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摘 要：随着计算机技术的发展，地理信息系统经历了将近五十年的发展，日趋成熟，正在由二维GIS走向三维GIS。然而同GIS的开发相比，GIS的数据录入或数据库建设明显薄弱。因此怎样利用好现有的CAD数据，让其符合GIS的要求仍然是当前的重要问题。本文以地下管线CAD数据为例，论述CAD数据和GIS数据的主要区别、转换方法以及转换过程中存在的问题。
关键词：GIS；CAD数据；数据格式转换；ArcGIS
Abstract: With the development of computer technology, GIS(geographic information system) which has gone through nearly five decades of development, is maturing to three-dimensional GIS form the two-dimensional GIS. However, compared with GIS’s development, GIS data entry or database construction is significantly weak, so how to make good use of existing CAD data, and meet the requirements of GIS is still important. Take the plan CAD data as example, the paper discussesed the main difference、conversion method and conversion process between the CAD data and GIS data.
Key words: GIS; CAD data ; data format transformation; ArcGIS
中图分类号：TU990.3 文献标识码：A 文章编号：
1引言
经历将近五十年的发展历程，GIS在各行各業得到广泛应用，已日趋成熟。GIS由硬件、软件、数据、人员和方法五部分组成。在GIS项目建设过程中，数据占GIS整个工作流程75%的时间[1]，这就意味着在商业应用中，GIS系统成本的75%甚至更多用在了数据的建设上。而且数据质量的好坏对系统的运行起着至关重要的作用。鉴于此，有关专家提出数据格式转换，将现有的地图数据转换为GIS数据[2]。
在我国，地图数据绝大多数来源于测绘部门。目前，广大测绘工作者普遍采用AutoCAD系列软件进行作业。因此我国各大中城市的大中比例尺地形图中不同程度地都有AutoCAD数字地形图。地图数据到GIS数据的转换也相应地变为CAD到GIS数据的转换。ArcGIS作为常用GIS软件，具有强大的空间分析、数据管理等功能，在建立空间数据库方面具有得天独厚的优势[3]。笔者以地下管线CAD数据为例，利用ArcGIS的Geodatabase数据模型，探讨了CAD数据有效地转换到GIS数据库的方法，总结了可行的解决方案。
2CAD数据与GIS数据的主要区别
CAD和GIS之间有大量的技术重叠，两者都用计算机图形，相似的输入、输出设备，并生成漂亮的彩色图像。但是，两者的相似性到此为至。同GIS相比，CAD较简单，下面介绍一下两者之间的不同之处：
（1）拓扑关系。拓扑关系是GIS区别于CAD的一个重要特征，CAD中的图形元素之间没有拓扑关系，在其数据库中，通常只记录着表示图形元素几何位置、形状及大小的几何坐标和表示图形元素性质（如颜色、层等）的辅助数据。而在GIS系统中，不仅几何坐标，而且元素间的拓扑关系都是数据中不可缺少的内容。
（2）数据组织。在GIS系统中，数据按专题形式组织，一个专题（如道路、水系）对应于一个数据文件或一组数据文件，各个专题数据独立存在于GIS数据库中。在CAD系统中，一幅CAD图形往往对应于多个专题内容。如一幅地形图中，有等高线、建筑物、道路等多个专题。当然，CAD图形中的多个专题可以分别处于图形的不同层中。但是，他们统一存储在一个图形文件中。通常CAD图形中一层可以对应于GIS系统的一个专题。
（3）属性与符号。在CAD中，出了图形坐标以外，另一个重要内容就是图形数据。一个点状元素可以用不同的图形符号表示，一条线段可以对应于不同的线型，正是有了这些符号，CAD中的图形才具有很强的可视性。不同的符号可以具有不同的形状、大小和颜色。在GIS中，图形数据只有点、线、面三大类。各个元素没有固定符号表示在图形库中。但是，除了图形数据以外，GIS数据库中还有一部分属性数据，通常图形数据的符号特征记录在其中。对应于不同的属性内容，图形元素也可以以不同的形式表现出来。
3CAD转换到GIS数据存在的问题
之前已有一些人进行了CAD到GIS数据转换的相关研究[4][5][6]。但是都没能很好的解决在GIS系统里的存储和显示问题。没能够有效的表达CAD数据中的元素之间的几何关系和拓扑关系。严格意义的数据转换是指现有的CAD数据在转换为GIS数据时要保持其空间要素的几何一致性，转换后的数据要无损的表达。现有的转换存在以下问题：
（1）要素丢失： CAD软件中某些图形实体数据结构不能在GIS软件中接受，或者转换前后数据的对应关系没处理好，导致在CAD数据转换为GIS数据时，有的要素没有转换过来，造成了数据要素的丢失。
（2）要素变形：CAD几何形状包含水平和垂直线段，通常线段之间的夹角是规则的。GIS实际上不包含水平或垂直线段，除了直角，其它的规则夹角很少；在CAD中，圆弧和曲线是基本的，而在GIS中，它们实际上不存在。由此可见，CAD软件中的基本图元定义与GIS软件中的不完全一致，CAD中的图形数据结构和GIS中的图形数据结构不一样，再加上原CAD数据在作业的时候操作不规范，都有可能造成转换后数据要素变形。
（3）数据冗余：图形数据中可能存在碎线（如等高线、海岸线等）、空注记，或者因CAD中数据分层不合适造成转换后线上点密现象，都会造成数据冗余。
（4）属性信息不足：各种CAD软件都很少附有属性信息，这样就造成转换后属性信息不足，而属性信息却是GIS实现各种应用分析功能的关键因素。数据转换后许多属性信息追加起来费时费力，容易产生错漏并且不容易检查修改[4]。
4ArcGIS的解决方案
在格式间的转换，现在的各种GIS平台都提供了面向其他平台的数据双向转换工具，数据转换方法[7]很多。但是这并没有解决GIS对数据部门的真正需求，格式的转化仅仅达到了显示数据的图面表示目的。然而仅仅拥有图面的数据对GIS系统而言是远远不够的，缺乏与图面几何要素相关联的属性数据，GIS的强大空间分析能力就无从谈起。因此要真正的实现在CAD数据与GIS数据之间的相互转换，图形的一部分内容（几何坐标）需要转换成GIS 的图形数据，一部分内容（几何特征）需要以属性的形式记录到属性表中。
下面对地下管线CAD到GIS数据转换，提出一种基于ArcGIS的解决方案。基本流程（见图1）分为CAD数据转换前期处理；数据格式转换；转换后符号设计、属性提取、更新入库。
图1 数据转换解决方案基本流程
4.1 地物分层，数据编码
CAD是以图层的方式进行数据组织，包括点、线、面3种元素，图层组织没有统一的标准，而GIS一个图层只表示一种元素，而且，CAD的分类不够精确，为了出图效果更好，将同一元素以多个图层的方式出图，如将道路中心线，地下管线路中线等分成多个图层。因此，CAD数据转换为GIS数据时，GIS数据图层总数往往比CAD多，这样繁多复杂的图层关系，不利于GIS系统的管理分析。
对CAD数据转换为GIS数据进行图层分类，首先应对CAD源数据进行分析，然后根据用户的目的及数据处理的需求，提取CAD图层的主要信息，对转换后的GIS数据进行分层组织。
图层分类是对数据的定性标识，也是进行编码设计的基础。数据编码是一个或一组有序的数字或符号，便于计算机进行信息查找和识别。编码是GIS系统中地物的唯一关键字[4]，也是實现GIS基础空间信息共享的基础，GIS编码必须按照国家的标准进行设计，操作方便，且必须要有可扩充性，有利于日后信息的扩充。
4.2 属性设计
GIS系统与CAD系统的最大不同，也是GIS优胜之处，便是GIS系统能支持海量的属性信息。转换后需要根据CAD中的扩展属性，对GIS空间数据库图层进行属性设计，在ArcGIS的Geodatabase数据模型中，图形数据和属性数据是存在关系数据表中的，实现了属性数据和图形数据的有机集成[8]，可以根据GIS数据库满足应用要求为前提，对CAD图形进行编码，并进行属性链接的操作。
4.3 符号设计
在转换后的GIS数据库中，要素不能以符号显示，只有点、线、面和注记实体，不能识别为何种地物，因此要具有完善的符号库和符号匹配开发，可以在ArcGIS中，参照点、线、面符号标准的规定，设计相应的转换匹配符号库，实现地理要素与其对应地地图图式的匹配与连接[9]。
5 技术实现
ArcGIS提供的Geodatabases数据模型具有强大的数据管理功能，利用它可以实现空间数据的存储及管理。处理流程包括以下四个步骤：①在ModelBuilder中对CAD数据到Geodatabase数据的转换过程进行建模（图2）；②建立CAD数据和Geodatabase数据的属性项对照表（表1和表2）；③利用ArcGIS工具实现CAD数据到Geodatabase数据的转换（图3）；④利用ArcMap对转换后的数据进行符号化处理（图4）。通过试验，成功地实现了地下管线CAD数据向GIS空间数据库中的转换，通过对比可以看到转换以后，图形要素的空间特征、颜色得到了保持，没有丢失图形要素。
图2 从CAD到GIS数据的转换流程
表1 原始地下管线CAD数据管点属性设计表
表2 原始地下管线CAD数据管线属性设计表
图3 原始地下管线CAD数据
图4CAD转换后数据的符号化结果
6 结束语
随着GIS在各行各业中的广泛应用，GIS的开发显得日趋成熟，GIS数据库的建设显得相对薄弱，利用现有的CAD数据，将其转换成GIS数据是一个值得关注的数据快速生成方法。该文通过分析比较CAD数据与GIS数据的特点，以地下管线为试验数据，探讨了从CAD数据到Geodatabase数据库的方法，并且试验运行实现了数据转换、属性提取的功能。虽然只是针对地下管线做了实验，但可作其他CAD数据转入数据库的参考。
参考文献
[1]陈乐书，刘连胜，王长委.CAD到GIS数据格式转换的讨论.安徽农业科学，2009,37（18）：8799-8803.
[2]周勇前.GIS与CAD数据交换[J].武测科技,1996(3):16-19.
[3]于慧峰，李巍，杨树启.浅谈AutoCAD与ArcInfo数据属性信息互转.东北测绘,2001,24（3）：23-25.
[4] 周小成，焦道振.基于Geodatabase的CAD数据到GIS的解决方法.现代测绘，2004，27(6)：15-17.
[5] 毛卫华，应荷香.DNG数据格式转换的研究与实验.测绘通报,2001,5:37-39.
[6]郝平，陆宝济.CAD和GIS数据双向转换技术的研究.机电工程，2001，18(4)：9-11.
[7]陈南南,李蓬,周美霞,吴正.CAD数据到GIS数据转换的讨论.北京测绘,2012,1:15-17.
[8]王庆来，张鹏飞，赵钢.地形图CAD数据转换为理正GIS数据格式经验浅谈.城市勘测，2008，01(48)154-156.
[9]肖鸣.CAD数据向GIS空间数据库转换方法的实现.测绘信息与工程，2007，32(3)：24-26.
关键词：GIS；CAD数据；数据格式转换；ArcGIS
Abstract: With the development of computer technology, GIS(geographic information system) which has gone through nearly five decades of development, is maturing to three-dimensional GIS form the two-dimensional GIS. However, compared with GIS’s development, GIS data entry or database construction is significantly weak, so how to make good use of existing CAD data, and meet the requirements of GIS is still important. Take the plan CAD data as example, the paper discussesed the main difference、conversion method and conversion process between the CAD data and GIS data.
Key words: GIS; CAD data ; data format transformation; ArcGIS
中图分类号：TU990.3 文献标识码：A 文章编号：
1引言
经历将近五十年的发展历程，GIS在各行各業得到广泛应用，已日趋成熟。GIS由硬件、软件、数据、人员和方法五部分组成。在GIS项目建设过程中，数据占GIS整个工作流程75%的时间[1]，这就意味着在商业应用中，GIS系统成本的75%甚至更多用在了数据的建设上。而且数据质量的好坏对系统的运行起着至关重要的作用。鉴于此，有关专家提出数据格式转换，将现有的地图数据转换为GIS数据[2]。
在我国，地图数据绝大多数来源于测绘部门。目前，广大测绘工作者普遍采用AutoCAD系列软件进行作业。因此我国各大中城市的大中比例尺地形图中不同程度地都有AutoCAD数字地形图。地图数据到GIS数据的转换也相应地变为CAD到GIS数据的转换。ArcGIS作为常用GIS软件，具有强大的空间分析、数据管理等功能，在建立空间数据库方面具有得天独厚的优势[3]。笔者以地下管线CAD数据为例，利用ArcGIS的Geodatabase数据模型，探讨了CAD数据有效地转换到GIS数据库的方法，总结了可行的解决方案。
2CAD数据与GIS数据的主要区别
CAD和GIS之间有大量的技术重叠，两者都用计算机图形，相似的输入、输出设备，并生成漂亮的彩色图像。但是，两者的相似性到此为至。同GIS相比，CAD较简单，下面介绍一下两者之间的不同之处：
（1）拓扑关系。拓扑关系是GIS区别于CAD的一个重要特征，CAD中的图形元素之间没有拓扑关系，在其数据库中，通常只记录着表示图形元素几何位置、形状及大小的几何坐标和表示图形元素性质（如颜色、层等）的辅助数据。而在GIS系统中，不仅几何坐标，而且元素间的拓扑关系都是数据中不可缺少的内容。
（2）数据组织。在GIS系统中，数据按专题形式组织，一个专题（如道路、水系）对应于一个数据文件或一组数据文件，各个专题数据独立存在于GIS数据库中。在CAD系统中，一幅CAD图形往往对应于多个专题内容。如一幅地形图中，有等高线、建筑物、道路等多个专题。当然，CAD图形中的多个专题可以分别处于图形的不同层中。但是，他们统一存储在一个图形文件中。通常CAD图形中一层可以对应于GIS系统的一个专题。
（3）属性与符号。在CAD中，出了图形坐标以外，另一个重要内容就是图形数据。一个点状元素可以用不同的图形符号表示，一条线段可以对应于不同的线型，正是有了这些符号，CAD中的图形才具有很强的可视性。不同的符号可以具有不同的形状、大小和颜色。在GIS中，图形数据只有点、线、面三大类。各个元素没有固定符号表示在图形库中。但是，除了图形数据以外，GIS数据库中还有一部分属性数据，通常图形数据的符号特征记录在其中。对应于不同的属性内容，图形元素也可以以不同的形式表现出来。
3CAD转换到GIS数据存在的问题
之前已有一些人进行了CAD到GIS数据转换的相关研究[4][5][6]。但是都没能很好的解决在GIS系统里的存储和显示问题。没能够有效的表达CAD数据中的元素之间的几何关系和拓扑关系。严格意义的数据转换是指现有的CAD数据在转换为GIS数据时要保持其空间要素的几何一致性，转换后的数据要无损的表达。现有的转换存在以下问题：
（1）要素丢失： CAD软件中某些图形实体数据结构不能在GIS软件中接受，或者转换前后数据的对应关系没处理好，导致在CAD数据转换为GIS数据时，有的要素没有转换过来，造成了数据要素的丢失。
（2）要素变形：CAD几何形状包含水平和垂直线段，通常线段之间的夹角是规则的。GIS实际上不包含水平或垂直线段，除了直角，其它的规则夹角很少；在CAD中，圆弧和曲线是基本的，而在GIS中，它们实际上不存在。由此可见，CAD软件中的基本图元定义与GIS软件中的不完全一致，CAD中的图形数据结构和GIS中的图形数据结构不一样，再加上原CAD数据在作业的时候操作不规范，都有可能造成转换后数据要素变形。
（3）数据冗余：图形数据中可能存在碎线（如等高线、海岸线等）、空注记，或者因CAD中数据分层不合适造成转换后线上点密现象，都会造成数据冗余。
（4）属性信息不足：各种CAD软件都很少附有属性信息，这样就造成转换后属性信息不足，而属性信息却是GIS实现各种应用分析功能的关键因素。数据转换后许多属性信息追加起来费时费力，容易产生错漏并且不容易检查修改[4]。
4ArcGIS的解决方案
在格式间的转换，现在的各种GIS平台都提供了面向其他平台的数据双向转换工具，数据转换方法[7]很多。但是这并没有解决GIS对数据部门的真正需求，格式的转化仅仅达到了显示数据的图面表示目的。然而仅仅拥有图面的数据对GIS系统而言是远远不够的，缺乏与图面几何要素相关联的属性数据，GIS的强大空间分析能力就无从谈起。因此要真正的实现在CAD数据与GIS数据之间的相互转换，图形的一部分内容（几何坐标）需要转换成GIS 的图形数据，一部分内容（几何特征）需要以属性的形式记录到属性表中。
下面对地下管线CAD到GIS数据转换，提出一种基于ArcGIS的解决方案。基本流程（见图1）分为CAD数据转换前期处理；数据格式转换；转换后符号设计、属性提取、更新入库。
图1 数据转换解决方案基本流程
4.1 地物分层，数据编码
CAD是以图层的方式进行数据组织，包括点、线、面3种元素，图层组织没有统一的标准，而GIS一个图层只表示一种元素，而且，CAD的分类不够精确，为了出图效果更好，将同一元素以多个图层的方式出图，如将道路中心线，地下管线路中线等分成多个图层。因此，CAD数据转换为GIS数据时，GIS数据图层总数往往比CAD多，这样繁多复杂的图层关系，不利于GIS系统的管理分析。
对CAD数据转换为GIS数据进行图层分类，首先应对CAD源数据进行分析，然后根据用户的目的及数据处理的需求，提取CAD图层的主要信息，对转换后的GIS数据进行分层组织。
图层分类是对数据的定性标识，也是进行编码设计的基础。数据编码是一个或一组有序的数字或符号，便于计算机进行信息查找和识别。编码是GIS系统中地物的唯一关键字[4]，也是實现GIS基础空间信息共享的基础，GIS编码必须按照国家的标准进行设计，操作方便，且必须要有可扩充性，有利于日后信息的扩充。
4.2 属性设计
GIS系统与CAD系统的最大不同，也是GIS优胜之处，便是GIS系统能支持海量的属性信息。转换后需要根据CAD中的扩展属性，对GIS空间数据库图层进行属性设计，在ArcGIS的Geodatabase数据模型中，图形数据和属性数据是存在关系数据表中的，实现了属性数据和图形数据的有机集成[8]，可以根据GIS数据库满足应用要求为前提，对CAD图形进行编码，并进行属性链接的操作。
4.3 符号设计
在转换后的GIS数据库中，要素不能以符号显示，只有点、线、面和注记实体，不能识别为何种地物，因此要具有完善的符号库和符号匹配开发，可以在ArcGIS中，参照点、线、面符号标准的规定，设计相应的转换匹配符号库，实现地理要素与其对应地地图图式的匹配与连接[9]。
5 技术实现
ArcGIS提供的Geodatabases数据模型具有强大的数据管理功能，利用它可以实现空间数据的存储及管理。处理流程包括以下四个步骤：①在ModelBuilder中对CAD数据到Geodatabase数据的转换过程进行建模（图2）；②建立CAD数据和Geodatabase数据的属性项对照表（表1和表2）；③利用ArcGIS工具实现CAD数据到Geodatabase数据的转换（图3）；④利用ArcMap对转换后的数据进行符号化处理（图4）。通过试验，成功地实现了地下管线CAD数据向GIS空间数据库中的转换，通过对比可以看到转换以后，图形要素的空间特征、颜色得到了保持，没有丢失图形要素。
图2 从CAD到GIS数据的转换流程
表1 原始地下管线CAD数据管点属性设计表
表2 原始地下管线CAD数据管线属性设计表
图3 原始地下管线CAD数据
图4CAD转换后数据的符号化结果
6 结束语
随着GIS在各行各业中的广泛应用，GIS的开发显得日趋成熟，GIS数据库的建设显得相对薄弱，利用现有的CAD数据，将其转换成GIS数据是一个值得关注的数据快速生成方法。该文通过分析比较CAD数据与GIS数据的特点，以地下管线为试验数据，探讨了从CAD数据到Geodatabase数据库的方法，并且试验运行实现了数据转换、属性提取的功能。虽然只是针对地下管线做了实验，但可作其他CAD数据转入数据库的参考。
参考文献
[1]陈乐书，刘连胜，王长委.CAD到GIS数据格式转换的讨论.安徽农业科学，2009,37（18）：8799-8803.
[2]周勇前.GIS与CAD数据交换[J].武测科技,1996(3):16-19.
[3]于慧峰，李巍，杨树启.浅谈AutoCAD与ArcInfo数据属性信息互转.东北测绘,2001,24（3）：23-25.
[4] 周小成，焦道振.基于Geodatabase的CAD数据到GIS的解决方法.现代测绘，2004，27(6)：15-17.
[5] 毛卫华，应荷香.DNG数据格式转换的研究与实验.测绘通报,2001,5:37-39.
[6]郝平，陆宝济.CAD和GIS数据双向转换技术的研究.机电工程，2001，18(4)：9-11.
[7]陈南南,李蓬,周美霞,吴正.CAD数据到GIS数据转换的讨论.北京测绘,2012,1:15-17.
[8]王庆来，张鹏飞，赵钢.地形图CAD数据转换为理正GIS数据格式经验浅谈.城市勘测，2008，01(48)154-156.
[9]肖鸣.CAD数据向GIS空间数据库转换方法的实现.测绘信息与工程，2007，32(3)：24-26.