鐵路建設(shè)地理空間數(shù)據(jù)庫向AutoCAD的地圖轉(zhuǎn)換

杜 輝

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

近年來，地理空間數(shù)據(jù)已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活中發(fā)揮了重要作用[1-2]。在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，地理空間數(shù)據(jù)也起到了不可替代的作用[3-5]。地理空間數(shù)據(jù)主要以空間數(shù)據(jù)庫的形式存在，其主要特點(diǎn)是方便存儲(chǔ)和更新，但無法直接應(yīng)用于鐵路工程勘察設(shè)計(jì)。因此，從數(shù)據(jù)庫向AutoCAD的地圖轉(zhuǎn)換是工程建設(shè)中常見的問題，也是數(shù)據(jù)挖掘(或稱為地理信息深加工)[6-7]的必由之路。

相較于柵格數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緊湊，冗余度低，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，讀取和轉(zhuǎn)換較為困難[8]，重復(fù)采集的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[9]，造成了許多人力、物力的浪費(fèi)。

目前，地理空間數(shù)據(jù)向AutoCAD的地圖轉(zhuǎn)換研究已經(jīng)在轉(zhuǎn)換原理、轉(zhuǎn)換方法等方面有了較大的進(jìn)展[10-14]，但是尚沒有提出針對(duì)不同復(fù)雜程度的地理空間數(shù)據(jù)庫向AutoCAD地圖轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)解決方案。

面對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)需求量大、任務(wù)緊急等現(xiàn)狀問題，提出快捷高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換解決方案十分必要。可先從簡(jiǎn)單地理空間數(shù)據(jù)集的轉(zhuǎn)換入手，再涉及中型地理空間數(shù)據(jù)集、大型數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換技術(shù)研究。最后，系統(tǒng)地提出地理空間數(shù)據(jù)庫向AutoCAD的地圖轉(zhuǎn)換解決方案。

1 簡(jiǎn)單地理空間數(shù)據(jù)集的轉(zhuǎn)換

1.1 Shapefile格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

鐵路工程建設(shè)中，簡(jiǎn)單地理空間數(shù)據(jù)集多為一定區(qū)域內(nèi)的地理界線(例如行政區(qū)界)、專題信息界線(例如不良地質(zhì)區(qū)域、自然保護(hù)區(qū))，或區(qū)域交通網(wǎng)等。這類數(shù)據(jù)集是遙感地質(zhì)解譯、遙感專題制圖、區(qū)域路網(wǎng)規(guī)劃等工作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

這些數(shù)據(jù)集比較簡(jiǎn)單，圖層字段少(如圖1(a)所示)，常以Shapefile格式存儲(chǔ)(包括主文件*.shp，索引文件*.shx和屬性文件*.dbf)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單(非拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))，占用存儲(chǔ)空間少，讀寫速度快[15]。可采用直接轉(zhuǎn)換的方式，不涉及屬性的拆分與重組，在小型GIS軟件平臺(tái)(如GlobalMapper)即可完成轉(zhuǎn)換[16]。如圖1(b)為對(duì)某專用線收集到的環(huán)保、地質(zhì)資料，進(jìn)行從地理空間數(shù)據(jù)庫向AutoCAD平面投影坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

圖1 在GlobalMapper平臺(tái)上進(jìn)行簡(jiǎn)單地理空間數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換

Shapefile格式數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換遇到的另外一種情況是圖層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是地理要素種類繁多，如南美洲某鐵路項(xiàng)目收集到1∶5 000和1∶25 000地形圖近千幅，每幅圖地理要素種類達(dá)120余個(gè)。如果采用逐圖逐要素的輸出方法是不現(xiàn)實(shí)的。因此，決定采用分區(qū)域相鄰多圖幅輸入、合并輸出的方式(如圖2(a)所示)，并采用FME平臺(tái)，將同類要素輸入到同一圖層(如圖2(b)所示)。如道路邊線、道路盡頭以及其他道路附屬設(shè)施均歸入道路層，提高了輸出和后期編輯效率。

圖2 圖幅拼接及圖層要素合并

1.2 Mapinfo格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

有些簡(jiǎn)單的地理空間數(shù)據(jù)集也采用Mapinfo數(shù)據(jù)格式，這一類數(shù)據(jù)主要以表(Tab)的形式存儲(chǔ)，其圖層字段屬性包含信息較多，轉(zhuǎn)換過程中可以按某一字段屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)扇出。數(shù)據(jù)分離(Split Export)設(shè)置和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分離設(shè)置和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出流程

1.3 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換過程中的投影變換及精度驗(yàn)證

地理空間數(shù)據(jù)集一般采用大地坐標(biāo)系，而工程建設(shè)需要將其轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)系，即高斯投影正算。

已知某點(diǎn)在橢球面上的大地坐標(biāo)(B，L)，求其在高斯平面上的坐標(biāo)(x，y)，稱其為高斯投影正算[17]。實(shí)用公式為

(1)

C0、C1、C2、C3、a、e2、e′2是與橢球參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

由式(1)可知，投影變換的精度取決于泰勒級(jí)數(shù)展開時(shí)近似項(xiàng)的損失以及橢球參數(shù)的選擇，數(shù)據(jù)精度主要由原始數(shù)據(jù)自身精度決定。為確保地圖可用性，應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換成果進(jìn)行精度驗(yàn)證?？刹捎酶呔葘?dǎo)航數(shù)據(jù)實(shí)施驗(yàn)證(如圖4)。

圖4 對(duì)轉(zhuǎn)換后的地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證

2 中型地理空間數(shù)據(jù)集的轉(zhuǎn)換

2.1 中型地理空間數(shù)據(jù)集特點(diǎn)

部分中型地理空間數(shù)據(jù)集采用ArcGIS Coverage格式存儲(chǔ)，這類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較Shapefile格式復(fù)雜。以西亞某鐵路項(xiàng)目為例[18]：植被圖層(Veg_a)輸出時(shí)，除了輪廓線以外，還需要添加文字圖層(name)作為植被注記；高程點(diǎn)層(Ele_p)輸出時(shí)，除了輸出高程點(diǎn)符號(hào)以外，還需賦高程值(Z_position)及增加高程注記(如表1)。

表1 屬性字段映射關(guān)系(部分)

2.2 語義轉(zhuǎn)換

ArcGIS軟件的FME Spatial ETL Tool工具可提供超過100種不同空間數(shù)據(jù)格式的相互轉(zhuǎn)換。它不再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題簡(jiǎn)單看作是從一種格式到另一種格式的變換，而是力求將不同要素合并輸出，這種個(gè)性化的定制及輸出過程可稱之為語義轉(zhuǎn)換[19]，空間地理信息數(shù)據(jù)語義轉(zhuǎn)換模型如圖5所示。

圖5 地理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換語義轉(zhuǎn)換模型

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析及必要的語義轉(zhuǎn)換之后，在FME Spatial ETL Tool中進(jìn)行轉(zhuǎn)換模塊定義(如圖6(a)所示)，以及交通資料層的(Tra_l和高程點(diǎn)層(Ele_p)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如圖6(b)所示。

圖6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

3 大型地理空間數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換

3.1 大型地理空間數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)

大型地理空間數(shù)據(jù)庫主要用來存儲(chǔ)國家基礎(chǔ)比例尺地圖，數(shù)據(jù)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且具有綜合性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余。

(1)綜合性

大型地理空間數(shù)據(jù)庫圖層種類齊全。以國家1∶50 000地形圖為例，其包括定位基礎(chǔ)、水系、居民地及設(shè)施、交通、管線、境界與政區(qū)、地貌與土質(zhì)、植被層、地名及注記，分為9個(gè)數(shù)據(jù)類34個(gè)數(shù)據(jù)層，幾乎涵蓋了國民經(jīng)濟(jì)各部門關(guān)注的地理空間信息。

(2)復(fù)雜性

以國家2015年版1∶50 000地形圖為例，GDB數(shù)據(jù)庫分層的命名采用4個(gè)字符，第1個(gè)字符代表數(shù)據(jù)分類，第2、3個(gè)字符是數(shù)據(jù)內(nèi)容的縮寫，第4個(gè)字符代表幾何類型。每個(gè)數(shù)據(jù)層具有1～11個(gè)屬性。如公路層LRDL的屬性見表2。

表2 LRDL公路圖層屬性(部分)

(3)信息與數(shù)據(jù)冗余

以國家1∶50 000地形圖為例，GDB數(shù)據(jù)庫包含34個(gè)數(shù)據(jù)類(53個(gè)中類、437個(gè)子類要素)，每個(gè)數(shù)據(jù)類又包含若干屬性，這些屬性信息之間存在一定的信息冗余，如境界與政區(qū)的BOUA、BOUL的部分屬性重復(fù)。另外，由于各行業(yè)應(yīng)用的差異，部分?jǐn)?shù)據(jù)在特征行業(yè)應(yīng)用中沒有實(shí)際作用。因此，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，應(yīng)該進(jìn)行有效的過濾和重組。

3.2 大型地理空間數(shù)據(jù)庫向AutoCAD的地圖轉(zhuǎn)換

以華北某鐵路勘察設(shè)計(jì)投標(biāo)項(xiàng)目為例，其基礎(chǔ)測(cè)繪資料稀缺，收集到的MDB、GDB格式數(shù)據(jù)均采用大地坐標(biāo)，無法直接用于鐵路選線設(shè)計(jì)?？稍贔ME軟件平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和投影變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)各圖層，類別，屬性要素的解釋、分解、重組和輸出，該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)龐大，后處理周期較長，其關(guān)鍵技術(shù)方案如下。

(1)數(shù)據(jù)版本的確認(rèn)

MDB、GDB數(shù)據(jù)版本的變更，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取失敗。因此，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前，應(yīng)該確認(rèn)原始數(shù)據(jù)的版本。當(dāng)待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)版本與轉(zhuǎn)換模板的數(shù)據(jù)版本不一致時(shí)，需要在工作空間和讀入函數(shù)中設(shè)置參數(shù)，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)版本的確定

(2)高斯投影正算的參數(shù)定義

待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出的同時(shí)，一般都要進(jìn)行投影變換。FME提供了用戶自定義坐標(biāo)系模式，以此實(shí)現(xiàn)高斯投影正算，如克氏橢球1954年北京坐標(biāo)系(中央子午線120°)的參數(shù)配置文件如下：

COORDINATE_SYSTEM_DEF 北京1954-120

GROUP ASIA PARM1 120

DESC_NM “BJ54_3d_120” ORG_LAT 0

DT_NAME BEIJING X_OFF 500000.000

PROJ TM Y_OFF 0.000

UNIT METER QUAD 1

EL_NAME KRASOV ZERO_X 0.000000001

SCL_RED 1 ZERO_Y 0.000000001

(3)處理數(shù)據(jù)冗余

為了避免重復(fù)輸出點(diǎn)、線、面、注記要素，以及本行業(yè)不使用的圖層。FME平臺(tái)使用AttributeFilter函數(shù)對(duì)冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分、過濾，再對(duì)過濾后的感興趣數(shù)據(jù)進(jìn)行重組[20]，部分處理模塊如圖8所示。

圖8 處理數(shù)據(jù)冗余采用的AttributeFilter函數(shù)

GDB原始數(shù)據(jù)如圖9(a)所示，經(jīng)過FME轉(zhuǎn)換過后的數(shù)據(jù)如圖9(b)所示，經(jīng)AutoCAD圖形編輯完成的地圖成果如圖9(c)所示。

4 結(jié)論

地理空間數(shù)據(jù)庫無法直接應(yīng)用于鐵路勘察設(shè)計(jì)，從數(shù)據(jù)庫向AutoCAD的地圖轉(zhuǎn)換是鐵路建設(shè)項(xiàng)目前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備面臨的重要課題。以南美洲某鐵路、西亞某鐵路、華北地區(qū)某鐵路為例，對(duì)不同規(guī)模的數(shù)據(jù)庫向AutoCAD的地圖轉(zhuǎn)換進(jìn)行了歸納總結(jié)。不同規(guī)模的數(shù)據(jù)庫宜采用不同的處理平臺(tái)：簡(jiǎn)單地理空間數(shù)據(jù)集的轉(zhuǎn)換可在小型GIS平臺(tái)GlobalMapper下完成；中型數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換可采用ArcGIS平臺(tái)嵌入的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具；大型、復(fù)雜數(shù)據(jù)庫可采用FME實(shí)現(xiàn)；地理空間數(shù)據(jù)庫具有綜合性、復(fù)雜性，并且數(shù)據(jù)冗余普遍存在，在行業(yè)應(yīng)用中應(yīng)該優(yōu)先選取感興趣的圖層及屬性字段，進(jìn)行必要的語義重組，提高轉(zhuǎn)換和應(yīng)用效率。