ＤＷＧ圖形文件直接生成ＤＥＭ的方法和實(shí)現(xiàn)

摘要：以長江武漢河段2004年7月地形圖為例，通過運(yùn)用GIS軟件（Arc/Info）及編寫程序，探索一種能直接快速地從ACAD的DWG格式的圖形文件中提取地形信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換輸入GIS軟件內(nèi)插形成DEM的方法。這種方法可以最大限度地利用地形圖信息，以較低的成本快速獲取具有較高精度的DEM數(shù)據(jù)，有效提高了數(shù)字化的效率和精度，使GIS技術(shù)作為工具能夠更好地應(yīng)用在河道演變、河型分析、泥沙淤積分析等水利領(lǐng)域的科學(xué)研究中。

關(guān)鍵詞：數(shù)字高程模型；AutoCAD；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；水利

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2007)05－0295－03

0引言

GIS是存儲(chǔ)、管理和分析空間數(shù)據(jù)的有效工具與技術(shù)系統(tǒng)。作為多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物，它不僅應(yīng)用于地理、地質(zhì)等專業(yè)領(lǐng)域，目前也廣泛應(yīng)用于水利、電力、交通、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域。DEM(數(shù)字高程模型)是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。它作為地球空間框架數(shù)據(jù)的基本內(nèi)容和其他各種地理信息的載體，是各種地學(xué)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，自然也是GIS的基本內(nèi)容，特別是GIS中的三維可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)更是離不開DEM。

在基于GIS的河道演變及泥沙淤積分析中，運(yùn)用GIS軟件在DEM的基礎(chǔ)上生成等高線、河道2Ｄ/3Ｄ模型和任意斷面的形態(tài)圖，GRID運(yùn)算后產(chǎn)生任意時(shí)段、任意區(qū)域的沖淤圖、沖淤等值線和沖淤3Ｄ形態(tài)圖等來顯示和分析河道的沖淤分布與岸線的變化。在河型分類指標(biāo)參數(shù)量化研究中，可從DEM中獲取河寬、河道轉(zhuǎn)折角、河道彎曲度、河道寬長比值、河流節(jié)點(diǎn)數(shù)等河道幾何形態(tài)指標(biāo)的量化值進(jìn)行分類。在基于DEM的分布式水文模型中，通過DEM可提取包含流域網(wǎng)格單元的坡度、坡向以及單元之間的關(guān)系等大量陸地表面形態(tài)信息，同時(shí)根據(jù)一定的算法確定地表示水流路徑、河流網(wǎng)絡(luò)和流域的邊界，在DEM所劃分的流域單元上建立水文模型，進(jìn)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資料基本是ACAD的DWG格式的圖形文件。其屬性數(shù)據(jù)的主要描述依靠圖層和注記，在GIS軟件中只能瀏覽不能用來分析和計(jì)算。必須將ACAD的DWG格式的圖形文件數(shù)字化，從中提取地形信息，內(nèi)插生成DEM。

目前地圖數(shù)字化的方法主要有兩種：①數(shù)字化儀數(shù)字化。通稱的數(shù)字化儀實(shí)質(zhì)是圖形數(shù)字化儀，是—種將圖示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息的設(shè)備。數(shù)字化的過程，即用數(shù)字化儀對原圖的地形特征點(diǎn)逐點(diǎn)進(jìn)行采集(稱手按數(shù)字化)，將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理成數(shù)字地圖的過程。數(shù)字化圖的精度一般低于原圖的精度，且受到操作人員經(jīng)驗(yàn)技能的影響很大。②掃描儀數(shù)字化。掃描儀實(shí)質(zhì)是圖像(含圖形)數(shù)字化儀。圖在掃描儀上走—遍，即完成圖的掃描數(shù)字化獲得柵格圖形數(shù)據(jù)，再將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，即矢量化。掃描儀尤其是大幅面掃描儀價(jià)格昂貴，從而大大提高了圖形數(shù)字化的成本。在掃描過程中，紙張變形、操作人員熟練程度、掃描矢量化軟件的功能不全等因素都會(huì)帶來誤差，影響數(shù)字化質(zhì)量。

這兩種方法都是將ACAD的DWG格式的圖形文件打印成紙圖再進(jìn)行處理得到數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。其在輸出和輸入的過程中損失了原圖的精度，同時(shí)對操作人員技術(shù)水平和設(shè)備配置的要求很高。

1數(shù)字高程模型的建立

1．1在DXF文件中提取坐標(biāo)點(diǎn)及高程值

DXF(Drawing Interchange File，圖形交換文件)是AutoCAD中用來進(jìn)行圖形信息交換的中性文件。它是一種ASCII碼文本文件，能被絕大多數(shù)軟件應(yīng)用程序所讀寫。在DXF文件中，關(guān)鍵是如何得到模型上各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而繪制出整個(gè)模型。表1以一段DXF文件為例，分析其結(jié)構(gòu)，從中讀取所需要的X、Y、Z值。

可以看出，在常見的地形圖中，點(diǎn)高程并沒有賦到Z坐標(biāo)上，而是以文字(Text)形式標(biāo)注在地形圖上，因此要讀取的Z坐標(biāo)不是40的內(nèi)容而應(yīng)該是1的內(nèi)容。將ACAD的DWG格式的圖形文件另存為DXF格式，用Visual C++ 6.0 編程讀取DXF文件，輸出X、Y、Z值，格式如圖1所示。外業(yè)直接測量得到的數(shù)據(jù)也可以保存為文本格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.9標(biāo)高值

(2)用Autolisp編寫程序，將圓圈改成點(diǎn)。如果水深值換成高程值或者高程值換成水深值，則先計(jì)算改值后再將圓圈改成點(diǎn)，并轉(zhuǎn)換為DXF格式。

由于制圖標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范，不同的地形圖所帶屬性信息多少和方式各有不同。大部分地形圖高程值都是以文本形式標(biāo)注的，轉(zhuǎn)換過程從在DXF文件中提取坐標(biāo)點(diǎn)及高程值開始。有一些地形圖在文本標(biāo)注的旁邊已經(jīng)繪制了帶有高程屬性的小圓圈，則轉(zhuǎn)換過程直接從(2)開始。

1．3將DXF格式的離散點(diǎn)圖導(dǎo)入Arc/Info

(1)利用Arc/Info Desktop的ArcCatalog新建一個(gè)地理數(shù)據(jù)庫（GeoDatabase）。

(2)利用Arc/Info Desktop的ArcToolBox中的轉(zhuǎn)換工具將DXF格式的離散點(diǎn)圖轉(zhuǎn)換為Arc/Info的GeoDatabase。命令為ArcToolBox—ConversionTools—Export from CAD—CAD to GeoDatabase，保存到GeoDatabase的點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)集中。

圖2為導(dǎo)入Arc/Info的長江武漢河段潛洲到武昌深槽段(2004年7月)離散高程點(diǎn)圖。

值得注意的是，沒有校準(zhǔn)的矢量數(shù)據(jù)及柵格數(shù)據(jù)是沒有太大使用價(jià)值的，很多基本的空間分析操作都要求數(shù)據(jù)指定坐標(biāo)系統(tǒng)，同時(shí)可以指定輸出結(jié)果的坐標(biāo)系統(tǒng)。所以建立一個(gè)新的要素?cái)?shù)據(jù)集必須定義其空間參考，包括坐標(biāo)系統(tǒng)（地理坐標(biāo)或投影坐標(biāo)）、坐標(biāo)域（最小的X、Y、Z值及精度）。數(shù)據(jù)集中所有要素類用相同的坐標(biāo)系統(tǒng)，所有要素類的所有要素坐標(biāo)必須在域的范圍內(nèi)。由于原圖采用的是北京1954坐標(biāo)系，采用的空間參考是GCS_Beijing_1954，Coordinate System Gauss_Kruger，空間分析的范圍是Top－Bottom(3 382 282.160 906~3 375 686.746 996)，Left－Right(523 696.803 995~527 784.094 447)。

1．4內(nèi)插生成DEM

(1)由離散要素點(diǎn)插值生成連續(xù)表面的柵格數(shù)據(jù)

ArcGIS空間分析擴(kuò)展模塊提供了功能強(qiáng)大的空間建模和分析工具，利用這個(gè)擴(kuò)展模塊可以創(chuàng)建基于柵格的數(shù)據(jù)?？捎玫目臻g插值方法主要有反距離權(quán)重插值(IDW)、樣條插值(Spline)和克里格插值(Kriging)。由于樣本點(diǎn)較多且分布均勻，插值方法對插值結(jié)果的影響不大，采用的是反距離權(quán)重插值。命令為Spatial Analyst—Interpolate to Raster—Inverse Distance Weighted。

反距離權(quán)重插值中，下面幾個(gè)參數(shù)的選擇直接影響到插值后結(jié)果的精確度：

①冪(Power)。如果定義高冪，預(yù)測結(jié)果的表面將有更多細(xì)節(jié)，但擬合面不夠光滑；如果定義低冪，可以得到比較平滑的表面但不夠細(xì)致。

②搜索半徑(Search Radius)。如果輸入的樣本點(diǎn)數(shù)量充足、空間分布較為規(guī)范，可選擇固定搜索半徑類型；如果輸入樣本點(diǎn)數(shù)量較少且隨機(jī)分布，則選擇可變搜索半徑類型效果較好。

③中斷線(Barrier)。它可以用來限制搜索輸入樣本點(diǎn)中斷的多段線數(shù)據(jù)集，在插值過程中只考慮這一邊界線同側(cè)的樣本點(diǎn)。

本文采用冪為2、固定搜索半徑類型、搜索半徑為300 m、中斷線為河道水邊線以及進(jìn)出口斷面。



值得注意的是，由于DEM數(shù)據(jù)是以網(wǎng)格間距大小的Cell來表示區(qū)域的高程，網(wǎng)格間距的大小會(huì)影響到DEM數(shù)據(jù)的精度；不僅如此，網(wǎng)格間距也會(huì)影響到地貌形態(tài)的反映。輸出網(wǎng)格間距的選擇要考慮到地貌特點(diǎn)以及DEM的應(yīng)用要求。本文采用的網(wǎng)格間距為60 m。

(2)柵格（Raster）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM

利用Arc/Info Desktop的ArcToolBox中的轉(zhuǎn)換工具將插值得到的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM。命令為ArcToolBox—ConversionTools—Export from Raster—Grid to DEM。

2DEM數(shù)據(jù)檢查

2．1生成暈渲圖

暈渲圖可以立體地反映地形的起伏變化，便于直觀地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的問題。通過觀察灰階及顏色變化是否均勻來確定高程點(diǎn)、高程值標(biāo)賦是否正確、有無異常值。圖3為由DEM數(shù)據(jù)生成的長江武漢河段2004年7月河道地形暈渲圖。在圖中可以清楚地看到，白沙洲、潛洲、荒五里邊灘、漢陽邊灘以及武昌深槽的位置和高程。

2．2DEM數(shù)據(jù)反演生成等高線

利用GIS軟件將DEM數(shù)據(jù)內(nèi)插生成等高線。將生成的等高線與原始地形圖等高線進(jìn)行對比，以確定哪些地區(qū)高程點(diǎn)標(biāo)賦有錯(cuò)，從而加以改正。

(1)利用ArcGIS空間分析擴(kuò)展模塊反演生成等高線。命令為Spatial Analyst—Surface Analysis—Contour。

(2)利用Arc/Info Desktop的ArcToolBox中的轉(zhuǎn)換工具將生成的Shapefile格式的等高線文件轉(zhuǎn)換成為DXF格式。命令為ArcToolBox—ConversionTools—Export from Shapefile—Shapefile to DXF。

(3)將DXF格式的等高線文件導(dǎo)入AutoCAD中，與原圖中的等高線進(jìn)行套合檢查；檢查等高線是否有較大的突變，是否存在高程點(diǎn)標(biāo)賦錯(cuò)誤的情況，并加以改正。

3結(jié)束語

本文在地圖數(shù)字化方法上進(jìn)行了一些探索，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用GIS軟件（Arc/Info）及編程從ACAD的DWG格式圖形文件中提取地形信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換輸入GIS軟件內(nèi)插形成DEM。這種方法的主要特點(diǎn)是：

（1）克服了其他數(shù)字化方法需要專業(yè)儀器支持、專業(yè)技術(shù)人員操作或者需要其他軟件作為中介數(shù)據(jù)接口的問題；提高了數(shù)字化的效率、降低了數(shù)字化的難度；使GIS技術(shù)作為工具能夠更好地應(yīng)用在非測繪領(lǐng)域的科學(xué)研究中。

（2）避免了紙張變形、操作人員熟練程度，矢量化軟件的功能不全等由使用儀器數(shù)字化帶來的誤差；最大限度地利用了地形圖信息，有效地提高了數(shù)字化精度。

（3）將工程普遍使用的ACAD的DWG格式的圖形文件或者外業(yè)直接測量的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成DEM，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。得到的DEM數(shù)據(jù)精度基本可滿足小型應(yīng)用。在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行槽蓄量計(jì)算、河道沖淤演化趨勢分析、河道類型的分類參數(shù)與指標(biāo)量化、可視化及動(dòng)態(tài)模擬、基于DEM的分布式水文模型等研究工作。

參考文獻(xiàn)：

［1］黨安榮，賈海峰，等.ArcGIS 8 Desktop 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：489－494.

[2]馮險(xiǎn)峰，汪閩，等.ArcGIS空間分析實(shí)用指南[M].北京：ArcInfo中國技術(shù)咨詢與培訓(xùn)中心，2002：135－141.

[3]劉少華，毛紅梅.利用3S技術(shù)進(jìn)行河道演變分析[J].水利水電快報(bào)，2000，21（5）：12－19.

[4]張?jiān)霭l(fā)，李啟順，丁賢榮.GIS支持下長江鎮(zhèn)江河段河床演變分析[J].人民長江，2001，32(9):39－40.

[5]余鵬，劉麗芬.利用地形圖生成DEM數(shù)據(jù)的研究[J].測繪通報(bào)，1998（10）：16－18.

[6]周勇前.GIS與CAD數(shù)據(jù)交換[J].武測科技，1996（3）:16－18.

[7]王俊，樊紅.在ArcView GIS中使用AutoCAD數(shù)據(jù)[J].測繪通報(bào)，2002（7）：56－58.

[8]何孝瑩，宋偉東，楊楠.空間數(shù)據(jù)在不同平臺(tái)間的轉(zhuǎn)換方法[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23（4）：168－170.

[9]譚理，張法.VB在DEM生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].四川測繪，2000，23（3）：119－120.

[10]胡晉山，康建榮.地圖掃描數(shù)字化誤差分析及控制[J].測繪科學(xué)，2005，30(4):90－91.

[11]朱洪江：1/1萬地形圖轉(zhuǎn)入Arc/Info過程中的問題及解決方案[J].城市勘測，2003(2):25－27.

[12]熊軍.關(guān)于ArcGIS調(diào)用AutoCAD中的地圖[J].湖北大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(3):24－28.

[13]張衛(wèi)峰，林端敏.AutoCAD軟件的DXF接口技術(shù)[J].機(jī)械與電子，2004(11):78－80.

[14]韓雯.CAD中有關(guān)數(shù)據(jù)接口討論[J].福建電腦，2004（5）：36－37.

[15]方勇.基于AutoCAD的DXF文件的轉(zhuǎn)換 [J].蘇州職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，14(8):51－53.

[16]史玉紅，劉聰，吳兵銳.淺談AutoCAD的接口——DXF文件[J].山東煤炭科技，2002(1):38－39.

[17]楊建新.DEM技術(shù)在河床沖淤變化分析中的應(yīng)用[J].人民珠江，2004(5):44－46.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”