河道地形数据GIS入库方法

丁龙远,聂时贵,陶冬冬,赵崇亮

(1.江苏省基础地理信息中心,江苏南京 210013;2.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098)

河道地形数据在江河沿岸经济建设、水资源开发利用、防洪减灾、河床演变研究等领域是不可或缺的基础信息,是江河整治和水利工程规划建设的依据。我国河道地形测量历史悠久,资料丰富。一方面,几十年来大江大河和河道测图堆积如山,另一方面,随着现代GPS定位测量技术的发展,以及水下地形扫测系统问世,河道测量的速度加快、测次频繁,大量乃至海量河道测量信息不断涌现,因此需要对河道地形信息进行计算机管理,并进行深度开发与利用[1],拓宽原CAD河道地形数据的使用范围。

目前,河道地形数据主要是在AutoCAD环境下制图。AutoCAD作为强大的图形编辑软件在图形数据的采集、编辑方面有着独特的优势,现有的许多地形数据的成果都采用CAD格式,CAD技术在工程勘测、设计和规划管理部门有着广泛应用。但是CAD技术难以支持测量信息的时空管理和更高层次的信息资源开发利用,这是因为在CAD环境中地形对象与其属性分离,不支持空间分析。由于GIS可以对已有的数据进行理解、分析和管理,将信息与相应的地理位置相关联,在建立数据库方面有其得天独厚的优势,而传统的CAD地形数据在河道地形分析方面存在不足。采用GIS技术进行河道地形信息建库,有利于河道的相关地形分析。

本文利用ArcGIS软件以及部分基于ArcEngine的程序,对在CAD河道地形数据转换入库(GIS)过程中涉及的高程点数据的获取、等高线高程的确定、高程数据粗差探测等方面进行研究。

1 河道地形数据转换入库

河道通常较长,河道地形数据来自不同的测量单位以及同一单位不同的测量年份,其测图与成图方式有可能不同,有必要对CAD数据源进行分析,采用最合适的方法提取相应数据,特别是等深(高)线与高程点数据,作为河道DEM生成的高程数据源。在进行数据提取之前,首先要进行数据预处理,保证高程点数据与等高线数据在对应的层上,确定平面坐标空间参考与高程点基准面是否正确[2]。

1.1 CAD数据转换入库

AutoCAD地形图的数据格式有DWG和DXF 2种,本文的数据源为DWG格式。利用ArcGIS的ArcToolBox模块的转换工具 ArcToolBox-ConversionTools-To Geodatabase-Import from CAD,将DWG文件转换为File Geodatabase。转换得到的File Geodatabase中包含有Point,Line,Area和CadDoc 4个图层以及 XtrProp,XData,TxtProp,MSLink,Entity,CadLayer,Attrib等属性表。可以在ArcGIS中直接浏览空间图形以及转换后相应的属性表。这些属性表和空间图形要素是由EntID字段关联的。本文研究所需要的地形数据(等高线、等高点)就包含在Point和Line 2个图层中。

经过转换后数据中每个要素通过EntID字段可以在对应的属性表中找到对应的所有属性,其中字段Txt值即为注记的文本值。正是通过这种一一对应关系,可以分别将高程点和注记点从Point层中提取出来,将等高线从Line层中提取出来。其他空间信息的整理与转换不在本文的范围内,在此不作研究。

1.2 地形数据分析

1.2.1高程点

地形图中高程点与高程点注记一般有2种情况:①高程点包括在注记对象中;②高程点与注记点分离。

a.高程点包括在注记对象中。包括2种情况:①前面是整数部分文本对象,中间是点对象,后面是小数部分文本对象。3个对象独立分布,点对象代表高程点,如图1(a)所示。②只有一个数值对象,小数点对应的坐标就是高程点的坐标,如图1(b)所示。

图1 高程数据点的2种不同样式(单位:m)

b.高程点与注记点分离。高程信息一般是由高程点和注记点2个部分组成。其中高程点本身不带属性,高程信息由对应的注记点表示,高程点和注记点在空间位置上比较接近,得到了注记点的数值也就得到了高程点的高程,因此主要讨论注记值的获取。注记一般有2种情况:①由多个对象组成,包括整数部分、小数点和小数部分,几个部分彼此独立;②只有单个对象,可以直接获得完整的高程信息。

1.2.2等高线

在河道地形数据中,等高线占有很重要的地位,但是在实际CAD地形图中由于各类要素的相互交错或者覆盖,等高线中不连续(存在大量断点)的情况普遍存在。这是由于作图人员是从出图效果考虑的,忽视了数据的完整性,从而破坏了等高线的连续性,无法满足GIS系统中等高线应完整且闭合的要求,因此需要对这些断线进行连接。

1.3 地形数据的提取方法

1.3.1高程点的提取

a.对于图1(a)的情况,CAD中高程点经转换提取后在GIS数据中的表现如图2所示。1个注记就分成了3个部分(3个单独的点):整数部分、小数点、小数部分。中间点的坐标就是高程点的坐标。由于在CAD中注记以块的形式表现,虽然被分成了3个单独的点,但是在空间位置上这3个点是在1条直线上的。同时,这3个点可以通过属性标记区分,分别为 ZX(整数)、SX(小数)、DAIMA(代码),可以将整数点、小数点和高程点分别从注记点层中分离出来,然后从高程点以一定半径做缓冲区,加上共线这个规律就能将整数和小数部分组合到高程点中,如图3所示。

图2 提取后的注记点(单位:m)

图3 高程点提取赋值过程

b.对于图1(b)的情况,经程序转换后得到的注记点坐标就是高程点坐标,并且包含高程值,无需处理。

c.对于1.2节中b的第①种情况,注记部分处理类似1.2节a,但是与1.2节a的区别在于:中间点坐标为注记点坐标,高程点与注记点分离,高程点和注记点坐标在空间位置上相邻且比较接近。首先用1.2节a中提到的方法将整数部分和小数部分整合到注记点上,然后从高程点以一定半径做缓冲,在缓冲区内一般只有1个点,即为高程点对应的注记点,如果超过1个点,取最近的注记点,最后将注记点的文本属性赋给高程点即得到高程点高程。

d.对于 1.2节中 b的第 ② 种情况,类似1.3.1节中的c,从高程点处开始以一定半径做缓冲,取最近的注记点,将注记点的文本属性赋给高程点即得到高程点高程。

1.3.2等高线的提取

CAD中等高线经转换后在GIS数据中的表现如图4所示。等高线为虚线,且不连续,需要将等高线进行连接。

图4 转换后的等高线(没有高程属性)

通过分析可以发现:相邻等高线段之间距离不是很远,而且原来在一条等高线上的线段走向都是一致的。因此首先从某条等高线段开始以距离为约束条件,找到离搜索线最近的线对象。具体过程如下:以每条线的某个端点做缓冲,判断其余线落入缓冲区的条数,当多于1条线时减小半径,没有线对象落入缓冲区时增加半径,直到搜索到唯一的1条线[3]。

但实际中距离搜索线最近的并不一定是应该连接的线对象,因此在距离约束的同时还需要加入角度约束条件,即连接线起始2点连线的方向与搜索线最后2点连线的延长线方向的夹角应为最小。因此应该设置一个用于判断连接线是否满足角度的约束条件,否则错误率比较高[3]。

在所有等高线连接完成后需要给等高线赋值。由于等高线分为首曲线、计曲线、间曲线与助曲线,在提取等高线的时候属性中是带有等高线性质字段的,因此在赋值的时候要根据等高线的性质区别对待。给等高线赋值的方法是给最高、最低点人工赋值,其余的自动赋值。具体过程如下:分别在最高、最低等高线上取1点,使连接的直线与所有的等高线基本垂直。由于等高线是闭合的曲线,因此这条直线与最高、最低等高线之间的所有等高线都会有一个交点,这个交点又位于直线上,在直线上与等高线相交的地方分别插入节点,这样按节点顺序(即按照等高线高程的高低顺序)遍历直线的节点,每个节点可以获得1条等高线,在确定等高距的情况下即可对所有等高线赋值。其中间曲线按1/2等高距赋值,助曲线按1/4等高距赋值。处理结果如图 5所示。

图5 连接赋值后的等高线(单位:m)

2 地形数据检查

在等高线与高程点的提取过程中,不可避免地会带来数据误差,所以必须对提取的数据进行检查。数据误差包括原始资料误差、采点设备误差、人为误差等。原始资料误差、采点设备误差以及内插误差很难消除,而最容易消除,但又经常被忽视的是人为误差即粗差。数字化过程中对点、线高程的错误赋值以及对一些特殊地形、地貌的错误描述很常见。如高程点负号的丢失、位数的不一致,等高线数据高程值的赋值错误等,除可以采用人工对比法以外,还可以采用多种算法进行高程粗差剔除,如基于不同大小窗口的移动曲面拟合法[5]、基于坡度剔除粗差的方法、基于三维可视化的方法、各种插值方法值的对比等。对于河道突然的隆起与深坑旋涡的地貌进行敏感性分析,排除假性地貌。其中基于三维可视化的方法比较简单实用,在具体工作中可利用高程点、等高线数据生成TIN数据,对突变地貌与原始数据进行比对。如图6、图7所示,就是运用三维可视化方法发现数据中的1处错误(-33.7被解释为33.7,负号丢失)。

图6 原始高程点错误处(单位:m)

DEM是河道地形数据入库后的主要表达形式之一,当高程点、等高线数据提取并检查以后,就可以进行DEM的构建。

图7 TIN中发现错误处(单位:m)

3 结 语

河道地形数据的应用和需求相当广泛,地形数据是构建高精度DEM的基础。笔者对在CAD河道地形数据转换入库(GIS)过程中涉及的高程点数据的获取、等高线高程的确定、高程数据粗差探测等方面进行研究,实现了在少量人工质量控制的前提下高效率地将CAD河道地形数据向GIS数据自动转换与入库。该高程数据提取方法具有准确、快捷和实用的特点。

[1]丁贤荣,王文,杨涛,等.河道数字地形信息系统与长江镇扬河段GIS研制[J].河海大学学报:自然科学版,2001,29(4):116-119.

[2]许捍卫,何江,柯红军,等.长江江苏段河道DEM建立方法研究[J].测绘工程,2006,15(4):33-36.

[3]蒋淼,张琴.基于ArcGIS Engine的水下间断等高线自动连接研究[J].现代测绘,2008,31(3):32-34.

[4]杨晓云,顾利亚,岑敏仪,等.基于不同大小窗口的移动曲面拟合法探测不规则DEM粗差的一种方法[J].测绘学报,2005,34(2):148-153.