山東省高速公路工程地質(zhì)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

張 震，馬安青，焦俊超

（中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100）

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，高速公路的建設(shè)步伐和規(guī)模都迅速展開，高速公路建設(shè)中的工程地質(zhì)信息在深度和廣度上都已經(jīng)達到了相當(dāng)大的規(guī)模，積累了大量的成果資料［1］。有效管理和利用這些成果資料對于減少重復(fù)工作進而降低工程建設(shè)早期的勘察成本、實現(xiàn)節(jié)約型建設(shè)具有重要意義。工程地質(zhì)信息涉及到的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既有空間數(shù)據(jù)，又有屬性數(shù)據(jù)［2］，傳統(tǒng)信息管理系統(tǒng)已無法實現(xiàn)在空間地理信息基礎(chǔ)上的管理和分析功能。近年來快速發(fā)展起來的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）可以對地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行有效管理，并具有強大的空間分析能力，目前已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)領(lǐng)域［3－5］。

ArcGIS是ESRI（美國環(huán)境系統(tǒng)研究所）推出的一套完整的GIS軟件產(chǎn)品，具有海量空間數(shù)據(jù)存儲、編輯、分析等功能。通過它提供的ArcGIS Engine組件庫可創(chuàng)建完全脫離ArcGIS Desktop而運行的GIS應(yīng)用程序，并且具有良好的系統(tǒng)集成性［6］。根據(jù)GIS的這些特點，本研究以ArcGIS Engine為開發(fā)平臺，以山東省為例，在對山東省工程地質(zhì)資料整理、歸類的基礎(chǔ)上開發(fā)了山東省高速公路工程地質(zhì)信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對高速公路工程地質(zhì)資料的查詢和管理，還實現(xiàn)了工程勘察信息中的鉆孔柱狀圖和剖面圖的自動生成，并根據(jù)山東省不同功能地質(zhì)分區(qū)和地形數(shù)據(jù)實現(xiàn)了公路沿線地基承載力和土石方開挖量的自動計算分析以及電子沙盤飛行觀測功能，從而為高速公路地質(zhì)信息管理、工程規(guī)劃決策提供可靠依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

系統(tǒng)以3S（即：遙感技術(shù)“Remote Sensing RS”、GIS、全球定位系統(tǒng)“Global Positioning System GPS”）技術(shù)為核心，采用所采集的鉆孔數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、巖性數(shù)據(jù)、地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、高速公路數(shù)據(jù)、地質(zhì)分區(qū)圖等數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過GIS系統(tǒng)對已有高速公路沿線的工程地質(zhì)資料進行查詢、管理，并可輸入新資料以豐富現(xiàn)有資料。同時在選線設(shè)計階段，可以實現(xiàn)對擬建高速公路沿線地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層、地貌、地表水、第四系地層以及不良地質(zhì)現(xiàn)象資料的查詢、分析以及沿線地形的三維瀏覽，并自動根據(jù)設(shè)計線路所經(jīng)過的工程分區(qū)和地形分布確定地基承載力以及土石方開挖量，同時又能根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)庫信息自動繪制柱狀圖和剖面圖，為高速公路的設(shè)計提供基礎(chǔ)資料和可靠依據(jù)。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)采用原型法和面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計方法，充分考慮系統(tǒng)的完整性、靈活性、可擴展性和安全性，基于 Visual Studio.net平臺上的 Visual Basic.NET語言和 ArcGIS Engine9.3進行開發(fā)。Visual Basic.NET是一種功能強大的可視化軟件開發(fā)環(huán)境，它具有強大的數(shù)據(jù)庫訪問功能，利用ADO.NET數(shù)據(jù)訪問模型可以快速訪問數(shù)據(jù)庫。

考慮到時間要求、安全要求和開發(fā)成本等因素，系統(tǒng)選擇Access作為后臺數(shù)據(jù)庫。Access是Microsoft公司研發(fā)的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，能滿足小型客戶／服務(wù)器解決方案的要求，組建客戶／服務(wù)器的應(yīng)用系統(tǒng)，幾乎包含了數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的所有技術(shù)和內(nèi)容，而且它能與Visual Basic.NET實現(xiàn)完美結(jié)合。

1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三層：數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層存儲了大量的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分；邏輯層主要實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯和與數(shù)據(jù)庫的交互，是系統(tǒng)架構(gòu)中體現(xiàn)核心價值的部分；應(yīng)用層是系統(tǒng)的表現(xiàn)部分，實現(xiàn)直接與客戶交互。本系統(tǒng)提供文件管理、地圖工具、數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計、鉆孔柱狀圖和剖面圖生成、土石方量計算、地基承載力確定、電子沙盤、圖形編輯輸出、系統(tǒng)管理及維護、系統(tǒng)使用幫助等模塊。3層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強的靈活性、可維護性、可擴展性等重要特點，滿足綜合的發(fā)展趨勢，符合本系統(tǒng)的要求。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.1 空間數(shù)據(jù)庫的建立

空間數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)主要包括山東省行政區(qū)劃圖、山東省地質(zhì)構(gòu)造圖、山東省水文地質(zhì)圖、山東省巖性分布圖、山東省高速公路圖、山東省地質(zhì)災(zāi)害圖、山東省第四系地層圖、鉆孔空間分布圖。這些數(shù)據(jù)在ArcGIS 9.3軟件的ArcMap中進行圖層處理與矢量化、圖形數(shù)據(jù)編輯、拓撲關(guān)系檢查、坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等工作，最后以ShapeFile格式存儲，以便于數(shù)據(jù)管理與查詢處理等工作。柵格數(shù)據(jù)包括山東省DEM圖、山東省遙感影像等，通過ArcMap的合成、配準和裁剪等處理后存儲。

2.2 屬性數(shù)據(jù)庫的建立

屬性數(shù)據(jù)以兩種形式儲存：一是通過ArcGIS軟件內(nèi)置的圖層屬性表存儲，以＊.dbf格式存在，該存儲方式主要存儲空間數(shù)據(jù)的要素信息以及相關(guān)對象的描述；二是通過外接的Access數(shù)據(jù)庫存儲，此種存儲方式存儲了大量的鉆孔數(shù)據(jù)、土工試驗數(shù)據(jù)、標(biāo)準貫入數(shù)據(jù)等大量的工程地質(zhì)勘查資料，是屬性數(shù)據(jù)的主要存儲方式。以Access數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)通過ADO.NET技術(shù)在DataGridView中顯示，并提供將常用數(shù)據(jù)文件（如Excel表格、文本文件）導(dǎo)入到Access數(shù)據(jù)庫的接口，方便了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

2.3 空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)是通過統(tǒng)一的標(biāo)識碼連接的。在本系統(tǒng)中，Access數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表都是有關(guān)鉆孔的數(shù)據(jù)信息，在建立連接時只需把Access數(shù)據(jù)庫與鉆孔空間分布點狀圖層關(guān)聯(lián)起來，選用鉆孔號作為二者共同的標(biāo)識碼。在鉆孔空間分布點狀圖層的內(nèi)置屬性表中添加鉆孔號為屬性字段，然后通過該屬性字段與外部Access數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的數(shù)據(jù)表建立連接。利用這種連接方式，不但有助于解決大量屬性數(shù)據(jù)的存儲問題，而且有利于提高屬性數(shù)據(jù)查詢的速度。

3 應(yīng)用功能開發(fā)

3.1 鉆孔柱狀圖和剖面圖的自動生成

鉆孔柱狀圖和剖面圖的繪制是系統(tǒng)通過讀取系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)庫中的鉆孔數(shù)據(jù)信息自動繪制而成的。鉆孔柱狀圖包括層號、層底標(biāo)高、層底深度、分層厚度、柱狀圖、巖性描述、標(biāo)貫深度、標(biāo)貫擊數(shù)等內(nèi)容，鉆孔柱狀圖的繪制就是把這些內(nèi)容全部繪制出來。通過分析鉆孔柱狀圖的構(gòu)成，把鉆孔柱狀圖分解為文本、線、矩形等要素，通過這些要素的組合顯示在地圖布局控件（PageLayoutControl）上。具體步驟是：首先利用線要素繪制出柱狀圖的表格部分，通過讀取鉆孔數(shù)據(jù)庫中分層信息，確定層數(shù)，再根據(jù)分層厚度確定每一層在圖中的高度自動繪制出來一張表格，然后只要把柱狀圖符號和文字進行填充進去即可。其中柱狀圖符號使用ArcMap中的Style Manager模塊繪制并命名保存為geology符號庫里。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫獲得當(dāng)前層的巖性名稱后自動調(diào)用geology符號庫里對應(yīng)的符號填充當(dāng)前層所在的單元格，同時把文字也自動填充進去。文字的大小則通過單元格的大小控制，最終鉆孔柱狀圖的效果如圖2所示。

剖面圖與柱狀圖類似，也是通過線、文本、多邊形等要素的組合最后顯示在地圖布局控件（PageLayout－Control）上。剖面圖繪制的關(guān)鍵就是如何進行剖面圖線的連接。具體方法是：系統(tǒng)通過讀取鉆孔點的空間和屬性信息，確定鉆孔柱所在的位置以及長度，各土層的位置也由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)高數(shù)據(jù)確定，然后要做的就是剖面線的自動連接，其流程（見圖3）如下：

圖2 鉆孔柱狀圖Fig.2 The bore histogram

圖3 鉆孔剖面線自動連線流程圖Fig.3 The profile line to be automatic connection flow chart

圖4 工程地質(zhì)剖面圖Fig.4 The engineering geologic profile

從第一個鉆孔開始循環(huán)，每一次循環(huán)都需要2個鉆孔，剖面線實際上就是兩兩鉆孔進行連線。（1）2個鉆孔首先頂端相連。（2）2個鉆孔分別從第一土層開始進行巖性判斷，如果巖性相同，2個鉆孔的對應(yīng)土層底端相連，下一循環(huán)兩鉆孔分別進行到下一土層；如果巖性不相同，上1個鉆孔的對應(yīng)土層的底端與下一鉆孔對應(yīng)土層的頂端連線，下一循環(huán)上一鉆孔進行到下一土層，下一鉆孔仍是該土層。（3）上述循環(huán)到上1個鉆孔的最后1個土層結(jié)束，如果此時下一鉆孔還有土層底端未參與連線，這些層的底端均與第一鉆孔底端連接。（4）連線完成后根據(jù)連線確定的四邊形填充對應(yīng)的巖性符號，最后效果如圖4所示。

3.2 土石方量的計算

土石方量的計算對工程費用概算，方案選優(yōu)以及施工進度的控制都能提供可靠依據(jù)。土石方量的計算就是確定同一地塊在填或挖前后的工程土方量。傳統(tǒng)土石方量的計算是采用格網(wǎng)法，而格網(wǎng)本身是由地面離散點通過插值得到的，所以精度無法保證［7］。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以直接利用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）遙感影像數(shù)據(jù)進行土石方量的計算［8］。本研究利用山東省DEM遙感數(shù)據(jù)通過ArcGIS強大的空間分析能力進行土石方量的計算，具體流程見圖5。首先根據(jù)帶地理坐標(biāo)和設(shè)計高程的縱斷面數(shù)據(jù)生成帶高程屬性的線狀shapeFile文件；然后輸入路寬，以路寬的一半為緩沖半徑生成緩沖面狀shapeFile，用此面狀shapeFile去裁剪山東省DEM圖得到原始柵格數(shù)據(jù)（beforeGeoDataset），并將面狀shape－File柵格化為新建柵格數(shù)據(jù)（afterGeoDataset），最后通過ArcEngine提供的IsurfaceOp接口中的CutFill（before－GeoDataset，afterGeoDataset，zFactor）方法生成填挖方柵格圖，再通過其屬性表利用IstatisticsResults計算統(tǒng)計結(jié)果挖方量和填方量。

圖5 土石方量計算流程圖Fig.5 The calculation of earth volume flow chart

系統(tǒng)分別對省道208煙海線北段數(shù)據(jù)和省道209段數(shù)據(jù)進行計算，得出的結(jié)果與后期初步設(shè)計實際測量結(jié)果進行對比，其對比數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1對比數(shù)據(jù)可以看出利用系統(tǒng)得出的結(jié)果與后期初步設(shè)計的計算結(jié)果是相近的，誤差滿足不大于10%的要求。

3.3 地基承載力的確定

系統(tǒng)根據(jù)單紅仙、陳勇等［9］所確定的山東省各研究亞區(qū)利用靜力觸探試驗、標(biāo)準貫入試驗和室內(nèi)土工試驗確定土體承載力的經(jīng)驗公式，利用VB.net開發(fā)了地基承載力計算模型，用戶點擊查看未知點的地基承載力只需要輸入計算方法和其需要的計算參數(shù)（見表2），系統(tǒng)通過山東省地質(zhì)背景圖判斷其所在的研究亞區(qū)和巖性，然后直接代入經(jīng)驗公式進行計算。例如使用標(biāo)準貫入試驗的方法計算某鉆孔的地基承載力，用戶只需要用鼠標(biāo)在屏幕上點擊該點，然后在彈出的對話框中輸入表2對應(yīng)的參數(shù)，系統(tǒng)會自動根據(jù)鉆孔所在研究亞區(qū)選取相應(yīng)的經(jīng)驗公式進行計算。

表1 數(shù)據(jù)對比分析Table 1 The data comparative analysis

表2 地基承載力計算參數(shù)Table 2 The calculation parameters of the bearing capacity of foundation soil

3.4 電子沙盤

電子沙盤是以傳統(tǒng)沙盤堆制理論為依據(jù)，以地理信息數(shù)據(jù)作為形成地形的基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代計算機圖形圖像技術(shù)，自動生成的形象逼真的地形立體透視圖。電子沙盤克服了傳統(tǒng)沙盤構(gòu)制速度慢，占地面積大，攜帶不方便，表現(xiàn)內(nèi)容單調(diào)且更新成本高等特點，己經(jīng)在城市建設(shè)、土地規(guī)劃、防汛指揮、工程施工、通信網(wǎng)絡(luò)、城市仿真等等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［10］。將數(shù)字高程模型和遙感影像圖導(dǎo)入到三維可視化平臺，完成兩種數(shù)據(jù)的疊加顯示，便可真實再現(xiàn)三維地形特征與地理要素。本系統(tǒng)采用ArcSence為三維可視化平臺，將山東省DEM圖與山東省遙感影像圖按著一定的原則經(jīng)行疊加構(gòu)成山東省三維地形圖，然后在Visual Studio.net平臺上利用ArcEngine組件開發(fā)電子沙盤子系統(tǒng)（見圖6）。系統(tǒng)具有三維瀏覽、屬性查詢、按指定路徑飛行虛擬模擬、動畫輸出等功能，為觀察者提供可供反復(fù)使用的真實、客觀、信息連續(xù)的宏觀分析地形、坡度、坡向、河流、水庫、城鎮(zhèn)及其它公路建設(shè)敏感環(huán)境要素分布情況。

4 結(jié)語

山東省高速公路工程地質(zhì)信息查詢系統(tǒng)是基于Visual Studio.net開發(fā)平臺，結(jié)合 ArcGIS Engine組件進行開發(fā)的，它充分利用了GIS強大的數(shù)據(jù)管理和空間分析能力，對高速公路工程地質(zhì)信息資源進行系統(tǒng)管理和綜合利用。系統(tǒng)建立了空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了圖形與數(shù)據(jù)的結(jié)合，并根據(jù)需要進行圖形與相關(guān)屬性信息的編輯、更新與聯(lián)動查詢，為山東省高速公路的工程地質(zhì)信息管理和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；系統(tǒng)利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的鉆孔信息自動生成鉆孔柱狀圖和剖面圖，減少了工程地質(zhì)人員的工作量，提高了工作效率；系統(tǒng)利用GIS強大的空間分析技術(shù)實現(xiàn)了擬建公路沿線地質(zhì)信息的收集和土石方量的自動計算，為工程施工方案的確定提供科學(xué)依據(jù)；系統(tǒng)通過收集大量資料和試驗的總結(jié)，建立了地基承載力計算模型，用戶只需按著提示輸入一定的參數(shù)即可進行未知點的地基承載力計算，為高速公路的設(shè)計提供一定的指導(dǎo)作用；系統(tǒng)還提供電子沙盤虛擬觀測功能，實現(xiàn)了擬建公路沿線地理景觀三維飛行虛擬模擬，為觀測者提供高速公路沿線地物的宏觀分析。

圖6 電子沙盤系統(tǒng)Fig.6 The electronic sand table system

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