CAD环境下地形图变化检测技术研究成果

基于CAD环境的地形图变化检测技术研究

诸敏秋　迟有忠　窦　炜　尹向军

摘　要：本文在分析城市大比例尺地形图变化检测技术的基础上，基于地理要素的抽象特征，从多个角度研究地理要素变化特征、地理要素表达规则、CAD实体结构，并进行地理要素变化逻辑分析。基于变化检测的“相同”原则，研究并实现了基于CAD平台自动获取变化信息文件的检测方法，为增量更新GIS数据库提供更新依据。

关键词：CAD平台；大比例尺地形图；变化检测；变化信息文件；程序实现

1　引言

基础地理要素的变化检测是近几年来广泛被关注的技术热点，通过变化检测技术，可以获知基础地理信息的变化内容：增加、删除、几何变化、属性变化等等版本变化的实质性内容，为GIS数据库更新提供更加有利的条件。目前国内外基于变化检测技术主要有以下三种方法：①基于卫星遥感数据自动或半自动识别。该方法是国内研究数据库更新研究最多的方法，如李德仁、张剑清等。但这种研究面临着影像数据精确配准、影像变化信息自动提取质量与效率等多种技术难题，离更新生产实际尚有很大差距。②基于事件的变化信息，形成变化信息文件。这种方式无需通过技术手段去研究地物的几何或属性性质与规律以判读变化地物，而是通过记录地物发生变化的每一个过程事件，形成信息文件，为更新GIS数据库提供依据。但这种方式对要求跟踪整个生产与更新过程，每个过程不能有疏漏，要求有较高的监控力度，难以大面积推广。③基于两版本数据进行对比，检测并形成变化信息。这种方式首先需要我们对数据的几何、属性以及变化规律有详细的了解和分析，它基于统一的数据标准，通过空间位置、属性结构以及拓扑关系等多个角度，设计变化比对算法以实现检测变化地物，这种方式不需要关注变化的每一个过程，只要关注获取版本与提交版本之间的差异即可，是一种比较理想的更新方式。总之，前两种变化检测方式，目前已经有较多的研究成果，但对于后一种，研究目前还较少，如在吴建华在“数据更新中要素变化检测与匹配方法”一文中研究的在要素类之间缺乏同名实体关联关系的情况下，在GIS环境下通过空间分析自动识别出当前要素的同名实体及它们之间的变化信息，提出了基于权重的空间要素相似性计算模型，以达到变化检测与匹配更新的目的，但就国内外关于基于CAD矢量数据变化检测（两个版本比对）技术研究还处于起步阶段。这种方式可以使GIS数据库管理者轻松地获得两个版本的变化比对信息，并作为快速GIS数据库要素更新的直接依据。这种方式的研究对GIS更新具有重要意义，并将产生可观的经济效益。

本文主要在分析城市大比例尺地形图变化检测技术现状的基础上，研究基于CAD平台的变化检测技术，从而获得变化检测信息文件，为增量更新GIS数据库提供有效的变化信息。

2　基于CAD环境下矢量数据变化检测分析

如果不考虑地理要素的时态信息，地理要素的信息包括图形（几何）信息和属性信息，则地物的变化包括图形信息的变化和属性信息的变化。虽然CAD环境下的要素实体不存在严密的拓扑关系，但只要我们对基于CAD环境下地理要素的变化类型条件与规律深入研究，就能找出地理要素变化判断与检测的技术方法。

2．1　地理要素表达规则分析

目前，我国不少城市已经拥有了一套基于统一标准的基础地理信息成果数据，这些数据都基于严格的、统一数据编辑平台、统一的表达规则。本文中所述的是大比例尺地形图地理要素的表达，其抽象程度较小，要素描述较复杂，但基于一定的规则。下文的表达规则分析以某市大比例尺地形图分类和数据标准为依据。

2．1．1　几何表达方式

大比例尺地理要素的几何类型涉及点、线、面、注记。但在CAD平台中，与GIS软件不同，它并没有面的概念，它的面是通过封闭的线来表达的；另外，点的描述也分两种：POINT、BLOCK，前者为真正意义上的点，如高程点等，后者则为符号点，如通讯线等有向符号或喷水池等无向符号。

CAD平台中要素表达的几何实体类型一般采用点“POINT”、优化多段线“LWPOLYLINE”、二维多段线“POLYLINE（2D）”、符号块“BLOCK”、圆“CIRCLE”、单行文字“TEXT”、弧“ARC”、直线“LINE”八种CAD实体类型，所以一张质量合格的大比例尺地形图中的CAD实体类型是有限的，这将大大减少变化量检测判读所要考虑的条件，提高检测效率。

2．1．2　属性的表达方式

地理要素的属性内容主要在CAD环境下的“LAYER”“THICKNESS”“ELEVATION”“XDATA”“BLOCKNAME”“TEXT”中体现。下面对属性内容表达进行一定的归类分析：

①代码表达：普通点（“POINT”）、线、面要素代码利用CAD实体的“厚度”值或扩展属性值的方式来描述（见图1）；点符号（“BLOCK”）的代码利用其“块名”来表达（见图2）。②分类信息表达：按照地理要素九大类分层表达，其层属性中继承了要素大类信息。为描述面向GIS的要素特征，还增加了一些GIS辅助层。③高度值表达：高程注记点、控制点、等高线的高程值均放置于高程点的“ELEVATION”属性值中（见图3）。④扩展属性表达：面向GIS对象的地理要素属性分类不仅仅只有上述几项，它还包括该要素所承载的其他特性，如对于建筑物而言，它的属性项还包括名称（单位名称）、结构、楼层、门牌号码、房屋用途、房屋高程、建筑物名称等；在CAD环境中，这些数据都被称为“属性扩展数据”，被按照一定的规则（见图4）放在“XDATA”中。⑤注记表达：注记作为一种特殊的要素类型，它的文字内容即是它的重要属性值。

图1　普通点代码表达示意图

图2　点符号代码表达示意图

图3　高程表达示意图

图4　扩展属性表达示意图

2．2　地理要素CAD实体结构与变化检测条件的逻辑关系

变化检测CAD二次开发软件的类库或者函数库都是基于CAD实体的组码结构来解析的。从地理要素表达规则可以知道，在进行变化检测比对时，主要考虑的变化检测实体类型是POINT、LWPOLYLINE等以上八种CAD实体类型，这些实体类型在CAD环境中都以固定的数据结构来描述。将此八种实体结构进行仔细分析，可以归纳出与变化检测条件相关的实体组码值比对表：

表1　与变化检测实体类型相关的实体组码对照表

注：●代表某实体类型具备该组码值，并与变化检测条件相关。

从表1可以看出，在统一的标准下，对于两个时间版本地形图数据，要将它们进行变化比对与检测，需检测的实体类型是有限的、明确的，这将提高变化检测的效率。

3　变化检测设计

3．1　变化检测前提条件与检测原则

3．1．1　前提条件

本文中变化检测是针对相邻更新时间的分幅地形图而言，即以A时间版本分幅地形图（前一个版本）为依据，对同范围的B时间版本分幅地形图（后一个版本）进行变化比对，并产生变化信息文件，A其设计前提条件是：

①A、B时间版本地形图均是标准分幅的地形图，变化检测的范围完全一致；②A时间版本分幅地形图为当前GIS数据库同步的CAD地形图成果数据，即两者在内容、表达上一致；③版本数据均经过严格的数据质量检查，保证A、B版本数据均按照统一的数据标准生产。

3．1．2　检测原则

依据前面的分析，地理要素的信息变化体现在几何、属性信息变化两个方面。几何信息变化检测的判断原则有两种：“相同原则”“相似原则”。“相同原则”指的是两个CAD实体在几何性质上完全相同，即它们的几何数据结构是完全一致的。而“相似原则”则认为CAD实体在一定容差范围内，形状相似即认为相同，如A曲线的顶点数与B曲线不一致，B曲线是A曲线一定容差内插点生成，这种情况认为两者一致。由于后者判断条件较多、条件容易遗漏，并会导致程序的运行效率降低，所以本文中采用的是“相同原则”。

3．2　变化检测逻辑关系

一般来说，单个地理要素的变化类型归纳为出现、消失、属性变化、扩大、缩小、变形、移动和旋转等8种类型；而变化检测包括了几何信息检测和属性信息检测两个方面，几何变化是变化检测首要条件，依据“相同原则”，它导致的数据变更产生三个结果：新建、修改、删除。然后判断的是属性信息变更，它是在几何信息产生修改的结果上再进行判断的，所以它只产生一种结果：修改。这些结果类型也是我们客观记录变化检测结果的几种类型。(www.xing528.com)

由于“修改”操作具有较高的计算复杂性，不便于处理和控制，所以适合于将这一过程分解为“新建”和“删除”两个过程来实现。CAD中的每个实体都有一个句柄作为它的唯一标识，是以后更新GIS数据库的纽带。依据CAD句柄为逻辑主线进行A、B版本两幅图变化比较应该考虑以下几种情况（见图5）：

（1）A版本中某实体句柄在B版本中不存在，其变化检测结果是“删除”。

（2）A版本中某实体句柄在B版本中存在，但并不一定相同，两者如果存在扩大、缩小、变形、移动、旋转的几何差异，其变化检测结果则是“几何变化”；如果不存在以上的几何差异，则进一步进行其属性信息的比对检测，属性不同，其变化检测结果则是“属性变化”；如果几何与属性都相同，则其变化检测结果则是“不变”，不予记录。

（3）如果B版本中某实体句柄在A版本中不存在，其变化检测结果是“新建”。

（4）AB版本的两个CAD实体完全一样：其空间位置、外观、属性完全相同，但句柄却不同，有可能是因为复制了原要素的原因（原要素已被删除），这种情况在本文所述的GIS动态更新流程中出现的概率很少，但也应作为特殊情况考虑，变化检测结果应为删除一个旧版本实体，新建一个新版本实体。

图5　变化类型与变化结果关系示意图

4　变化检测实现

4．1　变化检测判断条件

常规情况CAD环境下的变化检测应从CAD实体的结构分析出发，对每一个要素进行结构性的完全比对，很显然，这种检测是带一点盲目性的，一方面效率低，另一方面对软件设计的要求很高。依据前面的论述，我们的变化检测是有限条件下的检测，在有限的实体类型及有限的组码条件下，对每个CAD要素按照先几何比对后属性比对的顺序进行。每一类CAD实体的比对不是全结构的数据比对，而是按照与变化检测相关联的组码类，依据每一个要素与其周边要素进行几何与属性的逐个比对。

4．2　程序实现

目前CAD提供多种二次开发接口，本文选择的ObjectARX开发接口可以和AutoCAD共享地址空间，直接调用AutoCAD的内部函数，可用于对AutoCAD实体和对象进行各种访问和操作，其数据访问方式及获取的实体结构信息途径与CAD组码结构相一致，我们可以通过它轻松读取每一个CAD实体结构的特征值，如坐标、层名、厚度、方向、扩展属性等，方便两个实体间的变化比对。

4．2．1　关于被比对图幅句柄的处理

假定A为从与GIS数据库同步的地形图成果库下载的A时间版本大比例尺地形图，B为经过某过程修测后的直接在A版本基础上修改的B时间版本地形图。变化检测必须把两幅图合在一起，便于在统一的空间基准下搜索、判断、检测，由于图中的句柄值是以后GIS库增量更新操作的依据，两图幅合并后，被插入的图幅中要素的句柄将改变，所以在变化检测前，应对被插入的A图中的句柄记录到内存，并与插入后每个要素的流水号进行绑定。

4．2．2　变化记录方式

从程序设计的角度出发，以上四种结果的判断均来自于对CAD实体几何与属性的判断，所以在我们变化记录表格中，分为两个子表来描述：几何比对结果、属性比对结果。下面就以某个竣工测量后地形图变化的例子来说明变化检测结果的记录方式：

从图6可以看出：①图中“序3号楼”在变化前后其几何空间与属性均未发生改变，所以不需要作任何记录；②图中“序2号楼”A图中存在，但竣工测量后该楼进行了拆除，故在“几何比对结果”表中记录A图中该要素的句柄值，并注明“删除”；③图中“序4号楼”A图中存在，但竣工测量后该楼进行了拆除，并新建了竣工测量后的新建筑物“序5号楼”在B图中存在。分两种状况分析：第一种，如果两者句柄不同，此变化在“几何比对结果”表中记录A图中“序4号楼”的句柄值，并注明“删除”，同时记录B图中“序4号楼”的句柄值，并注明“新建”；第二种，如果两者句柄相同，该变化属于“几何修改”，但考虑后面的增量更新GIS数据库的规则简单化，记录方式同第一种；④图中“序1号楼”A图中存在，在B图中也存在，它们的几何性质相同，但属性不同（单位名称有改变）。此变化在“属性比对结果”表中记录A图中“序1号楼”的句柄值，并注明“属性变化”。

图6　竣工测量前后地物要素前后对比图

注：图中灰色粗线部分为竣工测量前未变化的原始图幅A，黑色细线部分为竣工测量建筑物发生变化后的图幅B。

4．2．3　程序设计与实现

依据上述的变化检测的条件、原则，设计基于CAD平台的变化检测的软件设计流程（见图7），实现变化检测结果的获取，为增量更新GIS数据库提供依据。

依据变化检测信息文件结果，就可以实现GIS数据库进行信息判断、增量要素更新，达到变化检测的真正目的。

图7　变化量检测程序流程图

图8　程序输出结果表——几何、属性比对结果信息表（例子）

5　结语

本文对基于矢量数据变化检测的技术探索取得了一定的成果，在增量要素级更新数据库的效率，减少更新数据冗余方面效果明显，但仍存在一定的不足，本文中变化检测是在有限条件下的变化比对，诚然，该方式可以提高检测效率，但也在某种程度上，限制了程序变化比对的应用范围；另一面，本文中的变化检测是基于“相同”原则，即实体每一个检测条件的数学特征都一一进行比对，稍有差异即反映变化，这种方式的检测结果检测敏感度高，希望以后的变化检测能向“相似”原则突破，为城市GIS增量要素级更新提供更为有效的手段。

参考文献

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（本文原载于《测绘科学》2012年第1期）