DWG图形文件直接生成DEM的方法和实现
ＤＷＧ图形文件直接生成ＤＥＭ的方法和实现
[来源：本站 | 时间:2008-07-30 | 文章点击：158| 评论:0条| 字体：大 中 小]
摘要：以长江武汉河段2004年7月地形图为例，通过运用GIS软件（Arc/Info）及编写程序，探索一种能直接快速地从ACAD的DWG格式的图形文件中提取地形信息，并进行数据格式转换输入GIS软件内插形成DEM的方法。这种方法可以最大限度地利用地形图信息，以较低的成本快速获取具有较高精度的DEM数据，有效提高了数字化的效率和精度，使GIS技术作为工具能够更好地应用在河道演变、河型分析、泥沙淤积分析等水利领域的科学研究中。 关键词：数字高程模型；AutoCAD；数据转换；水利 中图分类号：TP391文献标志码：A 文章编号：1001－3695(2007)05－0295－03 0引言 GIS是存储、管理和分析空间数据的有效工具与技术系统。作为多种学科交叉的产物，它不仅应用于地理、地质等专业领域,目前也广泛应用于水利、电力、交通、环保等各个领域。DEM(数字高程模型)是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。它作为地球空间框架数据的基本内容和其他各种地理信息的载体，是各种地学分析的基础数据，自然也是GIS的基本内容，特别是GIS中的三维可视化和虚拟现实更是离不开DEM。 在基于GIS的河道演变及泥沙淤积分析中，运用GIS软件在DEM的基础上生成等高线、河道2Ｄ/3Ｄ模型和任意断面的形态图,GRID运算后产生任意时段、任意区域的冲淤图、冲淤等值线和冲淤3Ｄ形态图等来显示和分析河道的冲淤分布与岸线的变化。在河型分类指标参数量化研究中，可从DEM中获取河宽、河道转折角、河道弯曲度、河道宽长比值、河流节点数等河道几何形态指标的量化值进行分类。在基于DEM的分布式水文模型中,通过DEM可提取包含流域网格单元的坡度、坡向以及单元之间的关系等大量陆地表面形态信息,同时根据一定的算法确定地表示水流路径、河流网络和流域的边界，在DEM所划分的流域单元上建立水文模型,进行地表水和地下水的演算。 但是在工作中能得到的河道地形资料基本是ACAD的DWG格式的图形文件。其属性数据的主要描述依靠图层和注记，在GIS软件中只能浏览不能用来分析和计算。必须将ACAD的DWG格式的图形文件数字化，从中提取地形信息，内插生成DEM。 目前地图数字化的方法主要有两种：①数字化仪数字化。通称的数字化仪实质是图形数字化仪，是—种将图示坐标转换为数字信息的设备。数字化的过程,即用数字化仪对原图的地形特征点逐点进行采集(
称手按数字化)，将数据自动传输到计算机处理成数字地图的过程。数字化图的精度一般低于原图的精度，且受到操作人员经验技能的影响很大。②扫描仪数字化。扫描仪实质是图像(含图形)数字化仪。图在扫描仪上走—遍，即完成图的扫描数字化获得栅格图形数据，再将栅格数据转换为矢量数据,即矢量化。扫描仪尤其是大幅面扫描仪价格昂贵，从而大大提高了图形数字化的成本。在扫描过程中，纸张变形、操作人员熟练程度、扫描矢量化软件的功能不全等因素都会带来误差，影响数字化质量。 这两种方法都是将ACAD的DWG格式的图形文件打印成纸图再进行处理得到数据输入计算机。其在输出和输入的过程中损失了原图的精度，同时对操作人员技术水平和设备配置的要求很高。 1数字高程模型的建立 1．1在DXF文件中提取坐标点及高程值 DXF(Drawing Interchange File，图形交换文件)是AutoCAD中用来进行图形信息交换的中性文件。它是一种ASCII码文本文件，能被绝大多数软件应用程序所读写。在DXF文件中，关键是如何得到模型上各个点的坐标，进而绘制出整个模型。表1以一段DXF文件为例，分析其结构，从中读取所需要的X、Y、Z值。 可以看出，在常见的地形图中，点高程并没有赋到Z坐标上，而是以文字(Text)形式标注在地形图上，因此要读取的Z坐标不是40的内容而应该是1的内容。将ACAD的DWG格式的图形文件另存为DXF格式，用Visual C 6.0 编程读取DXF文件，输出X、Y、Z值，格式如图1所示。外业直接测量得到的数据也可以保存为文本格式进行转换。 2.9标高值 (2)用Autolisp编写程序，将圆圈改成点。如果水深值换成高程值或者高程值换成水深值，则先计算改值后再将圆圈改成点，并转换为DXF格式。 由于制图标准不规范，不同的地形图所带属性信息多少和方式各有不同。大部分地形图高程值都是以文本形式标注的，转换过程从在DXF文件中提取坐标点及高程值开始。有一些地形图在文本标注的旁边已经绘制了带有高程属性的小圆圈，则转换过程直接从(2)开始。 1．3将DXF格式的离散点图导入Arc/Info (1)利用Arc/Info Desktop的ArcCatalog新建一个地理数据库（GeoDatabase）。 (2)利用Arc/Info Desktop的ArcToolBox中的转换工具将DXF格式的离散点图转换为Arc/Info的GeoDatabase。命令为ArcToolBox—ConversionTools—Export from CAD—CAD to GeoDatabase，保存到GeoDatabase的点要素数据集中。 图2为导入Arc/Info的长江武汉河段潜洲到武昌深槽段(2004年7月)离散高程点图。 值得注意的是，没有校准的矢
量数据及栅格数据是没有太大使用价值的，很多基本的空间分析操作都要求数据指定坐标系统，同时可以指定输出结果的坐标系统。所以建立一个新的要素数据集必须定义其空间参考，包括坐标系统（地理坐标或投影坐标）、坐标域（最小的X、Y、Z值及精度）。数据集中所有要素类用相同的坐标系统，所有要素类的所有要素坐标必须在域的范围内。由于原图采用的是北京1954坐标系，采用的空间参考是GCS_Beijing_1954，Coordinate System Gauss_Kruger，空间分析的范围是Top－Bottom(3 382 282.160 906~3 375 686.746 996)，Left－Right(523 696.803 995~527 784.094 447)。 1．4内插生成DEM (1)由离散要素点插值生成连续表面的栅格数据 ArcGIS空间分析扩展模块提供了功能强大的空间建模和分析工具，利用这个扩展模块可以创建基于栅格的数据。可用的空间插值方法主要有反距离权重插值(IDW)、样条插值(Spline)和克里格插值(Kriging)。由于样本点较多且分布均匀，插值方法对插值结果的影响不大，采用的是反距离权重插值。命令为Spatial Analyst—Interpolate to Raster—Inverse Distance Weighted。 反距离权重插值中，下面几个参数的选择直接影响到插值后结果的精确度： ①幂(Power)。如果定义高幂，预测结果的表面将有更多细节，但拟合面不够光滑；如果定义低幂，可以得到比较平滑的表面但不够细致。 ②搜索半径(Search Radius)。如果输入的样本点数量充足、空间分布较为规范，可选择固定搜索半径类型；如果输入样本点数量较少且随机分布，则选择可变搜索半径类型效果较好。 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器下载安装 原版全文 摘要：以长江武汉河段2004年7月地形图为例，通过运用GIS软件（Arc/Info）及编写程序，探索一种能直接快速地从ACAD的DWG格式的图形文件中提取地形信息，并进行数据格式转换输入GIS软件内插形成DEM的方法。这种方法可以最大限度地利用地形图信息，以较低的成本快速获取具有较高精度的DEM数据，有效提高了数字化的效率和精度，使GIS技术作为工具能够更好地应用在河道演变、河型分析、泥沙淤积分析等水利领域的科学研究中。 关键词：数字高程模型；AutoCAD；数据转换；水利 中图分类号：TP391文献标志码：A 文章编号：1001－3695(2007)05－0295－03 0引言 GIS是存储、管理和分析空间数据的有效工具与技术系统。作为多种学科交叉的产物，它不仅应用于地理、地质等专业领域,目前也广泛应用于水利、电力、交通、环保等各个领域。DEM(数字高程模型)是地形表面形态属性信息的数
字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。它作为地球空间框架数据的基本内容和其他各种地理信息的载体，是各种地学分析的基础数据，自然也是GIS的基本内容，特别是GIS中的三维可视化和虚拟现实更是离不开DEM。 在基于GIS的河道演变及泥沙淤积分析中，运用GIS软件在DEM的基础上生成等高线、河道2Ｄ/3Ｄ模型和任意断面的形态图,GRID运算后产生任意时段、任意区域的冲淤图、冲淤等值线和冲淤3Ｄ形态图等来显示和分析河道的冲淤分布与岸线的变化。在河型分类指标参数量化研究中，可从DEM中获取河宽、河道转折角、河道弯曲度、河道宽长比值、河流节点数等河道几何形态指标的量化值进行分类。在基于DEM的分布式水文模型中,通过DEM可提取包含流域网格单元的坡度、坡向以及单元之间的关系等大量陆地表面形态信息,同时根据一定的算法确定地表示水流路径、河流网络和流域的边界，在DEM所划分的流域单元上建立水文模型,进行地表水和地下水的演算。 但是在工作中能得到的河道地形资料基本是ACAD的DWG格式的图形文件。其属性数据的主要描述依靠图层和注记，在GIS软件中只能浏览不能用来分析和计算。必须将ACAD的DWG格式的图形文件数字化，从中提取地形信息，内插生成DEM。 目前地图数字化的方法主要有两种：①数字化仪数字化。通称的数字化仪实质是图形数字化仪，是—种将图示坐标转换为数字信息的设备。数字化的过程,即用数字化仪对原图的地形特征点逐点进行采集(称手按数字化)，将数据自动传输到计算机处理成数字地图的过程。数字化图的精度一般低于原图的精度，且受到操作人员经验技能的影响很大。②扫描仪数字化。扫描仪实质是图像(含图形)数字化仪。图在扫描仪上走—遍，即完成图的扫描数字化获得栅格图形数据，再将栅格数据转换为矢量数据,即矢量化。扫描仪尤其是大幅面扫描仪价格昂贵，从而大大提高了图形数字化的成本。在扫描过程中，纸张变形、操作人员熟练程度、扫描矢量化软件的功能不全等因素都会带来误差，影响数字化质量。 这两种方法都是将ACAD的DWG格式的图形文件打印成纸图再进行处理得到数据输入计算机。其在输出和输入的过程中损失了原图的精度，同时对操作人员技术水平和设备配置的要求很高。 1数字高程模型的建立 1．1在DXF文件中提取坐标点及高程值 DXF(Drawing Interchange File，图形交换文件)是AutoCAD中用来进行图形信息交换的中性文件。它是一种ASCII码文本文件，能被绝大多数软件应用程序所读写。在DXF文件中，关键
是如何得到模型上各个点的坐标，进而绘制出整个模型。表1以一段DXF文件为例，分析其结构，从中读取所需要的X、Y、Z值。 可以看出，在常见的地形图中，点高程并没有赋到Z坐标上，而是以文字(Text)形式标注在地形图上，因此要读取的Z坐标不是40的内容而应该是1的内容。将ACAD的DWG格式的图形文件另存为DXF格式，用Visual C 6.0 编程读取DXF文件，输出X、Y、Z值，格式如图1所示。外业直接测量得到的数据也可以保存为文本格式进行转换。 2.9标高值 (2)用Autolisp编写程序，将圆圈改成点。如果水深值换成高程值或者高程值换成水深值，则先计算改值后再将圆圈改成点，并转换为DXF格式。 由于制图标准不规范，不同的地形图所带属性信息多少和方式各有不同。大部分地形图高程值都是以文本形式标注的，转换过程从在DXF文件中提取坐标点及高程值开始。有一些地形图在文本标注的旁边已经绘制了带有高程属性的小圆圈，则转换过程直接从(2)开始。 1．3将DXF格式的离散点图导入Arc/Info (1)利用Arc/Info Desktop的ArcCatalog新建一个地理数据库（GeoDatabase）。 (2)利用Arc/Info Desktop的ArcToolBox中的转换工具将DXF格式的离散点图转换为Arc/Info的GeoDatabase。命令为ArcToolBox—ConversionTools—Export from CAD—CAD to GeoDatabase，保存到GeoDatabase的点要素数据集中。 图2为导入Arc/Info的长江武汉河段潜洲到武昌深槽段(2004年7月)离散高程点图。 值得注意的是，没有校准的矢量数据及栅格数据是没有太大使用价值的，很多基本的空间分析操作都要求数据指定坐标系统，同时可以指定输出结果的坐标系统。所以建立一个新的要素数据集必须定义其空间参考，包括坐标系统（地理坐标或投影坐标）、坐标域（最小的X、Y、Z值及精度）。数据集中所有要素类用相同的坐标系统，所有要素类的所有要素坐标必须在域的范围内。由于原图采用的是北京1954坐标系，采用的空间参考是GCS_Beijing_1954，Coordinate System Gauss_Kruger，空间分析的范围是Top－Bottom(3 382 282.160 906~3 375 686.746 996)，Left－Right(523 696.803 995~527 784.094 447)。 1．4内插生成DEM (1)由离散要素点插值生成连续表面的栅格数据 ArcGIS空间分析扩展模块提供了功能强大的空间建模和分析工具，利用这个扩展模块可以创建基于栅格的数据。可用的空间插值方法主要有反距离权重插值(IDW)、样条插值(Spline)和克里格插值(Kriging)。由于样本点较多且分布均匀，插值方法对插值结果的影响不大，采用的是反距离权重插值。命令为Spatial Analyst—Interpolate
to Raster—Inverse Distance Weighted。 反距离权重插值中，下面几个参数的选择直接影响到插值后结果的精确度： ①幂(Power)。如果定义高幂，预测结果的表面将有更多细节，但拟合面不够光滑；如果定义低幂，可以得到比较平滑的表面但不够细致。 ②搜索半径(Search Radius)。如果输入的样本点数量充足、空间分布较为规范，可选择固定搜索半径类型；如果输入样本点数量较少且随机分布，则选择可变搜索半径类型效果较好。 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器下载安装 原版全文 ③中断线(Barrier)。它可以用来限制搜索输入样本点中断的多段线数据集，在插值过程中只考虑这一边界线同侧的样本点。 本文采用幂为2、固定搜索半径类型、搜索半径为300 m、中断线为河道水边线以及进出口断面。 值得注意的是，由于DEM数据是以网格间距大小的Cell来表示区域的高程，网格间距的大小会影响到DEM数据的精度；不仅如此，网格间距也会影响到地貌形态的反映。输出网格间距的选择要考虑到地貌特点以及DEM的应用要求。本文采用的网格间距为60 m。 (2)栅格（Raster）数据转换为DEM 利用Arc/Info Desktop的ArcToolBox中的转换工具将插值得到的栅格数据转换为DEM。命令为ArcToolBox—ConversionTools—Export from Raster—Grid to DEM。 2DEM数据检查 2．1生成晕渲图 晕渲图可以立体地反映地形的起伏变化，便于直观地发现数据中存在的问题。通过观察灰阶及颜色变化是否均匀来确定高程点、高程值标赋是否正确、有无异常值。图3为由DEM数据生成的长江武汉河段2004年7月河道地形晕渲图。在图中可以清楚地看到，白沙洲、潜洲、荒五里边滩、汉阳边滩以及武昌深槽的位置和高程。 2．2DEM数据反演生成等高线 利用GIS软件将DEM数据内插生成等高线。将生成的等高线与原始地形图等高线进行对比,以确定哪些地区高程点标赋有错,从而加以改正。 (1)利用ArcGIS空间分析扩展模块反演生成等高线。命令为Spatial Analyst—Surface Analysis—Contour。 (2)利用Arc/Info Desktop的ArcToolBox中的转换工具将生成的Shapefile格式的等高线文件转换成为DXF格式。命令为ArcToolBox—ConversionTools—Export from Shapefile—Shapefile to DXF。 (3)将DXF格式的等高线文件导入AutoCAD中，与原图中的等高线进行套合检查；检查等高线是否有较大的突变，是否存在高程点标赋错误的情况，并加以改正。 3结束语 本文在地图数字化方法上进行了一些探索，实现了运用GIS软件（Arc/Info）及编程从ACAD的DWG
格式图形文件中提取地形信息并进行数据格式转换输入GIS软件内插形成DEM。这种方法的主要特点是： （1）克服了其他数字化方法需要专业仪器支持、专业技术人员操作或者需要其他软件作为中介数据接口的问题；提高了数字化的效率、降低了数字化的难度；使GIS技术作为工具能够更好地应用在非测绘领域的科学研究中。 （2）避免了纸张变形、操作人员熟练程度，矢量化软件的功能不全等由使用仪器数字化带来的误差；最大限度地利用了地形图信息，有效地提高了数字化精度。 （3）将工程普遍使用的ACAD的DWG格式的图形文件或者外业直接测量的数据直接转换成DEM，具有较强的实用性。得到的DEM数据精度基本可满足小型应用。在DEM数据的基础上可以进行槽蓄量计算、河道冲淤演化趋势分析、河道类型的分类参数与指标量化、可视化及动态模拟、基于DEM的分布式水文模型等研究工作。 参考文献： ［1］党安荣，贾海峰，等.ArcGIS 8 Desktop 地理信息系统应用指南[M].北京：清华大学出版社，2003：489－494. 冯险峰，汪闽，等.ArcGIS空间分析实用指南[M].北京：ArcInfo中国技术咨询与培训中心，2002：135－141. 刘少华，毛红梅.利用3S技术进行河道演变分析[J].水利水电快报，2000，21（5）：12－19. 张增发，李启顺，丁贤荣.GIS支持下长江镇江河段河床演变分析[J].人民长江,2001,32(9):39－40. 余鹏，刘丽芬.利用地形图生成DEM数据的研究[J].测绘通报，1998（10）：16－18. 周勇前.GIS与CAD数据交换[J].武测科技,1996（3）:16－18. 王俊，樊红.在ArcView GIS中使用AutoCAD数据[J].测绘通报，2002（7）：56－58. [8]何孝莹,宋伟东,杨楠.空间数据在不同平台间的转换方法[J].辽宁工程技术大学学报,2004，23（4）：168－170. [9]谭理，张法.VB在DEM生产中的应用[J].四川测绘，2000，23（3）：119－120. [10]胡晋山，康建荣.地图扫描数字化误差分析及控制[J].测绘科学,2005,30(4):90－91. [11]朱洪江：1/1万地形图转入Arc/Info过程中的问题及解决方案[J].城市勘测,2003(2):25－27. [12]熊军.关于ArcGIS调用AutoCAD中的地图[J].湖北大学学报,2005,27(3):24－28. [13]张卫峰,林端敏.AutoCAD软件的DXF接口技术[J].机械与电子,2004(11):78－80. [14]韩雯.CAD中有关数据接口讨论[J].福建电脑，2004（5）：36－37. [15]方勇.基于AutoCAD的DXF文件的转换 [J].苏州职业大学学报,2003,14(8):51－53. [16]史玉红，刘聪，吴兵锐.浅谈AutoCAD的接口——DXF文件[J].山东煤炭科技,2002(1):38－39. [17]杨建新.DEM技术在河床冲淤变化分析中
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