【信息化天地】基于FME的CAD与GIS的转换研究（下篇）

在基于FME的CAD与GIS的转换研究的上篇中，已经分析了CAD与GIS的空间数据组织模型的差异。在这一章节中重点介绍CAD与GIS的数据共享方法和基于FME数据转换工具实现CAD与GIS转换机制分析。在数据转换之前，需要重点了解CAD与GIS数据在显示表达上的差异，主要体现在坐标系统创建、拓扑关系构建和地图符号表达的差异。 

CAD与GIS虽然都为笛卡尔坐标系，但其坐标系的意义却大不相同。CAD中的坐标系原点是任意的，可根据需要进行平移、旋转和缩放等，只需保证各个图形的相对关系即可。由于CAD侧重于绘图，数据的覆盖范围通常都比较小。因此在CAD中的地形图或者控规集合图中的坐标值，都是球面坐标系（地理坐标系）采用某种地图投影方式投影到某基准面（黄河基准面）上的成果。相比与CAD，GIS的坐标系统就非常丰富，因为在GIS中空间信息测算的前提就是建立在某个坐标系统之下，因此坐标系统就是GIS的基础。GIS的坐标系主要分为两种：一种为地理坐标系，另一种为投影坐标系（平面坐标系）。地理坐标系通过将地球抽象为一个规则的椭球体，然后通过经线和纬线构成经纬网，最后通过经纬度实现地表任意位置的定位。投影坐标就将地理坐标投影到平面上，以实现各个地物之间的距离测算与位置表达。由于地球椭球体表面是一个不可能展开的曲面，所以在展开这个曲面的同时，肯定会发生某些区域的变形（撕裂或褶皱）。因此可以根据不同的需求选择不同的投影方式（等角投影、等积和任意投影），投影面类型（横圆柱、圆锥、方位）以及投影面与地球的位置关系（正轴、斜轴、横轴等）来实现研究区域的最小变形。总而言之，CAD更加适合小尺度的数据显示，而GIS大中小尺度都适，同时需要注意的是GIS的坐标系统是写入图形文件属性的，因此它可以根据需要进行动态变化的，而CAD的坐标系统没有写入图形文件属性，它固定之后便很难更改。

图1（左）CAD坐标系统，（右）GIS坐标系统

拓扑关系是采用一种数学的方法来表示地理实体之间的空间关系，主要包括相邻、包含、相交、分离等。空间数据的拓扑关系和存储这些数据的软件系统无关，只与这些数据中图形的形状和几何位置相关。由此可见，现实中的地理实体无论是以GIS数据格式存储还是CAD数据格式存储，其本身的拓扑关系是不变。在CAD中线图元是表示跨越一定距离的数据，如道路、铁路、河流等。因为CAD数据不存在拓扑关系，所以这些同类型的线状地物在很多情况下就不存在公共的节点，这样就造成了线状图元的不连续。而在GIS中线段之间有严格意义的拓扑关系，同属于一个实体的线段，必须是连续的。面是由封闭的线段组成，而在CAD中，由于没有拓扑关系和严格的封闭线段等条件限制，再加上操作人员的绘制疏忽，让原本应该封闭的线段（面），而没有形成连续的线状图元。当在进行CAD数据向GIS数据转换时，CAD实际意义上的面实体变成了一条条被打散的线图元。GIS中实体的空间关系主要有区域定义、邻接性、连通性、方向性和包含性等。其中区域定义指用闭合的线来表达多边形。邻接性指多边形—弧段拓扑形式。连通性与邻接性相似，用于弧段连接的辨别。方向性是指具有一对起点与终点的一条有向线段，由起点至终点确定了一个方向。包含性指图形实体中包含点、线、面状实体。GIS中主要有以下三种数据存在拓扑关系。

（1）    Shapefile数据拓扑关系。Shapefile格式数据作为地理数据，无法存储大量的拓扑关系，但能简单存储一些拓扑属性。

（2）    Coverge数据拓扑关系。Coverge格式数据包括“弧段—结点”和“多边形—弧段”两种形式的拓扑关系，都是围绕着“弧段”，在共享机制的基础上对图形要素的拓扑关系进行了记录。这种拓扑关系表达图形之间连通关系或相邻的关系，以弧段为核心，在没有定位信息的基础上就可以对数据的拓扑关系进行确定。Coverge数据的拓扑，可以准确的表示地理数据中点与线之间，线与面之间的拓扑关系。

（3）    Geodatabase数据的拓扑关系。Geodatabase格式数据的拓扑是很多参数的集合，包括拓扑规则、拓扑容限和拓扑等级三个属性。在定义了拓扑要求规则的基础上，进行要素类空间关系的表达。在设定一定距离范围的拓扑容限内，认为所有的点、线、面是重合的、同一的。验证拓扑关系的过程中，主要依据表示节点移动级别的拓扑等级，等级低的图形要素类要合并到等级高的要素类中。区别于Coverge格式数据以弧段为核心组织数据，Geodatabase数据则建立在几何重合的基础上，其中点、线、多边形是以图形记录的，根据判断节点的坐标值是否重合，来计算图形之间是否具有拓扑关系。

在CAD中，符号表达包括图块、线型和文本样式等。块通常是用来表示点状地物，线型主要用来表示线或者面状地物，而文本样式主要用来表示注记或者点状地物。在GIS中采用交互式符号设计系统，分别建立点符号库、线符号库、面符号库进行相关的地理要素描述。在地图符号与要素匹配的机制方面，在CAD中，块符号根据块名称与要素匹配，线型则通过线型名称与要素匹配，而文本样式则通过文本样式的名称和要素匹配。而在GIS中则为每个要素层单独指定一个符号，并按照要素的字段值进行符号关联，各地图符号库之间相互独立、互不影响，因此可以分别对每个要素层的符号进行自主设计和管理。

图2（左边：CAD块符号样式，右边：GIS点符号库）

通过上述的对比分析发现，由于CAD数据与GIS数据对地理实体的定义差异，对目标实体的描述和记录的方法也存在差异，这样给实现数据资源共享带来了许多问题。本文主要介绍基于FME语义转换的CAD数据与GIS数据共享方法。语义转换是将空间数据转换放在了语义层面上，它的主要目的是转换和操作语义数据模型。语义模型与以往转换方式有很大的区别。语义转换的两个数据库可以自由地进行数据传输和共享。转换器中包含了几何、空间和语义信息。其特点可以归纳为以下几点：（1）确定了不同格式数据间的映射关系。（2）基于要素的处理方法，为空间数据模型转换提供有力工具。（3）可对转换文件自由定制，提高转换模型的可重用性。

FME(feature manipulation engine，空间数据操作引擎)是加拿大Safe Software公司生产的空间数据转换处理系统。FME语义转换模型通过选用语义映射模型来对转换规则进行制定，操作具有针对性，使得处理后的数据满足应用要求，发挥了对数据处理过程的高度定制作用。典型的FME数据处理一般需要满足以下几个规则：（1）目标要素定义：需要明确处理后的目标数据的数据标准，即数据库中所包含的要素类型、描述要素的相关属性信息、属性数据的存储形式等。（2）源要素转换规则：需要说明待转换的目标数据中要素类型、描述要素的相关属性信息、图形与属性之间的对应关系，即定义源数据的要求规范，剔除不合格的要素。（3）目标要素转换规则：制定目标数据与源数据间的一一对应关系，选定转换的模型。

CAD与GIS软件表示现实世界的建模方法的差异，造成了空间数据在表达相同空间实体时出现了语义差异。若想要解决这种语义间的差异问题，就要在CAD和GIS软件数据间建立相互的映射关系，才能保证满足转换前后的一致性。映射文件库本质就是空间数据所属软件的要素编码对照表，其中的映射文件是一系列规则，拥有自己的宏变量和函数，负责驱动数据转换过程中的操作。语义映射文件的编码是FME进行语义转换的关键，因为它被用来控制数据映射匹配的整个过程。用户凭借编制映射关系文件，可以灵活地对数据转换工作进行定制。由于映射文件可以反复利用和统一操作，这样就节省了数据转换需要的时间，使转换更加便捷。基于FME实现语义转换模型如下。

图3 基于FME的语义转换流程图

本文基于CAD与GIS的空间数据模型和空间数据显示表达为主线，来阐述CAD数据与GIS数据之间的差异。并基于这些差异，引入FME语义转换模型来实现CAD数据与GIS数据之间的数据共享和互操作。

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