù)潢P(guān)系的確定，要在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，在GIS軟件平臺(tái)下進(jìn)行。另外，CAD數(shù)據(jù)采用的是笛卡爾直角坐標(biāo)系統(tǒng)，并不是地理坐標(biāo)系統(tǒng)，因此也無(wú)法確定映射關(guān)系，這個(gè)問題也可以在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新投影來(lái)解決。

4 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)以上的CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的語(yǔ)義映射關(guān)系，借助FME軟件平臺(tái)制定好映射文件之后，就可以進(jìn)行CAD格式基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)庫(kù)格式的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換前后結(jié)果如圖2和圖3所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)、線、面幾何要素以及文本注記都能正確的轉(zhuǎn)換到相應(yīng)圖層，而且保證了圖形信息和屬性信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系正確，得到了較好的效果。

圖2 CAD原始基礎(chǔ)地形圖

圖3 轉(zhuǎn)換后的GeoDatabase格式地形圖

5 結(jié)語(yǔ)

為了滿足“數(shù)字城市”工程中大比例尺數(shù)據(jù)建庫(kù)的需要，本文深入分析了CAD數(shù)據(jù)模型和GIS數(shù)據(jù)模型各自的特點(diǎn)，引入語(yǔ)義映射的思想，結(jié)合具體的CAD實(shí)例數(shù)據(jù)，制定了CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的映射關(guān)系。根據(jù)以上思路，完成了撫州市1:500CAD格式的80平方公里基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)向GIS格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。實(shí)踐證明，該方法具有速度快，擴(kuò)充性能好等特點(diǎn)。

［1］崔洪波，李井杰，賀智.城市大比例尺CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換［J］.測(cè)繪與地理空間信息，2011，34(2):34-36.

［2］葉海波，吳遇文，李會(huì)梅.基于ARCGIS由道路規(guī)劃圖CAD數(shù)據(jù)到GIS格式轉(zhuǎn)換的探討［J］.西部探礦工程，2010，(8):112-115.

［3］計(jì)長(zhǎng)飛，孫尚宇，楊歡.基于EPS的CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法研究［J］.礦山測(cè)量，2010，10(5):16-18.

［4］陳南南，李篷，周美霞，等.CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的探討［J］.北京測(cè)繪，2012，(1):15-17.

［5］李宗華.基于語(yǔ)義映射的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用研究［J］.地理空間信息，2007，5(2):1-2.

［6］吳昊昕.基于語(yǔ)義的GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型的研究及實(shí)現(xiàn)［J］.軟件導(dǎo)報(bào)，2008，4(7):77-78.

［7］曾巧玲，張書亮，姜永發(fā)，等.利用FME實(shí)現(xiàn)GIS與CAD的語(yǔ)義轉(zhuǎn)換［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，(13):214-217.

［8］GB/T20257.1-2007.國(guó)家基本比例尺地圖圖式第一部分：1:500、1:1000、1:2000地形圖圖式［S］.

［9］GB/T14804-93.國(guó)家基本比例尺地形圖要素分類與代碼1:500、1:1000、1:2000地形圖要素分類與代碼［S］.