面狀地形要素快速提取方法研究

李柯樺

（云南省測繪工程院，云南 昆明 650031）

0.引言

研究如何高效地從∶測繪工程生產(chǎn)的AutoCAD地形圖中提取地形要素對于空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建尤為重要，GIS數(shù)據(jù)與CAD數(shù)據(jù)在設(shè)計與應(yīng)用上的初衷不同，導(dǎo)致二者在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的差異很大。目前，多種商業(yè)軟件如FME、EPS、ArcGIS等都提供了GIS數(shù)據(jù)與CAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方式，提高了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率。但是，此類商業(yè)軟件轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)都存在屬性丟失或圖形錯誤等問題，無法直接進行數(shù)據(jù)入庫。

針對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中存在的問題，很多學(xué)者進行了研究，王化娟使用FME軟件對CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進行研究，并且分析與處理了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后存在的數(shù)據(jù)信息丟失、屬性不全、圖形錯誤等問題；陳能提出并研究了在CAD數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前對CAD數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；針對要素因圖形分割不連續(xù)問題，彭春暉提出了將要素屬性作為自動接邊的參照。上述方法雖然提高了地形數(shù)據(jù)提取效率，但是都需要人工參與，自動化程度不高，需要研究更加自動化的要素提取方法。

本文在傳統(tǒng)地形要素提取的基礎(chǔ)上，根據(jù)要素之間的幾何關(guān)系，提出了基于空間拓撲關(guān)系的面狀要素提取方法。該方法不僅可以快速提取面狀幾何要素，還能自動進行分類屬性信息的識別與獲取。

1.提取面狀地形要素內(nèi)容

以GIS建庫的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求對AutoCAD格式的數(shù)據(jù)源進行質(zhì)量控制，AutoCAD格式數(shù)據(jù)源在命名、分層、拓撲及成圖上都有相應(yīng)的規(guī)范要求。針對數(shù)字地形數(shù)據(jù)在GIS中與AutoCAD中的表現(xiàn)形式與分層等的差異，首先對數(shù)字地形圖中需要提取的面狀地形要素在GIS與AutoCAD中的表現(xiàn)形式進行梳理。數(shù)字地形圖中需提取面狀要素及其表現(xiàn)形式（如表1所示）：

表1 兩種軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對比

在GIS中，大部分地形要素如水系、道路、建筑物等表現(xiàn)為閉合面，但在AutoCAD中則表現(xiàn)為單線或復(fù)線。文字注記與獨立符號在GIS中表現(xiàn)為點和屬性，在AutoCAD中多存儲為塊或注記形式，塊或注記可以對地形要素進行標(biāo)識，如,植被的類別、建筑物的層數(shù)等，對塊或注記本身卻沒有屬性描述。GIS地形數(shù)據(jù)與AutoCAD地形數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的原因主要是應(yīng)用目的與領(lǐng)域不同：GIS更加側(cè)重于描述地理實體的數(shù)學(xué)模型，AutoCAD側(cè)重于地形要素的成圖與符號化。

各商業(yè)軟件都對軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行定義，以解決各軟件之間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的差異造成信息無法匹配問題，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中盡可能保留原始信息[10]。以ArcGIS數(shù)據(jù)向AutoCAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為例，首先按照幾何類型對轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)進行分層，數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD中將自動按照圖形類型與圖層劃分存儲；文字將轉(zhuǎn)換為注記，注記的樣式、顏色、分層等信息將會自動保存與顯示。可見，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變?nèi)匀粫Ａ艚^大部分的數(shù)據(jù)信息，但是兩種軟件在數(shù)據(jù)存儲格式及符號化等方面差距較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生錯誤或者丟失情況。AutoCAD數(shù)據(jù)中缺少數(shù)據(jù)間的拓撲聯(lián)系，由于節(jié)點難以捕捉，會產(chǎn)生例如縫隙、重復(fù)邊、懸掛線等拓撲錯誤[11]。此外，由于地形圖的制作是以圖幅為單位的，所以還會造成圖形邊界的錯位、分割等情況。

為了快速提取得到地形要素，目前還需要解決的問題有：（1）對地形圖數(shù)據(jù)中的隱含信息進行充分挖掘，彌補商業(yè)軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換造成的部分數(shù)據(jù)丟失問題；（2）對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理，得到滿足入庫要求的成果數(shù)據(jù)。

2.提取面狀要素方法

針對前文中提到問題，本文提出了一種自動提取面狀地形要素方法，該方法基于數(shù)據(jù)的空間拓撲關(guān)系。首先，為保證面狀地形要素的閉合，利用地形要素間的鄰接關(guān)系進行拓撲容差和組合圖層的設(shè)置，并且通過拓撲構(gòu)面實現(xiàn)面狀地形要素的快速構(gòu)建；其次，通過面狀要素與文字注記或獨立符號的包含關(guān)系，補充與濾除構(gòu)建的數(shù)據(jù)集；最后，構(gòu)建地形要素與獨立符號之間的映射關(guān)系，通過面狀要素與獨立符號的包含關(guān)系對地形要素進行識別與分類。

2.1 圖形構(gòu)建

將AutoCAD中的線轉(zhuǎn)為面是構(gòu)建圖形的首要條件，線轉(zhuǎn)面分為兩個步驟：（1）篩選得到面；（2）對線要素進行拓撲構(gòu)面。這種方法可以快速生成面要素，但是會造成提取效果不理想，主要原因有以下三個方面：（1）圖形是按照圖幅劃分，圖幅邊界造成的錯位和分割會導(dǎo)致無法構(gòu)面；（2）由于懸掛線的錯誤無法構(gòu)面；（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中導(dǎo)致線不閉合，也無法構(gòu)面，如，花圃面由房屋邊界與花圃邊界共同構(gòu)成的情況。通過傳統(tǒng)方法對建筑物進行提取出現(xiàn)的問題（如圖1所示）：

圖1 傳統(tǒng)方法提取建筑物出現(xiàn)問題

出現(xiàn)上述建筑物提取的問題主要原因就是使用單要素圖層進行構(gòu)面，AutoCAD數(shù)據(jù)中沒有圖形拓撲關(guān)系，存在公共邊的多個圖形很難能夠同時閉合。因此，可以使用多要素組合構(gòu)面法以保證圖形閉合，并且對所有參與構(gòu)面的圖層集合進行分析；設(shè)置拓撲容差，分析容差與成圖比例尺、數(shù)據(jù)分辨率間的關(guān)系，實現(xiàn)拓撲自動閉合；完成要素屬性編輯后，針對圖形分割導(dǎo)致的邊界不連續(xù)問題，可以通過對要素屬性進行約束及對邊界緩沖區(qū)進行分析的方法進行數(shù)據(jù)接邊。

2.2 數(shù)據(jù)檢查

使用鄰接關(guān)系進行圖形構(gòu)建會產(chǎn)生以下問題：（1）由于數(shù)據(jù)質(zhì)量問題導(dǎo)致的圖形漏提；（2）為了保證圖形閉合，會產(chǎn)生較多的錯誤數(shù)據(jù)。圖2為構(gòu)建植被時出現(xiàn)的錯誤，將房屋及道路也加入構(gòu)面圖層中以確保臨近房屋或道路的植被圖形閉合，因此也提取得到道路與房屋的情況（如圖2（a）和圖2（b）所示）；圖2（c）中植被的公共邊界可能是任一圖層中的要素，造成圖形無法構(gòu)建的原因可能是構(gòu)面圖層不全；懸掛點也會導(dǎo)致圖形無法構(gòu)建（如圖2（d）所示）。針對上述問題，將本文方法應(yīng)用到實際生產(chǎn)中的關(guān)鍵是對構(gòu)建的數(shù)據(jù)集進行檢查，使數(shù)據(jù)集滿足生產(chǎn)要求，內(nèi)容包括兩個方面：（1）對遺漏圖形的補充；（2）對錯誤圖形的濾除。

圖2 植被構(gòu)建主要面臨的問題

通過分析數(shù)據(jù)得到，在AutoCAD中對于要素屬性信息的描述缺乏，一般情況下主要通過兩種方式對地形要素進行識別：（1）將文字注記或者獨立符號繪制在要素范圍內(nèi)，通過面狀要素與文字注記或者獨立符號的包含關(guān)系檢查構(gòu)建的數(shù)據(jù)集；（2）通過對數(shù)據(jù)進行分層管理，分層信息可作為要素識別的參考存儲進要素屬性中。

首先，通過AutoCAD對指定圖層的文字注記及獨立符號進行讀取，將包絡(luò)線中線點或塊的插入點作為檢查點，隨后對疊加構(gòu)建的面要素數(shù)據(jù)集與檢查點進行分析。如果點要素在面要素范圍外則表示漏提圖形，面要素包含的點要素數(shù)量為零則表示面要素為錯誤數(shù)據(jù)。

2.3 分類的識別與提取

圖3 土質(zhì)與植被的符號圖示

對于面狀要素，主要通過獨立符號與文字注記進行分類識別。目前已有多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行控制。在國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，各省市又進行了進一步地完善及細化，制定適應(yīng)本地數(shù)據(jù)生產(chǎn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。這些行業(yè)規(guī)范對要素的分類編碼、分類名稱等都進行了要求與規(guī)定。國家標(biāo)準(zhǔn)中的土質(zhì)與植被的符號示意（如圖3所示）：

對于地形要素分類的提取，需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。根據(jù)傳統(tǒng)做法提取地形要素分類，首先是通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對分類的編碼及名稱進行確定，其次使用屬性掛接或手工編輯的方式錄入分類信息。但是由于地形要素分類眾多且復(fù)雜，傳統(tǒng)方法容易出現(xiàn)分類錯誤且工作量巨大。因此，在使用空間拓撲關(guān)系檢查及構(gòu)建圖形后，進行AutoCAD獨立符號與地形要素分類間的映射關(guān)系，就可以同時完成獨立符號的識別與檢查點的提取，在中線點屬性中將獨立符號進行存儲。進行疊加濾波時，分類名稱與編碼就可以通過映射關(guān)系得到，從而能夠自動識別地物分類信息。同樣，該方法可以在地名自動匹配、房屋層數(shù)等文本注記的提取中得到應(yīng)用。

3.應(yīng)用實例

以昆明市1∶2000比例尺地形圖建庫項目為依托，對本文方法的可行性進行檢驗。選擇連續(xù)的10幅地形圖作為實驗數(shù)據(jù)進行專項用地、房屋及綠地的提取。實驗中使用的商業(yè)軟件為ArcGIS、AutoCAD及EPS等，通過商業(yè)軟件及工具進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)編輯工作。實驗環(huán)境能夠真實反映行業(yè)的生產(chǎn)情況，符合當(dāng)前數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作狀況。

在特征符號與數(shù)據(jù)分層都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的情況下，通過統(tǒng)計實驗結(jié)果可知，本文方法可以有效提取數(shù)據(jù)，同時滿足生產(chǎn)要求。使用傳統(tǒng)方法與本文方法提取面狀要素的效率對比（如表2所示）：

表2 提取面狀要素效率對比

通過表2可知：本文提出的方法可以高效提取面狀要素，優(yōu)化數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式，實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)提取。將作業(yè)員從繁重的數(shù)據(jù)提取工作中解放出來，把更多的精力與時間放在數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查上。本文的研究具有一定的應(yīng)用價值。

4.結(jié)束語

本文對地形要素提取中的關(guān)鍵進行分析，使用拓撲構(gòu)面、疊加分析及構(gòu)建映射關(guān)系等，對地形圖中的面狀要素進行快速構(gòu)建、數(shù)據(jù)檢查及自動識別等。以昆明市1∶2000比例尺地形圖建庫項目為依托對本文方法的可行性進行檢驗。實驗結(jié)果表明：本文使用的方法可以對數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式進行優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)的提取效率。下一步將研究增加針對文字注記或獨立符號擺放錯誤、懸掛點超出容差限定范圍造成的數(shù)據(jù)錯誤的排查機制，進一步提高算法的自動化水平。