CAD到GIS格式数据转换...在地铁保护巡查系统中的应用_彭达.pdf

第 1 期应用技术CAD 到 GIS 格式数据转换技术及其在地铁保护巡查系统中的应用彭达高修强张文国(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，311122，杭州第一作者，工程师)摘要针对地铁建设过程中，CAD(计算机辅助设计)格式数据难以被二次处理或调用分析的问题，运用 FME(空间操纵引擎)数据转换思想，将 Shapefile 格式数据作为 CAD格式数据与可在地图上直观展示的商用 GIS(地理信息系统)数据相互转换的中间媒介，同时结合 GIS 领域的数据渲染及空间分析技术，实现了 CAD 格式数据与 GIS 地图的融合处理。最终，研发了一套巡查管理系统，其功能包括:巡检人员实时作业轨迹记录、在建项目与地铁保护区的外轮廓范围相对位置展示、最近距离测算、地铁保护区范围在实景三维城市模型中的叠加展示。关键词地铁;数据转换技术;地铁保护巡查系统中图分类号U29-39DOI:1016037/j1007869x202301041CAD to GIS Data Conversion Technology andthe Application in Metro Protection Patrol Sys-temPENG Da，GAO Xiuqiang，ZHANG WenguoAbstractIn view of the problem that the CAD(computer-ai-ded design)format data is hard to be reprocessed or analyzedduring metro construction，by using the FME(feature manipu-lation engine)data conversion idea，the Shapefile format datais taken as an intermediate format for the conversion of CADformat datatocommercialGIS(geographicinformationsystem)data that can be visually displayed on the map At thesame time，combined with the data rendering and spatialanalysis technology in the GIS field，the fusion processing ofCAD format data and GIS map is realized Finally，a set of in-spection management system is developed，with functions in-cluding real-time operation trajectory recording of inspectionpersonnel，display of the relative position of the projects underconstruction and the outer contour of metro protection area，theclosest distance measurement，and the superimposed display ofthe scope of metro protection area in 3D city realistic modelKey wordsmetro;data conversion technology;metro protec-tion patrol systemAuthors addressPower China Huadong Engineering Corpo-ration Limited，311122，Hangzhou，China目前，城市基础地理信息数据均以 CAD(计算机辅助设计)格式数据存储，随着 GIS(地理信息系统)技术的推广以及数字孪生城市概念的兴起，CAD 格式数据在图形表现形式以及图形对象属性的展现上难以满足城市建设运维期的需要，勘测设计方交付的 CAD 格式数据难以被二次处理或调用分析，无法实现除了信息存储以外更多的功能。如何高效便捷地将地铁建设期的 CAD 格式数据转换成 GIS 数据、如何完成指定场景的空间分析和数据融合、如何构建形象化的场景是目前地铁保护巡查工作的重点。CAD 格式数据与 GIS 数据均建立在空间坐标系中，可以描述图形间的拓扑关系。在图形的表现形式上，CAD 格式数据主要包含颜色、线型、符号等静态特征，不同图层对应的实体含义通常以图层命名区分，数据呈现非关系性，难以进行信息化、数字化抽象及计算机语义化处理。而 GIS数据的属性内容灵活多样，可以便捷地区分不同地物，便于进行抽象化和信息化管理1。针对地铁建设过程中，车站、线路、区间的 CAD格式数据难以被二次处理或调用分析的问题，结合FME(空间操纵引擎)数据转换技术与 GIS 空间分析技术，将 Shapefile 格式数据作为 CAD 格式数据与可在地图上直观展示的商用 GIS 数据相互转换的中间媒介，同时结合 GIS 领域的数据渲染及空间分析技术，实现了 CAD 格式数据与 GIS 地图的融合处理。最终，研发了一套巡查管理系统，其功能包括:巡检人员实时作业轨迹记录、在建项目与地铁保护区的外轮廓范围相对位置展示、最近距离测算、地铁保护区范围在实景三维城市模型中的叠加展示。本文研究可为地铁日常保护巡查工作提供1022023 年思路与实用价值。1基于 ArcGIS 平台的 CAD 数据到 GIS 数据的转换11数据转换ArcGIS 是一个集成了众多高级 GIS 应用的GIS 平台，为 GIS 相关从业者提供了许多地理要素处理功能。ArcGIS 平台可以实现 CAD 格式数据的直接读取，其 Toolbox 中的 Conversion Tools 模块能够将 CAD 地形图数据转换成 Geodatabase 模型中的地理数据。由于部分 CAD 图纸中的数据元素过多，转换过程中存在部分数据无法在 ArcMap 中正常显示的问题。针对该情况，利用 Data Interopera-bility Tools 中的导出工具，将其数据格式转换成Shapefile 数据格式后能够解决该显示问题。12数据校验由于勘测设计行业的 CAD 格式图纸通常是多行业的综合图纸，其图纸样式难以统一，存在图层较多、线条样式多样化等问题。有些图形实体数据结构在 GIS 软件中无法正常读取，在 CAD 格式数据向 Shapefile 格式数据转换过程中，可能存在部分格式的线条丢失现象，因此在数据转换完毕后需进行数据的基本校验2。对于丢失的点、线及未闭合的面，可采用 ArcGIS 平台的工具箱 Toolbox 中的编辑工具进行数据的补充、修剪及拼接等操作。13属性补充CAD 格式数据以点、线、面 3 种类型格式存储，Shapefile 格式中 GIS 数据的注记信息格式为 FeatureClass Annotation，图形几何属性为 Polygon 格式3。CAD 格式数据与 Shapefile 格式数据属性对比如表 1所示。但对于空间面的交叉入侵分析，CAD 中看起来“闭合”的一些面用的其实是 Polyline 属性，对于此类数据需要先转换成 Polygon 属性，才能进行后续的闭合区域面积计算及入侵分析等操作。表 1CAD 格式数据与 Shapefile 格式数据属性对比Tab1Attribute comparison between CAD format dataand Shapefile format data数据类型CAD 格式数据属性Shapefile 格式数据属性标注PointPolygon点PointPoint线PolylinePolyline面PolygonPolygon三维模型MultipathArcGIS 中的自定义添加属性字段功能可以完成对 CAD 格式数据属性的自由拓展，解决了原始CAD 格式数据以文字描述属性、无法进行信息化层面的逻辑抽象、无法进行计算机语义化的缺点，也为后期图形的属性编辑及前端渲染展示提供了基础。2转化后的 GIS 数据在地铁保护巡查系统中的应用地铁保护巡查系统的主要功能是对地铁沿线50 m 范围(以下简称“地铁保护区”)的施工项目进行巡视、检查及管控。距离地铁结构较近的工程施工项目，特别是涉及到基坑开挖类型的工程项目，容易对地铁结构的稳固性造成影响4。但由于目前商用地图上没有地铁线路外边线经纬度具体轮廓、地铁车站具体轮廓以及地铁保护区范围的标识，造成了日常巡检人员无法判断施工项目是否处于地铁保护区范围。将 CAD 格式数据中的地铁线路外边线经纬度具体轮廓、地铁车站具体轮廓及地铁保护区范围的标识数据转换为 GIS数据，以计算机语言抽象、加载后展示到地图上，同时辅以地图的自动测距功能，能够分析周边地铁工程项目范围与地铁保护区范围的空间关系，清晰直观地展示日常巡检人员所需标识。依托北斗卫星定位、人员轨迹采集、GIS 闭合面入侵判断、面域叠加判断、三维倾斜摄影模型与 GIS数据结合等技术，可以实现管理者对巡检人员的实时定位、巡检人员进出地铁保护区范围自动提醒、违建项目在地铁保护区范围的面积测算、在建项目距离地铁外轮廓的最近距离测算，以及三维可视化展示实际空间中地铁保护区范围的在建项目等功能。3实际案例应用以南昌地铁保护巡查系统一期项目为例，CAD修补完善前后的南昌地铁 2 号线线路、车站及地铁保护区轮廓图如图 1 所示。勘测设计单位提供的地铁保护区范围原始 CAD 格式数据中包含地铁线路、地铁车站、地铁保护区以及建筑、管网、地块等多个无用信息(见图 1 a)。在 CAD 软件中将除地铁线路、地铁车站、地铁保护区图层以外的其他无用图层剔除，同时将保护区线进行修补闭合(见图 1b)。202第 1 期应用技术图 1CAD 修补完善前后的南昌地铁 2 号线线路、车站及地铁保护区轮廓图Fig1Outline map of Nanchang Metro Line 2 routes，stationsand metro protection area in CAD before and after patc-hing and improvement将修补完善后的地铁线路、地铁车站及地铁保护区轮廓图导入 ArcGIS 平台，依据表 1 中的对应关系，将地铁车站和区间中的线(Polyline 属性数据)、地铁保护区中的面(Polygon 属性数据)导出为Shapefile 格式数据。在 ArcGIS 平台中将地铁保护的 CAD 格式数据转换成 Shapefile 格式数据，其软件截图如图 2 所示。图 2CAD 格式数据转换为 Shapefile 格式数据软件截图Fig 2Screenshot of the conversion software from CADformat data to Shapefile format data导出的 Shapefile 格式数据通过 MapShaper 网站即可便捷地转换成计算机所需的 JSON(Java-Script对象简谱)格式数据。经转换后的文件是一系列的点集，通过前端开发可以直接与商用地图融合，并最终形成可用于地铁保护巡查系统的标识地图。南昌地铁 2 号线地铁保护巡查地图如图 3所示。CAD 格式数据与 GIS 地图融合后，结合北斗定位能够为现场巡查人员提供手持端软件，在地铁保护区地图上实时展示巡查人员的巡检轨迹，其软件截图如图 4 所示。引入 GIS 面域分析技术可以实现判断巡查人员进出地铁保护区范围的自动提醒功图 3南昌地铁 2 号线地铁保护巡查地图Fig3Map of Nanchang Metro Line 2 metro protectioninspection图 4地铁保护区巡查