基于FME的智能化全息测绘要素转换研究——以上海市新型基础测绘张江试点为例.pdf

March,20232023年3 月Modern Surveyingand MappingVol.46第46 卷第2 期测绘现代基于FME的智能化全息测绘要素转换研究以上海市新型基础测绘张江试点为例王艺.2（1.上海市测绘院，上海2 0 0 0 6 3；2.自然资源部超大城市自然资源时空大数据分析应用重点实验室，上海2 0 0 0 6 3）摘要在传统基础测绘逐步向新型基础测绘转型的大背景之下，对按现存标准采集的数据向新标准的转换需求迫在眉睫。课题依托上海市新型基础测绘建设工作，提出了一种基于FME的要素转换的方法，并以上海市新型基础测绘张江试点数据作为研究对象，以基于地理实体的全息要素采集与建库团体标准为数据转换标准，探讨从“旧标准”到“新标准”的数据转换方法，最后高效准确地实现了数据几何和属性的标准化转换，以期为新型基础测绘中地理实体数据库的构建和上海市“智慧城市”的发展提供高质量的数据基础。关键词FME；智能化全息测绘；数据转换；新型基础测绘；张江试点中图分类号：P208文献标志码：A文章编号：16 7 2-40 97(2 0 2 3)0 2-0 0 18-0 60引言随着“数字地球”概念在信息化建设中的不断渗透，数字李生城市”建设应运而生 1-2 ，而上海作为超大型城市在精细化、信息化管理方面面临着迫切需求。为顺应上海市“智慧城市”建设工作的初步探索和逐步深化 3-41,2 0 19年上海市测绘院与浦东规资局合作建立了自然资源部全国第一个新型基础测绘试点区域张江试点，试点工作中采用智能化全息测绘的方法和手段，利用三维激光扫描技术进行了要素采集，并围绕地理实体构建、非尺度地理实体全息数据库构建、数据分发、产品服务等多方面进行探索和实践 5-7 1。2 0 2 0 年3月9日，作为上海市新型基础测绘试点成果之一的基于地理实体的全息要素采集与建库团体标准（下简称团体标准）正式发布，并对基于地理实体的智能化全息测绘涉及的数据采集、处理方法及成果技术要求做了规范和统一。与此同时，新型基础测绘张江试点工作已经步人尾声，而成果数据的实施采集规范和建库流程与团体标准之间尚存在出人，随着全新的地理实体全息数据库的体系构建，对张江试点数据的转换需求愈加迫切，以便满足其在数字李生城市这一大趋势下的应用和开发需求。FME数据转换的可行性分析11.1智能化全息测绘的探索在对张江试点的智能化全息测绘的探索过程中，以应用需求为导向，槟弃了传统以图幅为单位来确定要素精度的原则，而是遵循“不同要素不同精度”的要素采集原则，同种要素原本因其规格的差异以两种不同几何类型采集的，新标准中均按照高精度的方式以一种几何类型采集（如在传统1:500测图工作中，边长小于50 cm的方支柱以点要素类型采集，否则以面类型进行实测，而在全息测绘当中，则统一按照面进行要素实测）；另一方面，在试点过程中，逐渐对全息数据的属性结构、字段类型和管理进行了统一，通过团体标准的制定和发布，明确了地理要素的几何类型（点、线、面），以及对应的要素编码、数据结构，以及所在图层的字段属性等数据标准。可以说，团体标准是智能化全息测绘的成果之一，并且在测绘工作中不断优化完善，导致整个试点工作处于新旧两套标准的过渡阶段，数据标准尚存交叉部分和灰色地带，因此试点数据与团体标准间尚存出入。而今随着团体标准正式发布，为完整地实现试点数据人库，对张江测区的数据的转换和整理的必要性则愈加迫切。在“智能化全息测绘”的试点工作当中，基于地理实体的全息数据管理与服务探索是关键环节之一。作为上海市新型基础测绘试点工作的牵头单位之一，上海市测绘院结合现有的数据库情况，针对目前现存的多库并行的数据存储现状，深人研究了全新的地理实体全息数据库的体系构建，将院内现存的几大数据库，包括地形数据动态更新、全息测绘、道路更新、院落更新、房屋调查数据，形成全要素地形数据底板，归入地理实体全息数据库中，提高整个地理实体数据库的丰富度。从本质上来项目来源：上海市2 0 2 1年度 科技创新行动计划社会发展科技攻关项目（2 1DZ1204100）第一作者简介：王艺，助理工程师，研究方向为测绘与地理信息等。19以上海市新型基长江试点为例第2 期艺：基于FME的智能要素转换研究看，地理实体全息数据库建设是传统地形测绘标准向智能化全息测绘标准的升级。因此，在数据库研究建设之前，必须明确现有数据采集标准和团体标准的差异，以及标准差异带来的生产作业等环节的变化，进而建立已采集的库存要素到新的团体标准中地理实体全息数据库的映射关系，开发数据转换工具，最终完成数据的顺利人库。1.2可行性分析通过比对分析现有成果数据和团体标准数据标准的变化，最直接的反应体现在测绘要素层面，主要体现在以下几点：（1)团体标准对要素的分类、采集和建库等建立了新的标准和原则，要素变化主要反映在五个方面：要素种类变化（新增、细分等）、要素编码变化（规范六位制编码）、要素图层变化（所属图层的调整）、属性字段变化（与全息数据库标准统一）、采集方式变化（采集类型的变化）。新标准为了扩展要素的种类并提高要素的丰富度，则产生了要素种类的变化；为实现分类更精细、划分更合理、属性更通用的目的，要素编码、图层和属性字段也随之发生变化；为顺应要素去比例尺化、去制图化的需求，采集方式也进行了调整，因此存在部分要素的采集从点变为线，或从线变为面等情况（2）传统测绘的测绘标准主要面向制图需要，要素的分类和采集标准都与符号化方法息息相关。而在智能化全息测绘标准（团体标准）中，强调的是面向应用需求的数据采集，以及符合新型智慧城市精细化管理的数据应用需求，因此智能化全息测绘中数据采集的原则是面向对象化的，而不再以制图出图等图面美观度为主要的目标。结合上述新型基础测绘试点过程中的新概念、新标准和新方法，下文主要以FME为工具方法，进行要素转换的相关探索和研究，完成数据的规范化转换。FME(Feature Manipulate Engine)作为空间数据转换处理系统，可以完整地实现空间ETL（Ex-tract-Transform-Load)过程，即将数据从起点端口经过抽取一转换一加载到终点端口的一整套方案，基于OpenGIS组织提出的 语义转换”的理念，实现结构转换和内容转换两个层面对于数据重构的需求，不仅可以完成简单的数据格式的转换，同时还包括复杂的几何重构、结构转换等功能。基于团体标准，对于此次新型基础测绘张江试点成果数据的转换，FME可行性主要反映在几个方面：提供丰富的转换器以供使用，以组件和架构的形式设计定制化的转换流程；数据格式兼容性强，可以简单快速地完成数据的读人和写出，建立映射关系，精确度较高；提供可视化的结构式界面，明晰完整的设计流程，同时可查看每个流程的数据情况，从而快速检查发现设计漏洞；支持大多数投影坐标，对于空间数据的处理具有独特优势。综上，FME具有涵盖数据格式广、独立性强、可视化程度高、功能兼容性强、运行效率高等优点 针对本次研究中数据转换（结构转换、内容转换）的要求，FME足以提供一个完整的流程设计环境 9-1。同时测绘行业数据带有丰富的地理空间属性，FME在处理空间数据方面具有较高的可行性 12 ，同时借鉴一些国外的相关应用案例 13-14，下节将针对具体数据进行总体思路设计和测试分析。2总体设计思路2.1数据情况本次研究数据使用gdb格式文件存储，数据范围覆盖上海市新型基础测绘试点张江试点区域约28km的面积，数据涉及居民地和垣栅、工矿建筑物及其他设施、交通及附属设施、管线及附属设施、水系及附属设施、地貌等6 大类，共18 9个图层，46 3类要素。为了适应现有团体标准下的全息数据库结构，在数据存储方面尽量做到效用最大化，则需要将以张江区域为代表的智能化全息测绘成果数据进行标准化转换。经过标准梳理，数据中43类要素需要进行转换，而数据转换涉及两个层面的研究工作：结构转换和内容转换。参照团体标准，数据结构方面则反映在要素的类型（点、线、面）发生了变化，主要包括4大类转换方向，分别为点要素转面要素、点要素转线要素、线要素转面要素、线要素的线形转换。内容转换则表现在图层字段结构的重组和内容的更新。而本文篇幅有限，则主要围绕点要素转面要素、点要素转线要素两个方面来展开FME的模板设计和数据转换的相关探索。2.2模块设计数据转换的模块设计主要依托FMEWorkbench这一平台，通过数据图层的读人(Reader）和具有标准化结构和名称的目标图层写人（W r i t e r)两大模块，中间以多个不同功能的转换器（T r a n s l a t o r）相映射和关联，最终完成整个转换流程的设计（图1）。整个流程中主要包括四大部分，输入端即读入模块，输出端即写出模块，中间包括内容转换和结构转换两个部分。内容转换部分主要目的是将源数据进行条件筛选，选出需要特定转换的一类要素后与存储有转换参数的Excel文件相挂接，然后对20绘测现第46 卷代要素的字段结构和字段内容进行处理以符合团体标准中的要素字段结构。几何转换部分主要承担几何特征的重置工作，将要素对象从单个点向四周拓展为多点，通过按序连线，最终重置为面（圆形面/方形面）或者重置为线（两点有向线/首尾闭合线）。通过整个流程的设计最终完成数据向新的团体标准靠拢，实现智能化全息测绘成果数据的标准化和规范化1读入模块一数据筛选1111属性挂接角度旋转写出模块！111111111属性管理儿何重置1111111(内容转换)(结构转换)图1要素转换模块设计流程图2.2.1读入模块（Reader)Reader用于读取源数据集，对象包括多种格式的文件或者多个文件夹，读入的参数和坐标系统都可以实现用户自定义。本次研究的源数据主要为gdb文件，转换参数等信息则通过Excel文件读人。2.2.2数据筛选模块（Tester、T e s tFilte r）这一模块主要是进行数据的选择和筛出，Tester可通过某一个或多个条件的限制来筛选目标数据并输出，TestFilter则可以通过某一个或多个条件的限制来将数据进行分类筛选并从不同端口输出，便于对不同类数据进行针对性的转换设计。这一模块将用于源数据的筛选，并且使得在转换过程当中对要素分类处理方面的效率大大提高。2.2.3属性挂接模块（FeatureMerger）将某一要素的属性和/或几何信息进行映射和挂接，完成两组数据中同一对象的属性的整合。本设计中FileGeogeodatabase文件包含数据几何信息，转换参数等属性信息存储在Excel文件中2.2.4属性管理模块（AttributeCreator）AttributeManager为属性管理模块，包括添加、删除、重命名、复制、排序等多种属性管理功能。而AttributeCreator作为其中的属性创建部分则在本次转换研究的属性管理中占主要部分，可通过属性值、常量、四则运算、用户参数等为要素赋值。在本次转换中，主要作用是为要素增减字段以及修改字段内容。2.2.5几何重置模块（Bufferer、Ve r t e x Cr e a t o r、VertexRemover,GeometryCoercer)Bufferer可以以用户指定的半径对数据做缓冲区的填充，在点要素转换为圆形面的流程当中能够达到比较好的效果。VertexCreator则可以获取并附加点或线等要素对象的坐标，或者用点替换已有的几何对象，在点要素转方形面的过程当中完成角点的添加，最终角点默认按顺序连接形成面对象，当转换目标为线对象时，则需加上GeometryCoercer（几何重置)用以将默认构成的面对象重置为线对象最后完成输出，VertexRemover则可实现多余点的删除。2.2.6角度旋转模块（Rotator）在要素完成几何结构的变换后，有些特定要素需要根据实际情况进行旋转，Rotator则可以按照指定角度根据定位点将要素进行逆时针方向的旋转。在点要素转方形面（如方支柱、墩）和点要素转线要素（如架空管道架墩）等要素转换过程中这一转换器能够准确地完成对象的特定角度旋转。2.2.7写出模块（Writer)Writer用于最后写出目标数据集到指定的文件当中，可根据用户定义好的标准数据结构来写人转换后的要素。此次转换主要针对要素几何和属性特征的修改变换，最终还是以源数据格式gdb文件写出，数据结构则按照团体标准来制定。3应用实例以张江试点数据为例3.1流程架构本文以上海市新型基础测绘试点张江试点的全息数据为源数据基础，根据团体标准对要素代码、所在图层、字段结构、几何属性等特征的描述。此小节对点要素转面要素、点要素转线要素的转换过程进行研究实施和效果分析。3.1.1点要素转面要素根据团体标准，整理出需要进行点转面转换过程的点要素的相关内容属性和几何属性，所需属性如表1所示，其中内容属性存储在gdb文件中，几何属性则通过对团体标准的梳理以Excel文件存储，两个文件同时作为读人模块输入到FMEWork-bench 中。面要素则包括圆形面（如要素圆支柱、墩等）和方形面（如要素方支柱、墩等）两种形式，两者转换差异在于：圆形面需要半径信息，但不需要角度信息；方形面需要边长信息，且需要角度信息。下面将对两种转换做示例性分析：(1)点要素转换为圆形面可以参考ArcGIS中的Buffer工具按照半径信息生成圆形缓冲区来获得（图2 一图3）。读人模块后，按照原要素编码筛选出（Tester）需要转换的对象，然后根据原要素代码进行属性和几何信息的挂接（FeatureMerger），按1：50 021以上海市新型基张江试点为例艺：基于FME的智能化要素转换研究第2 期表1点要素转面要素所需相关属性统计表属性释义用途原要素代码源数据中要素对应的代码用于属性筛选和挂接新要素代码团体标准中要素对应的新代码用于属性管理内容属性要素名称团体标准中要素的中文名称用于属性管理要素图层团体标准中要素所在的图层用于要素写出半径/边长重置圆形面需要半径信息，重置方形面需要边长信息用于几何重置几何属性定位点点重置为面需要明确点的位置是面的几何中心还是边线中心用于几何重置旋转角度方形面需要按其实际角度进行旋转用于角度旋转比例尺计算得到圆形面的实际半径（AttributeCre-ator)，紧接着按实际半径生成圆形缓冲区（Bu f f e r e r），最后将要素替换（AttributeCreator）成新的代码，并按照标准中的图层和结构最终写出为面要素。图2点转圆形面的要素转换设计图一读入模块数据筛选和属性挂接结构转换生成圆形缓冲区内容转换写出模块TesterPassedPole_PFailedAttributeCreatorFeatureMergerCoutput圆形面RequestorAttributeCreatar_2oSupplieroutputPole_AHergedBufferer获取数据写出结构UnerguestorCBufferedUsedsupplierKRejectedsPole_ADUnusedSupplier(Rejected)图3点转圆形面要素的FME流程架构图（2)点要素转换为方形面则需要在原点的四周添加4个角点，并按顺序连线最终获得方形面（图4）。类似地，经过筛选、挂接和实际尺寸的计算，根据要素定位点的不同进行分类输出（TestFil-ter）：以几何中心为定位点的要素需要在其西北、东北、东南、西南4个方向（图4一图5）按照长宽有序添加4个角点（VertexCreator）；以底边中心为定位点的要素需要在其东侧、西侧、东北、西北4个方向有序添加角点。最后按实际角度进行图形旋转（R o t a t o r），替换新的要素代码后按目标图层和结构输出为面要素。点转面过程中，角点的添加顺序一般没有规则上的限制，但对于一些典型要素则具有一定的特殊性，某些要素出图符号化时会在图形内部按规则生成相应的示意符号。例如，地下建筑物地表出入口要素在后续符号化过程中，会以转换中添加的第0点和第1点的连线作为内部符号“A”绘制时的底边方向（图6），因此需特别关注该类要素转换时四周点的添加顺序，从第一象限开始顺时针依次添加四周点，保证出图符号化时的准确性，而不同要素则需参考实际出图规则进行对象化转换模板设计。000222图4点转方形面的要素转换设计图结构转换一确定图形定位点结构转换-添加方形面角点结构转换一角度旋转AttributeCreatorCOutputVertexrCreatorYertexCreatordoutputCOutputCentePointExtractoroCBojeotedCejeotedyAttributoCroator.5COutputCOutputVertexCreator_2RejetedyYertexRonoverCOutputCoutput1定位点在边线中心CRajeotedCBajeotedRotator2：定位点在几何中心AttributeCreator.2ORotatadCOatputVertoxCreator_3VerteCreator_5KRejeotedsTostFiltex.2AnohotCOutputAttributaCreator.3COutputAncht2CKRejected)CRajeotedCOutputUnfiltered图5点转方形面要素的FME流程架构图（部分）22绘测现第46 卷代2图6地下建筑物地表出入口要素转换中的角点添加规则示意图3.1.2点要素转线要素经过对数据和团体标准的梳理，点要素转换成线要素所需属性也如统计表（表1）中所示，读人模块同样由gdb文件和Excel文件组成。点转线要素则分为两类：两点有向线和首尾闭合线。两点有向线是具有左右侧两个端点的一条有向线段（如要素宣传橱窗、广告牌等），首尾闭合线则是起始点同时也作为终止点的一条闭合线（如要素架空管道架墩等）。转换的核心思想也是通过原点位置，根据边长来添加周边点最终连成线对象，区别于上述点转面要素的转换过程在于：由于FME默认会将添加的点按照添加的先后顺序连接成面做输出，所以需要在写出模块前重置要素的几何对象类型（Ge-ometryCoercer)为线要素。两种线型的转换过程的差异在于：两点有向线只需在原点的东西两侧各添加一个点，然后按序相连（图7），而首尾闭合线则类似面的转换过程，需要在四周添加角点，最终连成线（图8）。点转两点有向线和首尾闭合线的流程架构如图9和图10 所示0图7点转两点有向线的要素转换设计图0(4)0(4)0(4)0(4)04042（上图图形定位点为几何中心，下图图形定位点为边线中心）图8点转首尾闭合线的要素转换设计图结构转换一确定有向线演点两序零结构转换一添加育向线端点attributcratroAttributaCroatc2oCoutptCoutputVerteicrotarAttaibutedreataroCOutpatoitputCRejectedCeaterfointExtraetereAtuributarotar.3oCoutputRotatorCoutputVertoroeator_2CoojoctedCRotatedCoutut1：8 0 方向力正要：Cojeted2车90 方向力正北TeetFilterVertexRasoverAnchorhirectionCaanchzbizecten2ReJectedhtiltered)图9点转两点有向线的FME流程架构图（部分）专结构转换一确定转折点展序结构转换一添加闭含线转折点AttributeeatarertexcreatorYertencroator-OoutputCoutputCoutputCRojectedyCRejectedyCenterPointsxursoutputVartexreator2YertexkenoverojeetedPoutputDoutput定位点在边线中心Rojeeted)CCejectedy2定位点在儿何中心AttributeYartexcreator_3福Vortoxoreator.5TestHilter福CoutputCoutoutoutputAncherPointalAttributecratorsaCarojectedyRojaetedAnchorPoit2onfiltexredCoutput图10点转首尾闭合线的FME流程架构图（部分）3.2效果分析经过上节中点要素转面要素、点要素转线要素的FME转换过程的研究分析和实施，最终获得了要素的转换结果，本节则从属性转换和几何转换两个角度分析数据的转换效果3.2.1属性转换效果分析团体标准中要素的属性包含图层必有字段和特有属性两大属性内容，经过属性管理模块的处理后，目标要素的字段结构/内容、所在图层等与团体标准保持了一致性。3.2.2几何转换效果分析经过几何重置等模块的综合处理后，点要素转换成面要素或线要素的转换效果如对比分析图中所示（图11一图12）。这里在四类转换中各以一种要素进行举例，展示了对象在要素层面和符号表达层面的转换前后变化情况。转换前后的对比利用FME模板转换后的图形效果变化可知：从要素层面上，转换前后的图形特征（形状、方向等）契合度较高；从符号化层面上，转换后的要素表达呈现了更为合理和规范化的显示效果，要素层面变化要素层面变化符号层面变化符号层面变化(a)圆支柱、墩(b)方支柱、墩（左：点要素转圆形面，以圆支柱、墩为例；右：点要素转方形面，以方支柱、墩为例。）图11点要素转面要素转换效果对比要素层面变化要素层面变化符号层面变化符号层面变化(c）宣传橱窗、广告牌(d)架空管道架墩（左：点要素转两点有向线，以宣传橱窗、广告牌为例；右：点要素转、首尾闭合线，以架空管道架墩为例。）图12点要素转线要素转换效果对比23以上海市新型基张江试点为例第2 期艺：基于FME的智能要素转换研究4结语在“智慧城市”的建设过程当中，新型基础测绘试点一一张江试点作为上海市智能化全息测绘的试点区域，为基于地理实体的全息要素采集与建库团体标准的推行提供了先行动力。为了适应基于地理实体的全息数据库的构建，本文以张江试点的全要素数据为研究对象，通过试点数据与新标准的比对分析建立了其到新库标准的映射关系，探究了43类要素的FME转换模板的设计开发流程，将与新标准团体标准尚存差异的智能化全息测绘成果数据进行了转换，包括两个方面：一是结构转换，从而提高要素的精度；二是内容转换，根据新标准中要素所在图层及图层规范，进行要素的属性及字典等相关转换处理。通过FME的转换过程，获得了标准化的智能化全息测绘成果数据。同时这种转换可定制化地组织，并结合转换前后的效果比对分析可知，转换实现了较为高效且准确的结果，为地理实体全息数据库的人库和未来“智慧城市”构建的大数据应用趋势提供了数据管理基础。本研究还有待进一步完善和推进：一方面，需对数据转换的现有技术路线和程序模板进行完善和优化，如简化设计模块，在读模块中完成数据筛选过程等；另一方面，本文主要围绕点要素的转换，后续将借鉴此次经验方法，在后续论文成果中体现线要素的转换设计。同时，智能化全息测绘的数据成果包括二维数据、三维数据、地下管线、地理实体，本研究也只局限于基础二维数据当中的数据转换流程的研究，对于其他几种结构的数据的更新人库工作还有待进一步探索推进。参考文献LAFARGE F,DESCOMBES X,ZERUBIA J,et al.Automatic Building Extraction from DEMs Using anObject Approach and Application to the 3D-CityModelingJ.Isprs Journal of Photogrammetry&.Re-mote Sensing,2008,63(3):365-381.2 SMART P D,QUINN J A,JONES C B.City ModelEnrichmentJJ.Isprs Journal of Photogrammetry&.RemoteSensing,2011,66(2):223-234.3高艳丽，陈才，张育雄.数字李生城市：智慧城市建设主流模式 J门.中国建设信息化，2 0 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200063,China)Abstract Under the background of the transformation from traditional basic surveying and mapping to new basic surveying andmapping,the need to convert data collected according to existing standards to new data standards is imminent.Based on theconstruction of new basic surveying and mapping work in Shanghai,the paper proposes a method of feature conversion based onFME,and takes the data of Zhangjiang pilot area,a new type of basic surveying and mapping pilot in Shanghai,as the researchobject,and takes the group standard of Perfect-information Feature Collection and Database Construction Based on Geo-entityas the data conversion standard,and discusses the data conversion method in the transition stage from old standard to newstandard,and finally achieve the standardized conversion of data geometry and attributes efficiently and accurately,so as to providehigh-quality data base for the construction of geographic entity database and the development of smart city in Shanghai.Key words FME;intelligent holographic surveying and mapping;data conversion;new basic surveying and mapping;Zhangjiangpilotarea