DXF圖形轉換為DEM數據的方法研究

王穎 王忠慶

【摘要】隨著對遙感及GIS數據研究的不斷升溫，數字高程模型（DEM）數據的需求量也隨之增大。但現有的DEM數據量較少，目前解決這一問題主要依靠第三方軟件，無形之中大大加大了研究成本。為解決這一現存問題，故尋求一種算法，可從AutoCAD的DXF格式圖形文件中快速精準地提取地形信息，并以較低的成本快速轉換為DEM數據，可為進一步的地形信息分析提供精準的數據。

【關鍵詞】DXF文件;圖形展示;數字高程模型;數據格式轉換

Research on Data Conversion from DXF to DEM

College of Computer and Control Engineering，North University of China ?Wang Ying ?Wang Zhongqing

Abstract：with the researching of remote sensing and GIS is constantly warming，and Digital Elevation Model（DEM）data is also increasingly demanded.But now，the resources of DEM data is small can be used，just depend on the Third-party software，and increase the cost invisibly.In order to solve this problem，we are looking for a method that can extract terrain information fastly and accurately from a DXF file edited by AutoCAD，and use lower cost for the rapid conversion of DEM data.In this way，can provide accurate data for the further analysis of terrain information.

Keywords：DXF file;Graphic display;Digital Elevation Model;Data conversion

引言

遙感數據現已在農業、林業、測繪、城市規劃等多個領域得到廣泛的應用，但是遙感影像主要反映了表層的二維信息，需要經過圖像校正、配準、拼接等多源處理后才能應用于實際工作中，故其在空間圖像分析中存在很大的不確定性[1]。結合GIS的特點，為達到三維可視化和虛擬現實的效果，故需使用DEM數據。DEM（Digital Elevation Model）為數字高程模型，是地形表面形態屬性信息的數字表達，并帶有空間位置特征和地形屬性特征。并能克服遙感數據限于二維平面分析的缺點，對GIS領域的技術研究是不可或缺的重要數據來源。

1.研究現狀

DEM數據可以通過地面測量、空間傳感器采集、數字攝影測量及地圖數字化等多種方法獲取[2]。但目前，應用于具體工程的DEM數據下載源少之又少，通過上述方法獲取數據，在時間和經濟上造成過重的負擔，不利于科學研究。為了高效解決這一問題，常用的手段是借助第三方應用軟件——ArcGIS，但使用費用也是非常昂貴的。而有考慮到現今大多工程數據多用AutoCAD制圖軟件進行圖像繪制，并多以DXF格式存儲地形圖。而受AutoCAD制圖軟件本身的功能限制，雖然在DXF文件中涵蓋了地物的空間數據和屬性數據[3]，但其高程屬性只能以文字的形式體現，而不能以圖形的形式表達，不利于圖形的處理及應用分析。基于以上分析，故需尋求一種解決方法，可由DXF文件生成DEM數據。

本研究提供了一個應用軟件，以可視化的方式，實現從DXF文件到數字高程數據的轉換，由于遙感影像的存儲格式為SHP、TIFF，故選擇將生成的圖形保存為TIFF文件。

2.算法要點

2.1 數據點灰度顯示

在DXF文件中，由于無法直觀地顯示地理數據點信息，在轉換的過程中，考慮采用灰度圖顯示法對基礎數據進行初步歸類和展示。

灰度圖又稱灰階圖，是將白色與黑色之間按對數關系分為若干等級。本文用灰度圖表示不同的高程值，來表現出地勢的高低起伏。所對應的功能可通過工具條中編輯項下的計算DEM選項實現。

為了保證高程值顯示的平滑性以及延展性，不能在圖形中單單表示圖形點的高程值，這樣無法準確地反應出地形信息的變化趨勢。故采用建立Delaunay三角網的方法，實現計算每等間隔點的高程值。Delaunay三角網是由一系列連續三角形構成的網狀的平面控制圖形，是三角測量中布設連續三角形的兩種主要擴展形式，同時向各方向擴展而構成網狀，具有較高的圖形強度，點位分布均勻、各點之間相互牽制[4]。使用Delaunay三角網建立三角網格對于信息點離散的圖形可以保持良好的嚴密性與唯一性，滿足系統需求。

三角網的建立順序是隨機產生的，在面對實際工程數據時，計算每等間隔點的高程值的數量是極為龐大的（為保證建立的DEM數據圖形更加平滑連貫，所插入的等間隔采樣點越多，效果越佳。本文示例使用單位間隔）[5]。為減少計算時間、提高運算速率，在計算所有點高程值前，對所生成的三角網進行排序，即按中心點坐標值標號排序，以保證計算每一采樣點的高程值時，對同一三角網格的提取次數只有一次。按上述方法，可直接繪制灰度圖，生成結果如圖1所示。

圖1 高程灰度圖顯示

2.2 創建DEM文件

在生成灰度圖的同時，系統內部已創建了相應的DEM文件。需要注意的是，由于最后生成的是矢量數據，故需要注冊GDAL。GDAL（Geospatial Data Abstraction Library）是一個在X/MIT許可協議下的開源柵格空間數據轉換庫。它利用抽象數據模型來表達所支持的各種文件格式，還可以通過一系列命令行工具來進行數據轉換和處理[6]。具體程序如圖2所示。

圖3 三維展示圖

2.3 三維展示

灰度圖通過色階由黑到白表示出由低到高的高程值，但只是平面圖形，缺乏立體展示性。為豐富本平臺的功能，確保用戶使用的完整性，添加了三維展示模塊，即在用戶生成DEM文件之前，可先對整體圖像進行三維預覽。該模塊以OSG技術為基礎，OSG技術是基于OpenGL技術三維圖形渲染軟件，可實現三維圖像的動靜態展示[7，8]。在灰度圖繪制成功之后，利用保存在迭代器中的采樣點數據，建立三維場景樹，添加數字高程數據，并按單位采樣間隔生成地表數據網格，即可模擬出真實的地形圖，便于用戶預覽與使用。展示窗口如圖3所示。

若用戶需對以生成的DEM圖像進行修改，可通過本平臺提供的修改模塊進行調整，系統將重新計算高程值。

3.結束語

本文提出了一種生成數字高程模型的方法，在極大限度地降低應用成本的基礎上，保證了高程數據的高效性與準確性。應用本方法可實現數萬級點的處理，面對上億點級時，可考慮更改三角網查找方法，如四叉樹法，可大大提高運算速率。

參考文獻

[1]余鵬，劉麗芬.利用地形圖生成DEM數據的研究[J].測繪通報，1998（10）：16-18.

[2]鄔倫，劉瑜，張晶，馬修軍，韋中亞，田原.地理信息系統——原理、方法和應用[M].北京：科學出版社，2001.

[3]汪自軍，陳圣波，湛邵斌，孟治國，楊春燕.利用DWG數據建立DEM關鍵技術研究[J].計算機應用與軟件，2009，26（2）：42-44.

[4]武曉波，王世新，肖春生.Delaunay三角網的生成算法研究[J].測繪學報，1999，28（1）：28-35.

[5]姚志文，孫懋珩.基于圖像的中心定位方法[J].計算機測量與控制，2004，12（1）：83-85.

[6]李民.GDAL源碼剖析與開發指南[M].2014.3.

[7]王銳.最長的一幀.http：//www.chayiba.com/osgchina.org.

[8]楊化斌.Open Scene Graph3.0三維視景仿真技術開發詳解[M].2012.7.

作者簡介：王穎（1989—），女，北京人，碩士研究生，研究方向：電氣傳動自動化。