CN108897937B - 民航机场cad数据自动转换成dem数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了民航机场CAD数据自动转换成DEM数据的方法，解决现有技术需要依靠arcGIS平台，操作非常繁琐，以及生成的DEM数据精度不高的问题。自动转换系统，包括输入设备、数据处理器和输出显示器；自动转换方法，包括以下步骤，步骤1：机场CAD地势设计数据提取；步骤2：机场CAD地势设计数据配准；步骤3：构建DEM栅格数据，并对所构建的DEM栅格数据裁剪成机场DEM地理信息数据。本发明自动转换系统结构简单、设计科学合理，操作方便，可以独立运行，不需要依靠任何平台和工具，相对于传统的手动操作方法，大大缩短了处理的时间，提高了数据处理的效率和精度。

Description

民航机场CAD数据自动转换成DEM数据的方法

技术领域

本发明涉及民航机场CAD数据自动转换成DEM数据的系统及方法。

背景技术

我国民航正处于高速发展阶段，截止2017年7月底，我国民航运输机场数量达到225个，通用机场310个。大量新建的机场需要建设大量的通信导航设备，以保障机场的安全运行，而新建通信导航设备的信号覆盖和信号质量分析需要基于机场的设计地形来进行仿真分析，而由于机场尚未建设，国家地理数据库中是不存在机场建设完成后的地理数据的，因此，需要按照机场设计地形，在现有地理数据中将机场预选址范围内的地理信息数据进行更新，以便对通信导航设备的信号覆盖和信号质量进行仿真分析，为通信导航设备选址提供参考。

机场设计地形数据为CAD格式，主要包括两部分：围界内设计数据和围界外的设计数据。围界内设计数据是以20米或者30米一个网格进行设计，高程值标注于每个网格上；围界外的设计数据，由于范围较大，一般采用等高线形式。由于对机场通信导航设备影响较大的主要是围界内的地势设计数据，所以本文主要研究围界内CAD设计数据到地理信息数据DEM的转换，数据格式如附图1。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：民航机场CAD数据自动转换成DEM数据的系统及方法，解决现有技术需要依靠arcGIS平台，不具有独立性，并且由于CAD数据中的高程数据并不在属性值里面，所以导致提取格子位置和高程的过程非常繁琐，以及在进行数据转换时没有配准步骤，导致CAD位置不能很好的与地理信息数据进行融合，进而数据处理过程中误差大，最终导致生成的DEM数据不能很好的还原CAD设计地势的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

民航机场CAD数据转换成DEM数据的自动转换系统，包括：

输入设备，用于分别输入机场设计地势CAD文件，机场跑道中心点WGS84坐标，以及机场跑道磁航向、长度和宽度；

数据处理器，所述数据处理器的输入端与所述输入设备的输出端信号连接，用于接收从所述输入设备输出的数据信号，并将所接收到的数据信号依次进行CAD数据提取处理、CAD数据配准处理、构建机场DEM数据处理、以及裁剪所构建的机场DEM数据处理；

输出显示器，所述输出显示器的输入端与所述数据处理器的输出端信号连接，用于接收从所述数据处理器输出的数据信号，并将所接收到的数据信号分别进行机场DEM数据导出和机场DEM数据显示。

民航机场CAD数据转换成DEM数据的自动转换系统的转换方法，包括以下步骤：

步骤1：将机场设计地势CAD文件中格子状的地势设计数据，按照其分布位置，自动提取为点数据，同时将格子上标注的高程数据，自动转换为点数据的属性值，从而构建CAD地势设计数据的三维数据表，同时根据输入的跑道中心点WGS84坐标、跑道长度和宽度，对三维数据表中跑道对角线两个端点进行标记；

步骤2：根据跑道对角线端点的WGS84坐标、跑道磁航向、以及跑道长度和宽度，按照高斯-克吕格投影算法，将跑道对角线两个端点的平面坐标转换成WGS84经纬度坐标，然后使用两个配准点的矩形配准方法，将机场地势设计数据配准为WGS84坐标系的地理信息数据；

步骤3：在WGS84坐标系的地理信息数据集基础上，采用距离反比权值法，按照一定的分辨率，构建栅格状的DEM栅格数据，并在所构建的DEM栅格数据中提取有效的机场数据，同时将无效数据删除，即完成机场CAD地势设计数据转换成机场DEM地理信息数据。

具体地说，在所述步骤1中，构建CAD地势设计数据的三维数据表时，将机场CAD地势设计数据构建为凸多边形，在所述步骤3中，从所构建的DEM栅格数据中将所述凸多边形剪切出来，即为机场DEM地理信息数据。

更具体地说，在所述步骤2中，所述高斯投影算法必须满足三个条件，具体为：①中央子午线投影后为直线，②中央子午线投影后长度不变，③投影具有正形性质；并且所述高斯-克吕格投影算法具体为：

高斯投影反算公式是由高斯平面坐标(x,y)求解WGS-84经纬度坐标(L,B)，此公式换算的精度为0.0001″，WGS-84坐标基本椭球参数为：

椭球长半轴a＝6378137m，椭球扁率f＝1/298.257222101，椭球短半轴：b＝a(1-f)，椭球第一偏心率：

椭球第二偏心率：

a₀，a₂，a₄，a₆，a₈为基本常量，按以下公式计算：

m₀，m₂，m₄，m₆，m₈为基本常量，按以下公式计算：

y＝y-500000；

首先计算B_f，即底点纬度，也就是当x＝X时的子午线弧长所对应的纬度，按照子午线弧长公式：

迭代进行计算：

初始开始时设：

以后每次迭代按下列公式计算：

重复迭代至

为止，得到B_f的值；

t_f＝tan B_f； (3)

根据计算出的B_f，公式(1)、(2)、(3)和(4)，纬度B计算公式如下：

经度L计算公式为：

其中，L₀为中央子午线经度，y为高斯平面坐标y值，X为子午线弧长。

具体地说，在所述步骤2中，所述矩形配准方法具体为：

由于CAD设计数据在配准前，已经按照跑道真航向进行了旋转，所以坐标轴与跑道真航向一致；根据上述的高斯投影算法，已经得到跑道左上角A点和右下角C点的经纬度，其中：

X-经度，单位度；y-纬度，单位度；L_r-跑道长度，单位米；W-跑道宽度，单位米；θ-跑道与正北所成夹角，单位度；D-三维点数据集中任意一点距离跑道左上角A点的距离；Dx-长度D在o x轴上的分量；Dy-长度D在o y轴上的分量；

根据已经转换为WGS-84坐标的跑道左上角A点和跑道右下角C点，可以将三维点数据集中的其它点WGS-84坐标推算出来，计算方法如下：

通过上述算法，可以将三维点数据中的x,y坐标全部转换成WGS-84坐标系下的经纬度坐标，从而将机场地势设计图CAD平面数据配准到WGS-84坐标系下。

进一步地，在所述步骤3中，根据机场地势设计CAD图转换为的三维点数据集，为一系列离散有规则的点，在构建DEM栅格数据时，若分辨率与CAD设计数据不同，则需要进行插值，具体做法为：设定机场地势设计图中有n个离散点，已知其坐标和值为(x_i，y_i)，z_i(i＝1，2，…，n)，M点的坐标为(x，y)，通过距离加权值求插值点M的z值，见以下公式：

d_i ²＝(x-x_i)²+(y-y_i)²

其中d_i表示M点与第i个点(x_i，y_i)的距离；

距离反比权值法通过对邻近区域的每个采样点值平均运算获得内插单元，这一方法要求离散点均匀分布，并且密度程度足以满足在分析中反映局部表面变化，由于机场地势设计图方格网大小差异不大，分布较均匀，所以采用距离反比权值法精度较高。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明自动转换系统结构简单、设计科学合理，操作方便，可以独立运行，不需要依靠任何平台和工具，相对于传统的手动操作方法，大大缩短了处理的时间，提高了数据处理的效率和精度。

(2)本发明自动转换系统只需导入CAD地势设计数据，并输入跑道中心点的WGS84坐标、跑道长度和宽度，即可自动实现配准和DEM数据构建，并自动生成DEM栅格数据，且能根据机场CAD地势设计数据构建凸多边形，并从构建的DEM数据中剔除机场外的无效数据，裁剪出精确的机场DEM数据，最大限度的还原机场地势和地形(机场CAD地势设计数据)，效率高且操作快捷，精度高，为机场通信导航台信号覆盖和信号质量仿真模拟提供基础数据，可有效保证仿真分析的精度。

(3)本发明自动转换系统可以不再依托arcGIS平台来对地理信息数据进行处理，省去了繁杂的操作过程，生成的DEM数据精度高，可以直接与国家地理信息数据(.tif，.dem格式)进行镶嵌和融合，弥补了国家地理信息数据中不包含新建机场地理信息数据的空白，导出的数据可以导入通信导航设备仿真分析平台进行分析，为机场通信导航台选址提供了参考依据。

(4)本发明自动转换系统可以快速将机场地势设计图转换为可以进行空间仿真分析的数字高程模型(DEM)，为新建机场、改扩建机场地势设计提供了参考。

附图说明

图1为本发明机场设计地势CAD示意图。

图2为本发明机场设计地势CAD数据转换成机场DEM栅格数据示图。

图3为本发明机场DEM栅格数据剪切成机场DEM地理信息数据示图。

图4为本发明自动转换系统的结构示意图。

图5为本发明自动转换系统的功能结构图。

图6为本发明矩形配准示图。

图7为本发明距离反比权值法示图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-输入设备、2-数据处理器、3-输出显示器。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图4和5所示，本发明提供的民航机场CAD数据转换成DEM数据的自动转换系统，结构简单、设计科学合理，操作方便，可以独立运行，不需要依靠任何平台和工具，相对于传统的手动操作方法，大大缩短了处理的时间，提高了数据处理的效率和精度。所示自动转换系统包括：

输入设备1，用于分别输入机场设计地势CAD文件，机场跑道中心点WGS84坐标，以及机场跑道磁航向、长度和宽度；

数据处理器2，所述数据处理器2的输入端与所述输入设备1的输出端信号连接，用于接收从所述输入设备1输出的数据信号，并将所接收到的数据信号依次进行CAD数据提取处理、CAD数据配准处理、构建机场DEM数据处理、以及裁剪所构建的机场DEM数据处理；

输出显示器3，所述输出显示器3的输入端与所述数据处理器2的输出端信号连接，用于接收从所述数据处理器2输出的数据信号，并将所接收到的数据信号分别进行机场DEM数据导出和机场DEM数据显示。

本发明自动转换系统只需导入CAD地势设计数据，并输入跑道中心点的WGS84坐标、跑道长度和宽度，即可自动实现配准和DEM数据构建，并自动生成DEM栅格数据，且能根据机场CAD地势设计数据构建凸多边形，并从构建的DEM数据中剔除机场外的无效数据，裁剪出精确的机场DEM数据，最大限度的还原机场地势和地形(机场CAD地势设计数据)，效率高且操作快捷，精度高，为机场通信导航台信号覆盖和信号质量仿真模拟提供基础数据，可有效保证仿真分析的精度。

本发明自动转换系统可以不再依托arcGIS平台来对地理信息数据进行处理，省去了繁杂的操作过程，生成的DEM数据精度高，可以直接与国家地理信息数据(.tif，.dem格式)进行镶嵌和融合，弥补了国家地理信息数据中不包含新建机场地理信息数据的空白，导出的数据可以导入通信导航设备仿真分析平台进行分析，为机场通信导航台选址提供了参考依据。

如图1-3所示，民航机场CAD数据自动转换成DEM数据的自动转换方法，包括以下步骤：

步骤1：将机场设计地势CAD文件中格子状的地势设计数据，地势设计数据如图1所示，按照其分布位置，自动提取为点数据，同时将格子上标注的高程数据，自动转换为点数据的属性值，从而构建CAD地势设计数据的三维数据表，同时根据输入的跑道中心点WGS84坐标、跑道长度和宽度，对三维数据表中跑道对角线两个端点进行标记；

其中，自动转换为点数据的属性值的方法具体如下：

使用visual C++，调用AutoCAD开发工具接口ObjectARX中的函数。

acedSSGet()[ads_ssget()]；//通过CAD文档的名称，将CAD文件中的实体加入到指定的选择集；

int count＝acedSSLength()；//获取选择集中实体的数量；

for(int i＝0；i<count；i++)；

{acedSSName()[ads_ssname()]；//获取选择集中每个实体的名称}//通过遍历选择集，将选择集中不符合要求的实体过滤掉，由于高程数值是文本格式，所以将所有非文本格式的实体全部过滤掉，剩下文本格式的实体；

Struct[]textValue＝acdbEntGet()；//通过实体名称获取数据集，将文本数据集获取出来，该函数返回缓冲区链表形式的实体数据；

int textValueCount＝textValue.length；

Point3D[]points＝new Point3D[]；

for(int i＝0；i<textValueCount；i++)；

{points[i]＝new point(textValue.x,textValue.y,textValue.z)；//将文本数据中的信息提取出来构造三维点数据集，且文本数据所在的位置x，y和文本值z都转换为点数据的属性值}。

步骤2：根据跑道对角线端点的WGS84坐标、跑道磁航向、以及跑道长度和宽度，按照高斯-克吕格投影算法，将跑道对角线两个端点的WGS84坐标转换成WGS84经纬度坐标，然后使用两个配准点的矩阵配准方法，将机场地势设计数据配准为WGS84坐标系的地理信息数据；

步骤3：在WGS84坐标系的地理信息数据集基础上，采用距离反比权值法，按照一定的分辨率，构建栅格状的DEM栅格数据，所构建DEM栅格数据如图2所示，并在所构建的DEM栅格数据中提取有效的机场数据，同时将无效数据删除，即完成机场CAD地势设计数据转换成机场DEM地理信息数据，所述机场DEM地理信息数据如图3所示。

具体地说，在所述步骤1中，构建CAD地势设计数据的三维数据表时，将机场CAD地势设计数据构建为凸多边形，在所述步骤3中，从所构建的DEM栅格数据中将所述凸多边形剪切出来，即为机场DEM地理信息数据。

进一步地，在所述步骤2中，所述高斯投影算法必须满足三个条件，具体为：①中央子午线投影后为直线，②中央子午线投影后长度不变，③投影具有正形性质；并且所述高斯-克吕格投影算法具体为：

高斯投影反算公式是由高斯平面坐标(x,y)求解WGS-84经纬度坐标(L,B)，此公式换算的精度为0.0001″，WGS-84坐标基本椭球参数为：

椭球长半轴a＝6378137m，椭球扁率f＝1/298.257222101，椭球短半轴：b＝a(1-f)，椭球第一偏心率：

椭球第二偏心率：

a₀，a₂，a₄，a₆，a₈为基本常量，按以下公式计算：

m₀，m₂，m₄，m₆，m₈为基本常量，按以下公式计算：

y＝y-500000；

首先计算B_f，即底点纬度，也就是当x＝X时的子午线弧长所对应的纬度，按照子午线弧长公式：

迭代进行计算：

初始开始时设：

以后每次迭代按下列公式计算：

重复迭代至

为止，得到B_f的值；

t_f＝tan B_f； (3)

根据计算出的B_f，公式(1)、(2)、(3)和(4)，纬度B计算公式如下：

经度L计算公式为：

其中，L₀为中央子午线经度，y为高斯平面坐标y值，X为子午线弧长。

进一步地，在所述步骤2中，所述矩形配准方法具体为：

如图6所示，由于CAD设计数据在配准前，已经按照跑道真航向进行了旋转，所以坐标轴与跑道真航向一致；根据上述的高斯投影算法，已经得到跑道左上角A点和右下角C点的经纬度，其中：

x-经度，单位度；y-纬度，单位度；L_r-跑道长度，单位米；W-跑道宽度，单位米；θ-跑道与正北所成夹角，单位度；D-三维点数据集中任意一点距离跑道左上角A点的距离；Dx-长度D在o x轴上的分量；Dy-长度D在o y轴上的分量；

根据已经转换为WGS-84坐标的跑道左上角A点和跑道右下角C点，可以将三维点数据集中的其它点WGS-84坐标推算出来，计算方法如下：

通过上述算法，可以将三维点数据中的x,y坐标全部转换成WGS-84坐标系下的经纬度坐标，从而将机场地势设计图CAD平面数据配准到WGS-84坐标系下。

进一步地，距离反比权值插值(IDW)是一种以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均的插值方法，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。

根据机场地势设计CAD图转换为的三维点数据集，为一系列离散有规则的点，在构建DEM栅格数据时，若分辨率与CAD设计数据不同，则需要进行插值，具体做法为：如图7所示，设定机场地势设计图中有n个离散点，已知其坐标和值为(x_i，y_i)，z_i(i＝1，2，…，n)，M点的坐标为(x，y)，通过距离加权值求插值点M的z值，见以下公式：

d_i ²＝(x-x_i)²+(y-y_i)²

其中d_i表示M点与第i个点(x_i，y_i)的距离；

距离反比权值法(IDW)通过对邻近区域的每个采样点值平均运算获得内插单元，这一方法要求离散点均匀分布，并且密度程度足以满足在分析中反映局部表面变化，由于机场地势设计图方格网大小差异不大，分布较均匀，所以采用距离反比权值法(IDW)精度较高。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.民航机场CAD数据转换成DEM数据的自动转换系统的转换方法，其特征在于，所述自动转换系统包括：

输入设备(1)，用于分别输入机场设计地势CAD文件，机场跑道中心点WGS84坐标，以及机场跑道磁航向、长度和宽度；

数据处理器(2)，所述数据处理器(2)的输入端与所述输入设备(1)的输出端信号连接，用于接收从所述输入设备(1)输出的数据信号，并将所接收到的数据信号依次进行CAD数据提取处理、CAD数据配准处理、构建机场DEM数据处理、以及裁剪所构建的机场DEM数据处理；

输出显示器(3)，所述输出显示器(3)的输入端与所述数据处理器(2)的输出端信号连接，用于接收从所述数据处理器(2)输出的数据信号，并将所接收到的数据信号分别进行机场DEM数据导出和机场DEM数据显示；

所述转换方法包括以下步骤：

步骤1：将机场设计地势CAD文件中格子状的地势设计数据，按照其分布位置，自动提取为点数据，同时将格子上标注的高程数据，自动转换为点数据的属性值，从而构建CAD地势设计数据的三维数据表，同时根据输入的跑道中心点WGS84坐标、跑道长度和宽度，对三维数据表中跑道对角线两个端点进行标记；

步骤2：根据跑道对角线端点的WGS84坐标、跑道磁航向、以及跑道长度和宽度，按照高斯-克吕格投影算法，将跑道对角线两个端点的平面坐标转换成WGS84经纬度坐标，然后使用两个配准点的矩形配准方法，将机场地势设计数据配准为WGS84坐标系的地理信息数据；

步骤3：在WGS84坐标系的地理信息数据集基础上，采用距离反比权值法，按照一定的分辨率，构建栅格状的DEM栅格数据，并在所构建的DEM栅格数据中提取有效的机场数据，同时将无效数据删除，即完成机场CAD地势设计数据转换成机场DEM地理信息数据；

在所述步骤2中，所述高斯投影算法必须满足三个条件，具体为：①中央子午线投影后为直线，②中央子午线投影后长度不变，③投影具有正形性质；并且所述高斯-克吕格投影算法具体为：

高斯投影反算公式是由高斯平面坐标(x,y)求解WGS-84经纬度坐标(L,B)，此公式换算的精度为0.0001″，WGS-84坐标基本椭球参数为：

椭球长半轴a＝6378137m，椭球扁率f＝1/298.257222101，椭球短半轴：b＝a(1-f)，椭球第一偏心率：

椭球第二偏心率：

a₀，a₂，a₄，a₆，a₈为基本常量，按以下公式计算：

m₀，m₂，m₄，m₆，m₈为基本常量，按以下公式计算：

y＝y-500000；

首先计算B_f，即底点纬度，也就是当x＝X时的子午线弧长所对应的纬度，按照子午线弧长公式：

迭代进行计算：

初始开始时设：

以后每次迭代按下列公式计算：

重复迭代至

为止，得到B_f的值；

t_f＝tanB_f； (3)

根据计算出的B_f，公式(1)、(2)、(3)和(4)，纬度B计算公式如下：

经度L计算公式为：

其中，L₀为中央子午线经度，y为高斯平面坐标y值，X为子午线弧长。

2.根据权利要求1所述的转换方法，其特征在于，在所述步骤1中，构建CAD地势设计数据的三维数据表时，将机场CAD地势设计数据构建为凸多边形，在所述步骤3中，从所构建的DEM栅格数据中将所述凸多边形剪切出来，即为机场DEM地理信息数据。

3.根据权利要求2所述的转换方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述矩形配准方法具体为：

由于CAD设计数据在配准前，已经按照跑道真航向进行了旋转，所以坐标轴与跑道真航向一致；根据上述的高斯投影算法，已经得到跑道左上角A点和右下角C点的经纬度，其中：

X-经度，单位度；y-纬度，单位度；L_r-跑道长度，单位米；W-跑道宽度，单位米；θ-跑道与正北所成夹角，单位度；D-三维点数据集中任意一点距离跑道左上角A点的距离；Dx-长度D在o x轴上的分量；Dy-长度D在o y轴上的分量；

根据已经转换为WGS-84坐标的跑道左上角A点和跑道右下角C点，可以将三维点数据集中的其它点WGS-84坐标推算出来，计算方法如下：

通过上述算法，可以将三维点数据中的x,y坐标全部转换成WGS-84坐标系下的经纬度坐标，从而将机场地势设计图CAD平面数据配准到WGS-84坐标系下。

4.根据权利要求3所述的转换方法，其特征在于，在所述步骤3中，根据机场地势设计CAD图转换为的三维点数据集，为一系列离散有规则的点，在构建DEM栅格数据时，若分辨率与CAD设计数据不同，则需要进行插值，具体做法为：设定机场地势设计图中有n个离散点，已知其坐标和值为(x_i，y_i)，z_i(i＝1，2，…，n)，M点的坐标为(x，y)，通过距离加权值求插值点M的z值，见以下公式：

d_i ²＝(x-x_i)²+(y-y_i)²

其中d_i表示M点与第i个点(x_i，y_i)的距离；

距离反比权值法通过对邻近区域的每个采样点值平均运算获得内插单元，这一方法要求离散点均匀分布，并且密度程度足以满足在分析中反映局部表面变化，由于机场地势设计图方格网大小差异不大，分布较均匀，所以采用距离反比权值法精度较高。

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