CAD到GIS格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)及其在地鐵保護(hù)巡查系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭 達(dá) 高修強(qiáng) 張文國(guó)

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，311122，杭州∥第一作者，工程師)

目前，城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)均以CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，隨著GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)的推廣以及數(shù)字孿生城市概念的興起， CAD格式數(shù)據(jù)在圖形表現(xiàn)形式以及圖形對(duì)象屬性的展現(xiàn)上難以滿足城市建設(shè)運(yùn)維期的需要，勘測(cè)設(shè)計(jì)方交付的CAD格式數(shù)據(jù)難以被二次處理或調(diào)用分析，無(wú)法實(shí)現(xiàn)除了信息存儲(chǔ)以外更多的功能。如何高效便捷地將地鐵建設(shè)期的CAD格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS數(shù)據(jù)、如何完成指定場(chǎng)景的空間分析和數(shù)據(jù)融合、如何構(gòu)建形象化的場(chǎng)景是目前地鐵保護(hù)巡查工作的重點(diǎn)。CAD格式數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)均建立在空間坐標(biāo)系中，可以描述圖形間的拓?fù)潢P(guān)系。在圖形的表現(xiàn)形式上，CAD格式數(shù)據(jù)主要包含顏色、線型、符號(hào)等靜態(tài)特征，不同圖層對(duì)應(yīng)的實(shí)體含義通常以圖層命名區(qū)分，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)非關(guān)系性，難以進(jìn)行信息化、數(shù)字化抽象及計(jì)算機(jī)語(yǔ)義化處理。而GIS數(shù)據(jù)的屬性內(nèi)容靈活多樣，可以便捷地區(qū)分不同地物，便于進(jìn)行抽象化和信息化管理[1]。

針對(duì)地鐵建設(shè)過(guò)程中，車站、線路、區(qū)間的CAD格式數(shù)據(jù)難以被二次處理或調(diào)用分析的問(wèn)題，結(jié)合FME(空間操縱引擎)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)與GIS空間分析技術(shù)，將Shapefile格式數(shù)據(jù)作為CAD格式數(shù)據(jù)與可在地圖上直觀展示的商用GIS數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的中間媒介，同時(shí)結(jié)合GIS領(lǐng)域的數(shù)據(jù)渲染及空間分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了CAD格式數(shù)據(jù)與 GIS地圖的融合處理。最終，研發(fā)了一套巡查管理系統(tǒng)，其功能包括：巡檢人員實(shí)時(shí)作業(yè)軌跡記錄、在建項(xiàng)目與地鐵保護(hù)區(qū)的外輪廓范圍相對(duì)位置展示、最近距離測(cè)算、地鐵保護(hù)區(qū)范圍在實(shí)景三維城市模型中的疊加展示。本文研究可為地鐵日常保護(hù)巡查工作提供思路與實(shí)用價(jià)值。

1 基于ArcGIS平臺(tái)的CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

1.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

ArcGIS是一個(gè)集成了眾多高級(jí)GIS應(yīng)用的GIS平臺(tái)，為GIS相關(guān)從業(yè)者提供了許多地理要素處理功能。ArcGIS平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)CAD格式數(shù)據(jù)的直接讀取，其Toolbox中的Conversion Tools模塊能夠?qū)AD地形圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Geodatabase模型中的地理數(shù)據(jù)。由于部分CAD圖紙中的數(shù)據(jù)元素過(guò)多，轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在部分?jǐn)?shù)據(jù)無(wú)法在ArcMap中正常顯示的問(wèn)題。針對(duì)該情況，利用Data Interoperability Tools中的導(dǎo)出工具，將其數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成Shapefile數(shù)據(jù)格式后能夠解決該顯示問(wèn)題。

1.2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

由于勘測(cè)設(shè)計(jì)行業(yè)的CAD格式圖紙通常是多行業(yè)的綜合圖紙，其圖紙樣式難以統(tǒng)一，存在圖層較多、線條樣式多樣化等問(wèn)題。有些圖形實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在GIS軟件中無(wú)法正常讀取，在CAD格式數(shù)據(jù)向Shapefile格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，可能存在部分格式的線條丟失現(xiàn)象,因此在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢后需進(jìn)行數(shù)據(jù)的基本校驗(yàn)[2]。對(duì)于丟失的點(diǎn)、線及未閉合的面，可采用ArcGIS平臺(tái)的工具箱Toolbox中的編輯工具進(jìn)行數(shù)據(jù)的補(bǔ)充、修剪及拼接等操作。

1.3 屬性補(bǔ)充

CAD格式數(shù)據(jù)以點(diǎn)、線、面3種類型格式存儲(chǔ)， Shapefile格式中GIS數(shù)據(jù)的注記信息格式為Feature Class Annotation，圖形幾何屬性為Polygon格式[3]。CAD格式數(shù)據(jù)與Shapefile格式數(shù)據(jù)屬性對(duì)比如表1所示。但對(duì)于空間面的交叉入侵分析，CAD中看起來(lái)“閉合”的一些面用的其實(shí)是Polyline屬性，對(duì)于此類數(shù)據(jù)需要先轉(zhuǎn)換成Polygon屬性，才能進(jìn)行后續(xù)的閉合區(qū)域面積計(jì)算及入侵分析等操作。

表1 CAD格式數(shù)據(jù)與Shapefile格式數(shù)據(jù)屬性對(duì)比

ArcGIS中的自定義添加屬性字段功能可以完成對(duì)CAD格式數(shù)據(jù)屬性的自由拓展，解決了原始CAD格式數(shù)據(jù)以文字描述屬性、無(wú)法進(jìn)行信息化層面的邏輯抽象、無(wú)法進(jìn)行計(jì)算機(jī)語(yǔ)義化的缺點(diǎn)，也為后期圖形的屬性編輯及前端渲染展示提供了基礎(chǔ)。

2 轉(zhuǎn)化后的GIS數(shù)據(jù)在地鐵保護(hù)巡查系統(tǒng)中的應(yīng)用

地鐵保護(hù)巡查系統(tǒng)的主要功能是對(duì)地鐵沿線50 m范圍(以下簡(jiǎn)稱“地鐵保護(hù)區(qū)”)的施工項(xiàng)目進(jìn)行巡視、檢查及管控。距離地鐵結(jié)構(gòu)較近的工程施工項(xiàng)目，特別是涉及到基坑開(kāi)挖類型的工程項(xiàng)目，容易對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性造成影響[4]。

但由于目前商用地圖上沒(méi)有地鐵線路外邊線經(jīng)緯度具體輪廓、地鐵車站具體輪廓以及地鐵保護(hù)區(qū)范圍的標(biāo)識(shí)，造成了日常巡檢人員無(wú)法判斷施工項(xiàng)目是否處于地鐵保護(hù)區(qū)范圍。將CAD格式數(shù)據(jù)中的地鐵線路外邊線經(jīng)緯度具體輪廓、地鐵車站具體輪廓及地鐵保護(hù)區(qū)范圍的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)，以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言抽象、加載后展示到地圖上，同時(shí)輔以地圖的自動(dòng)測(cè)距功能，能夠分析周邊地鐵工程項(xiàng)目范圍與地鐵保護(hù)區(qū)范圍的空間關(guān)系，清晰直觀地展示日常巡檢人員所需標(biāo)識(shí)。

依托北斗衛(wèi)星定位、人員軌跡采集、GIS閉合面入侵判斷、面域疊加判斷、三維傾斜攝影模型與GIS數(shù)據(jù)結(jié)合等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)管理者對(duì)巡檢人員的實(shí)時(shí)定位、巡檢人員進(jìn)出地鐵保護(hù)區(qū)范圍自動(dòng)提醒、違建項(xiàng)目在地鐵保護(hù)區(qū)范圍的面積測(cè)算、在建項(xiàng)目距離地鐵外輪廓的最近距離測(cè)算，以及三維可視化展示實(shí)際空間中地鐵保護(hù)區(qū)范圍的在建項(xiàng)目等功能。

3 實(shí)際案例應(yīng)用

以南昌地鐵保護(hù)巡查系統(tǒng)一期項(xiàng)目為例，CAD修補(bǔ)完善前后的南昌地鐵2號(hào)線線路、車站及地鐵保護(hù)區(qū)輪廓圖如圖1所示?？睖y(cè)設(shè)計(jì)單位提供的地鐵保護(hù)區(qū)范圍原始CAD格式數(shù)據(jù)中包含地鐵線路、地鐵車站、地鐵保護(hù)區(qū)以及建筑、管網(wǎng)、地塊等多個(gè)無(wú)用信息(見(jiàn)圖1 a))。在CAD軟件中將除地鐵線路、地鐵車站、地鐵保護(hù)區(qū)圖層以外的其他無(wú)用圖層剔除，同時(shí)將保護(hù)區(qū)線進(jìn)行修補(bǔ)閉合(見(jiàn)圖1 b))。

圖1 CAD修補(bǔ)完善前后的南昌地鐵2號(hào)線線路、車站及地鐵保護(hù)區(qū)輪廓圖

將修補(bǔ)完善后的地鐵線路、地鐵車站及地鐵保護(hù)區(qū)輪廓圖導(dǎo)入ArcGIS平臺(tái)，依據(jù)表1中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將地鐵車站和區(qū)間中的線(Polyline屬性數(shù)據(jù))、地鐵保護(hù)區(qū)中的面(Polygon屬性數(shù)據(jù))導(dǎo)出為Shapefile格式數(shù)據(jù)。在ArcGIS平臺(tái)中將地鐵保護(hù)的CAD格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Shapefile格式數(shù)據(jù)，其軟件截圖如圖2所示。

圖2 CAD格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Shapefile格式數(shù)據(jù)軟件截圖

導(dǎo)出的Shapefile格式數(shù)據(jù)通過(guò)MapShaper網(wǎng)站即可便捷地轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所需的JSON(Java-Script對(duì)象簡(jiǎn)譜)格式數(shù)據(jù)。經(jīng)轉(zhuǎn)換后的文件是一系列的點(diǎn)集，通過(guò)前端開(kāi)發(fā)可以直接與商用地圖融合，并最終形成可用于地鐵保護(hù)巡查系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)地圖。南昌地鐵2號(hào)線地鐵保護(hù)巡查地圖如圖3所示。

圖3 南昌地鐵2號(hào)線地鐵保護(hù)巡查地圖

CAD格式數(shù)據(jù)與GIS地圖融合后，結(jié)合北斗定位能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)巡查人員提供手持端軟件，在地鐵保護(hù)區(qū)地圖上實(shí)時(shí)展示巡查人員的巡檢軌跡，其軟件截圖如圖4所示。引入GIS面域分析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)判斷巡查人員進(jìn)出地鐵保護(hù)區(qū)范圍的自動(dòng)提醒功能，能夠自動(dòng)測(cè)算巡查人員的當(dāng)前位置與地鐵保護(hù)區(qū)外邊線的最近距離，并以此精準(zhǔn)判斷周邊地鐵工程項(xiàng)目是否位于地鐵保護(hù)區(qū)范圍。GIS面域分析及距離自動(dòng)測(cè)算軟件截圖如圖5所示。利用輔助傾斜攝影技術(shù)，通過(guò)SuperMap GIS(北京超圖地理信息系統(tǒng)軟件)將二維的地鐵保護(hù)區(qū)邊線與三維地面融合，可以將地鐵保護(hù)區(qū)范圍在城市三維實(shí)景模型中疊加展示出來(lái)，如圖6所示。

圖4 地鐵保護(hù)區(qū)巡查人員軌跡展示軟件截圖

圖5 GIS面域分析及距離自動(dòng)測(cè)算軟件截圖

圖6 地鐵保護(hù)區(qū)范圍在城市三維實(shí)景模型中的疊加展示

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于ArcGIS技術(shù)的CAD格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS數(shù)據(jù)的方法。同時(shí),將轉(zhuǎn)換后的GIS數(shù)據(jù)與在線地圖相結(jié)合，以地鐵運(yùn)營(yíng)期間周邊工程項(xiàng)目巡檢人員的業(yè)務(wù)需要為出發(fā)點(diǎn)，打造了一套集巡檢人員實(shí)時(shí)作業(yè)軌跡記錄、在建項(xiàng)目與地鐵保護(hù)區(qū)及外輪廓范圍相對(duì)位置展示、最近距離測(cè)算、地鐵保護(hù)區(qū)范圍在實(shí)景三維城市模型中的疊加展示等功能的巡查管理系統(tǒng)，打破了CAD格式數(shù)據(jù)難以進(jìn)行信息化和數(shù)字化抽象、計(jì)算機(jī)語(yǔ)義化編程、提取分析及業(yè)務(wù)功能展示的壁壘，提高了地理信息數(shù)據(jù)的綜合利用率。通過(guò)該軟件能夠幫助管理人員及巡查人員更直觀簡(jiǎn)便地在地鐵保護(hù)區(qū)空間范圍進(jìn)行巡查管理。目前，該技術(shù)及其相關(guān)系統(tǒng)已在實(shí)際工程項(xiàng)目中獲得較好的應(yīng)用，并具有市場(chǎng)推廣價(jià)值。