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(zhǎng)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kù)2個(gè)過(guò)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(duì)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(cè)，提取出變化的要素，再對(duì)變化要素進(jìn)行更新入庫(kù)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能系統(tǒng)、高效地實(shí)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(cè)；增量更新

空間數(shù)據(jù)更新是維護(hù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)勢(shì)性的主要手段[1]，是當(dāng)前GIS的前沿研究課題。目前，我國(guó)大多數(shù)城市的地形圖測(cè)量數(shù)據(jù)以AutoCAD格式存儲(chǔ)，而在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、空間分析等方面CAD格式數(shù)據(jù)相對(duì)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(duì)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(wú)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(shì)數(shù)據(jù)庫(kù)，以維持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)勢(shì)性，是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)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(duì)新舊數(shù)據(jù)進(jìn)行變化檢測(cè)，只針對(duì)變化的要素進(jìn)行更新[9-11]。基于范圍的更新方法需要較多的接邊操作，在接邊過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)接邊錯(cuò)位現(xiàn)象[12]，并且整體替換加大了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(gè)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(duì)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(guò)程中若僅使用目視方法進(jìn)行逐要素判斷需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)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(chǔ)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(duì)應(yīng)的要素編碼，加快了轉(zhuǎn)換速度。

在編碼完成后可以對(duì)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(cuò)誤，包括圖形的自相交、圖形的懸掛點(diǎn)、圖形的重疊等。本文提供了面要素的自動(dòng)閉合、重疊要素的刪除等處理方法來(lái)解決相應(yīng)的拓?fù)溴e(cuò)誤。

最后對(duì)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(duì)應(yīng)的值分別以成對(duì)的方式存儲(chǔ)在字典的Name屬性和Data值中，這樣既可快速進(jìn)行存儲(chǔ)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(kù)，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(gè)專題的點(diǎn)、線、面、注記等圖層，并依據(jù)入庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)添加相應(yīng)的屬性字段。

2）實(shí)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(duì)坐標(biāo)進(jìn)行組合，組合成相應(yīng)的要素類型。常見的CAD實(shí)體圖形包括點(diǎn)、直線、圓、弧線、樣條曲線、多線段和文字[15]。針對(duì)以上各種類型，設(shè)置相應(yīng)的提取方法。直線僅提取起點(diǎn)和終點(diǎn)；圓實(shí)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(duì)應(yīng)的圓心角；樣條曲線提取起點(diǎn)和終點(diǎn)，并根據(jù)該曲線的復(fù)雜度選擇中間控制點(diǎn)的數(shù)量；多線段將其進(jìn)行拆分成相應(yīng)的簡(jiǎn)單直線和圓弧后再進(jìn)行提取操作；為了實(shí)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(duì)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(chǔ)到對(duì)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(gè)階段：第一階段是變化信息檢測(cè)，即通過(guò)新舊數(shù)據(jù)的對(duì)比，檢測(cè)出變化的要素，將變化的要素存放在臨時(shí)庫(kù)中；第二階段是更新數(shù)據(jù)的入庫(kù)，即根據(jù)臨時(shí)庫(kù)中變化要素的類型（新增或刪除），對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的更新操作。總體更新流程如圖2所示。

1.2.2 變化信息檢測(cè)

變化信息檢測(cè)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(cè)研究大都是利用新舊數(shù)據(jù)間的匹配處理，檢測(cè)空間對(duì)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(lái)進(jìn)行判讀，需要較多的空間和屬性對(duì)比，為了快速找到對(duì)應(yīng)的要素進(jìn)行對(duì)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(shí)現(xiàn)定位，具體如下：

圖2 基于要素的更新流程圖

1）分別對(duì)新舊數(shù)據(jù)增加特征點(diǎn)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(jì)算，這里的特征點(diǎn)坐標(biāo)代表要素所在的位置，點(diǎn)要素直接取其坐標(biāo)，線要素取其中點(diǎn)，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(gè)字段值之間用特殊符號(hào)分割，如式（1）。

3）將檢測(cè)范圍（Xmin，Ymin，Xmax，Ymax）劃分為m×n個(gè)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(duì)新舊數(shù)據(jù)按特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行排序，并按特征點(diǎn)坐標(biāo)將要素匹配到相應(yīng)的格網(wǎng)。格網(wǎng)編號(hào)與特征點(diǎn)坐標(biāo)匹配方法按式（3）計(jì)算，其中INT（）為向下取整。將格網(wǎng)內(nèi)要素的特征點(diǎn)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(zhǎng)度，點(diǎn)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(diǎn)X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)的和； gridlen（）表示網(wǎng)格中要素的弧段長(zhǎng)度和；gridstr（）表示網(wǎng)格中要素屬性值字符串拼接；gridcount（）為行號(hào)網(wǎng)格中要素個(gè)數(shù)；k為格網(wǎng)中要素的數(shù)量。

5）對(duì)新舊數(shù)據(jù)中編號(hào)相同網(wǎng)格的特征點(diǎn)X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、弧段長(zhǎng)度、屬性值拼接字符串進(jìn)行對(duì)比。

按式（5）計(jì)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(diǎn)X坐標(biāo)和的變化率；changeceny（）為格網(wǎng)中要素特征點(diǎn)Y坐標(biāo)和的變化率；changelen（）為格網(wǎng)中弧段長(zhǎng)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(duì)應(yīng)網(wǎng)格中以上3個(gè)指標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，說(shuō)明該網(wǎng)格中的要素存在變化，需對(duì)網(wǎng)格內(nèi)的要素進(jìn)行逐一變化檢測(cè)。

1.2.3 變化數(shù)據(jù)檢測(cè)入庫(kù)

在找到對(duì)應(yīng)要素后，以新舊要素的緩沖區(qū)重疊度（Index）來(lái)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(duì)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(cè)完成后，即可將變化要素入庫(kù)。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(shí)將刪除要素插入到對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便進(jìn)行歷史回溯查看。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)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(shí)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(kù)的流程，以1∶2 000地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

首先對(duì)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(duì)比轉(zhuǎn)換后的結(jié)果數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無(wú)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(guò)對(duì)新舊數(shù)據(jù)進(jìn)行變化檢測(cè)，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(duì)變化要素以粉紅色進(jìn)行標(biāo)注，可以準(zhǔn)確檢測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以快速、無(wú)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(guò)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(cè)量數(shù)據(jù)的更新操作。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合修補(bǔ)測(cè)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(shí)踐，設(shè)計(jì)了CAD數(shù)據(jù)規(guī)整的技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)了CAD數(shù)據(jù)向GIS數(shù)據(jù)的無(wú)損轉(zhuǎn)換；提出了基于快速定位的變化檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)變化數(shù)據(jù)的快速更新入庫(kù)，保證了地形圖數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)勢(shì)性。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)仍要進(jìn)行多次檢查編輯操作，且有些不常見拓?fù)溴e(cuò)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(shí)基于要素的更新方法在檢測(cè)到對(duì)應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)有變化要素存在時(shí)，仍要對(duì)網(wǎng)格中要素進(jìn)行逐要素對(duì)比查看，在變化要素較多時(shí)更新效率會(huì)下降，因此快速定位變化要素的方法仍需進(jìn)一步研究。

[1] Briat M, Monnot J, Kressmann T. Incremental Update of Cartographic Data in a Versioned Environment[C].22nd ICA Conference Proceedings, A Coru?a, 2005

[2] 陳能,施蓓琦.AutoCAD地形圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS空間數(shù)據(jù)的技術(shù)研究與應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2005(8):11-14

[3] 王波,張亮,孫霞. CAD向GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換入庫(kù)[J].地理空間信息, 2011,9(3):24-26

[4] 袁源琳,張新長(zhǎng),黃健鋒,等.AutoCAD地形圖數(shù)據(jù)規(guī)整入庫(kù)的研究與應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào), 2013(5):84-88

[5] 張葉,孫毅中,陳年松.CAD城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到GIS 轉(zhuǎn)換的有關(guān)問(wèn)題探討[J].測(cè)繪與空間地理信息, 2007,30(1):94-97

[6] 付仲良,吳建華.多比例尺空間數(shù)據(jù)庫(kù)更新技術(shù)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2007,32(12):1 115-1 118

[7] 梁史進(jìn),張新長(zhǎng),郭泰圣.基于圖幅的地形圖數(shù)據(jù)自適應(yīng)更新實(shí)現(xiàn)[J].地理信息世界,2014,21(6):77-81

[8] 陳年松.基于圖幅的城市基礎(chǔ)地理信息更新研究[C].江蘇省測(cè)繪學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì),南京,2009

[9] 羅國(guó)瑋,張新長(zhǎng),齊立新.顧及地理要素變化過(guò)程的數(shù)據(jù)增量更新方法[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014(4):131-135 [10] 張新長(zhǎng),郭泰圣,唐鐵.一種自適應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)增量更新方法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2012,41(4):613-619

[11] 楊文杰,張新長(zhǎng),羅國(guó)瑋,等.基于要素的地形圖數(shù)據(jù)更新方法研究[J].地理信息世界,2014,21(6):12-16

[12] 孫英杰.基于變化信息文件的增量更新方法研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2008

[13] 王蔚,陳明銳.AutoCAD 數(shù)據(jù)向GIS空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究[J].熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,30(11):48-52

[14] 施一軍.數(shù)字地形圖向GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理方法的探討[J].江蘇測(cè)繪,2000,23(4):44-46

[15] 楊娜娜,張新長(zhǎng),黃健鋒.CAD規(guī)劃成果數(shù)據(jù)GIS建庫(kù)的技術(shù)與研究[J].測(cè)繪通報(bào),2015(6): 44-48

[16] 羅國(guó)瑋,張新長(zhǎng),齊立新,等.矢量數(shù)據(jù)變化對(duì)象的快速定位與最優(yōu)組合匹配方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2014,43(12):1 285-1 292

[17] 吳建華,付仲良.數(shù)據(jù)更新中要素變化檢測(cè)與匹配方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2008,28(6):1 612-1 615

P208

B

1672-4623（2016）03-0001-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.001

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

2015-12-09。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助項(xiàng)目（41431178）；高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20120171110030）。