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)

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思路与实用价值。

1.1 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 Interoperability 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。

1.2 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。

1.3 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Feature Class 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1 CAD格式数据与Shapefile格式数据属性对比

ArcGIS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。

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。

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1 b))。

图1 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

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2 CAD格式数据转换为Shapefile格式数据软件截图

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。

图3 南昌地铁2号线地铁保护巡查地图

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能，能够自动测算巡查人员的当前位置与地铁保护区外边线的最近距离，并以此精准判断周边地铁工程项目是否位于地铁保护区范围。GIS面域分析及距离自动测算软件截图如图5所示。利用辅助倾斜摄影技术，通过SuperMap GIS(北京超图地理信息系统软件)将二维的地铁保护区边线与三维地面融合，可以将地铁保护区范围在城市三维实景模型中叠加展示出来，如图6所示。

图4 地铁保护区巡查人员轨迹展示软件截图

图5 GIS面域分析及距离自动测算软件截图

图6 地铁保护区范围在城市三维实景模型中的叠加展示

本文介绍了一种基于ArcGIS技术的CAD格式数据转换成GIS数据的方法。同时,将转换后的GIS数据与在线地图相结合，以地铁运营期间周边工程项目巡检人员的业务需要为出发点，打造了一套集巡检人员实时作业轨迹记录、在建项目与地铁保护区及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等功能的巡查管理系统，打破了CAD格式数据难以进行信息化和数字化抽象、计算机语义化编程、提取分析及业务功能展示的壁垒，提高了地理信息数据的综合利用率。通过该软件能够帮助管理人员及巡查人员更直观简便地在地铁保护区空间范围进行巡查管理。目前，该技术及其相关系统已在实际工程项目中获得较好的应用，并具有市场推广价值。

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