地鐵工程地質(zhì)剖面圖典型圖例符號(hào)自動(dòng)識(shí)別研究*

余宏亮李鵬輝鐘波濤

（1.武漢科技大學(xué)管理學(xué)院，430081，武漢；2.華中科技大學(xué)BIM工程中心，430074，武漢∥第一作者，高級(jí)工程師）

地鐵工程地質(zhì)剖面圖典型圖例符號(hào)自動(dòng)識(shí)別研究*

余宏亮1，2李鵬輝1鐘波濤2

（1.武漢科技大學(xué)管理學(xué)院，430081，武漢；2.華中科技大學(xué)BIM工程中心，430074，武漢∥第一作者，高級(jí)工程師）

地鐵工程地質(zhì)剖面圖中包含施工安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)所需的重要信息，地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)識(shí)別是風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別自動(dòng)化系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。論述了地鐵工程地質(zhì)剖面圖圖例的分類，圖例識(shí)別面臨的困難與識(shí)別可行性。以“黏土”和“粉質(zhì)黏土”圖例識(shí)別為例，描述了識(shí)別方法和詳細(xì)算法。以武漢地鐵2號(hào)線某車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)地層信息識(shí)別為例，示范了圖例識(shí)別的具體應(yīng)用。

地鐵工程；地質(zhì)剖面圖；圖例符號(hào)自動(dòng)識(shí)別

First-author's addressSchool of Management，Wuhan University of Science and Technology，430081，Wuhan，China

地鐵工程是一項(xiàng)復(fù)雜的高風(fēng)險(xiǎn)性建設(shè)工程。為提高地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)水平，文獻(xiàn)［1］研發(fā)了基于工程圖紙的地鐵工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（SRIS）。而地鐵工程地質(zhì)剖面圖中的地層分布信

息、不良地質(zhì)信息（如斷層、褶皺、淤泥層、溶洞等）、地下水位信息等是施工安全風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)識(shí)別的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確地識(shí)別地質(zhì)剖面圖是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。

地質(zhì)剖面圖中鉆孔柱狀圖采用各類巖性符號(hào)進(jìn)行填充以表達(dá)地層分布信息。這些巖性符號(hào)一般以圖例符號(hào)的方式集中繪制于地質(zhì)剖面圖的圖例區(qū)域。只有識(shí)別這些圖例符號(hào)才能通過圖形匹配算法識(shí)別地質(zhì)剖面圖中的地層信息。國(guó)內(nèi)學(xué)者在基于GIS技術(shù)和鉆孔數(shù)據(jù)的地質(zhì)剖面圖正向生成研究領(lǐng)域提出了若干有價(jià)值的方法。文獻(xiàn)［2］研發(fā)了基于知識(shí)的地質(zhì)剖面圖生成器，匯集專家知識(shí)和鉆孔數(shù)據(jù)自動(dòng)生成地質(zhì)剖面圖；文獻(xiàn)［3］提出了基于鉆孔數(shù)據(jù)的勘探線剖面圖自動(dòng)生成方法，并應(yīng)用于礦山地質(zhì)勘探剖面圖繪制；文獻(xiàn)［4-5］基于GIS技術(shù)，融合基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)，建立了地質(zhì)剖面圖的數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)繪制；文獻(xiàn)［6］提出基于三維實(shí)體快速切割算法和區(qū)域自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的地質(zhì)體剖面圖自動(dòng)生成方法，并應(yīng)用于DIMINE數(shù)字礦山系統(tǒng)。但在如何實(shí)現(xiàn)地鐵工程地質(zhì)剖面圖計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別方面尚未有文獻(xiàn)涉及。

本文將從如何利用計(jì)算機(jī)識(shí)別這些圖例符號(hào)著手，研究地質(zhì)剖面圖的識(shí)別和信息抽取。

1 地質(zhì)剖面圖圖例符號(hào)的分類

文獻(xiàn)［7］附錄L中給出了地質(zhì)剖面圖中的常用圖例符號(hào)，按圖例符號(hào)表示的巖性屬性分類，主要分為四大類：①泥土（黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、泥炭、淤泥質(zhì)土等）②砂（粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂）③石（角礫、圓礫、卵石、碎石等）④巖（砂巖、頁巖、石灰?guī)r等）。從圖例符號(hào)的繪圖構(gòu)成特點(diǎn)看，可分為以下類型

（1）圖例符號(hào)由字符表示，如矩形框內(nèi)含字符“x”表示細(xì)砂（參見圖1）。

（2）圖例符號(hào)由若干細(xì)實(shí)線或細(xì)虛線繪制的平行線構(gòu)成，如黏土、粉質(zhì)黏土、頁巖（參見圖2）。

（3）圖例符號(hào)由規(guī)則圖形填充，如泥灰?guī)r、石灰?guī)r、白云巖等（參見圖3）。

（4）用于與其它巖性圖例疊加的圖例符號(hào)，如有機(jī)土、淤泥符號(hào)與黏土符號(hào)疊加形成含有機(jī)質(zhì)土和淤泥質(zhì)土（參見圖4）。

（5）圖例符號(hào)由若干幾何圖形散布組合表示，如花崗巖、玄武巖、圓礫、卵石等（參見圖5）。

圖1 規(guī)范附錄中的圖例符號(hào)（1）

圖2 規(guī)范附錄中的圖例符號(hào)（2）

圖3 規(guī)范附錄中的圖例符號(hào)（3）

圖4 規(guī)范附錄中的圖例符號(hào)（4）

圖5 規(guī)范附錄中的圖例符號(hào)（5）

2 地質(zhì)剖面圖圖例符號(hào)識(shí)別的困難與可行性

2.1 圖例符號(hào)識(shí)別的困難

采用AutoCAD軟件繪制的地質(zhì)剖面圖最初是供經(jīng)驗(yàn)豐富的土木工程師識(shí)讀和獲取信息的，但從信息表示的方法上未考慮機(jī)器的自動(dòng)識(shí)別。如圖6及圖7所示，只要給定了圖例符號(hào)，即使將圖例符號(hào)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或縮放變形，人眼仍很容易識(shí)別，而計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別則需設(shè)定特別算法進(jìn)行處理，其部分內(nèi)容屬于計(jì)算機(jī)視覺研究領(lǐng)域。

規(guī)范附錄給出了地質(zhì)剖面圖中的常用圖例，但圖例符號(hào)是示例性質(zhì)的，未規(guī)定尺寸信息和細(xì)節(jié)信息，適合人工閱讀。例如：規(guī)范附錄中的圖例用空心三角形表示碎石（見圖8），但規(guī)范中并未明確三角形的個(gè)數(shù)和繪制法則。人腦可快速識(shí)別碎石的圖例，而計(jì)算機(jī)處理此類問題較困難。

在使用AutoCAD繪制的地質(zhì)剖面圖中，圖例符號(hào)（見圖7）是規(guī)范附錄中的常用圖例的近似圖形。各勘察設(shè)計(jì)單位針對(duì)同一地層繪制的圖例符號(hào)還可能存在細(xì)小差別。規(guī)范附錄圖例符號(hào)組合還可形成新的圖例符號(hào)，設(shè)計(jì)單位甚至可自行設(shè)計(jì)圖例符號(hào)。例如：“黏土”圖例符號(hào)中疊合不規(guī)則多邊形表示該黏土層中含礫石，此圖例符號(hào)表示的地層稱為“含礫黏土層”。

由于圖例符號(hào)表示的復(fù)雜性，不能采用簡(jiǎn)單的圖形模板匹配方法進(jìn)行識(shí)別，而需要設(shè)計(jì)合適的模式識(shí)別分類器進(jìn)行辨識(shí)。

2.2 圖例符號(hào)識(shí)別的可行性

通過分析比較規(guī)范附錄中的圖例和實(shí)際工程圖紙中使用AutoCAD繪制的圖例符號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)其共同的規(guī)律。這些規(guī)律可總結(jié)為每類圖例符號(hào)的特征?？梢酝ㄟ^特征提取，設(shè)計(jì)算法完成識(shí)別工作。

圖6 地質(zhì)剖面圖巖層信息

圖7 圖紙中的圖例信息

圖8 規(guī)范附錄中的圖例符號(hào)舉例

各設(shè)計(jì)單位根據(jù)規(guī)范附錄的基本要求自行設(shè)計(jì)圖例符號(hào)，并繪制在工程圖紙的圖例區(qū)，但兩者間仍存在很強(qiáng)的近似性。以“黏土”圖例符號(hào)為例，如圖9、圖10所示。圖9為規(guī)范附錄中的圖例符號(hào)，圖10為實(shí)際地質(zhì)剖面圖中的圖例符號(hào)。兩者相同點(diǎn)是：圖例符號(hào)均繪制在長(zhǎng)∶寬=3∶2的封閉矩形框內(nèi)，框內(nèi)均有5條平行的等距細(xì)實(shí)線，并與矩形長(zhǎng)邊傾角均為45°。兩者的不同點(diǎn)是圖例符號(hào)的長(zhǎng)度和寬度不一樣，第一條斜線與封閉矩形框長(zhǎng)邊的截距不一樣。

圖9 規(guī)范附錄中的圖例符號(hào)

圖10 地質(zhì)剖面圖中的圖例符號(hào)

3 圖例符號(hào)識(shí)別方法

DXF格式文件是Autodesk公司公開的技術(shù)文檔，它采用面向?qū)ο蠓绞綄?duì)工程圖紙中的直線、弧、圓字符等基本圖形元素進(jìn)行存儲(chǔ)。圖例符號(hào)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別主要步驟是：①讀入AutoCAD軟件繪制的DXF格式的地鐵工程地質(zhì)剖面圖；②在圖例區(qū)以封閉的實(shí)線矩形框?yàn)榻缦?，拆分出各個(gè)圖例符號(hào)；③根據(jù)圖例表示特征分類，分別執(zhí)行識(shí)別算法程序。

對(duì)于由字符表示的圖例符號(hào)（如圖1所示），可解析DXF文件中Element（元素）段，搜索組值為“TEXT”碼段，很容易識(shí)別出符號(hào)的含義；對(duì)于由規(guī)則幾何圖形填充的圖例（見圖3），可通過解析Block Section（模塊選擇）識(shí)別。對(duì)于由數(shù)個(gè)巖性圖例疊加的圖例符號(hào)（見圖4），可先分別識(shí)別簡(jiǎn)單的圖例符號(hào)，再進(jìn)行組合識(shí)別；對(duì)于由若干規(guī)則或不規(guī)則幾何圖形散布組合表示的圖例（見圖5），需借助2D圖形相似性基本原理和方法，抽取圖形特征，通過計(jì)算相似度進(jìn)行辨別［8］。本文以“黏土”和“粉質(zhì)黏土”這類由若干平行線組合而成的圖例符號(hào)識(shí)別為例進(jìn)行介紹。

3.1 識(shí)別思路

工程圖紙中的“黏土”和“粉質(zhì)黏土”圖例符號(hào)如圖11所示。封閉矩形框內(nèi)均有多條等間距平行線?！梆ね痢眻D例符號(hào)的封閉矩形框內(nèi)均為細(xì)實(shí)線；“粉質(zhì)黏土”圖例符號(hào)的封閉矩形框內(nèi)為虛實(shí)線，有2種線型組合方式：3實(shí)線2虛線和3虛線2實(shí)線。

對(duì)于第i個(gè)圖例符號(hào)，可采用一個(gè)二元組（L（i），AD（Type，S（i）））進(jìn)行描述，L（i）為圖例符號(hào)的主特征函數(shù)，AD為附加信息。Type為附加信息類型，用數(shù)字表示；S（i）表示第i個(gè)圖例符號(hào)附加信息參數(shù)夾角。

圖11 工程圖紙中的圖例符號(hào)

計(jì)算不同線型與矩形邊線構(gòu)成封閉圖形面積Aij，然后乘以線型構(gòu)造系數(shù)Eij，進(jìn)行求和，總和除以矩形面積作為該類圖例的特征系數(shù)。

附加信息AD（2，S（45））表示框內(nèi)平行線與矩形框長(zhǎng)邊的夾角為45°。

3.2 識(shí)別算法

將“黏土”的圖例符號(hào)數(shù)字化。由圖11可知，4條細(xì)實(shí)線或2條實(shí)線和2條虛線與矩形邊框圍合而成的四個(gè)封閉圖形足以體現(xiàn)其線型組合特征，這四個(gè)圖形的面積分別記為S1，S2，S3，S4，如圖12所示。設(shè)封閉矩形框長(zhǎng)邊為3a，短邊為2a，框內(nèi)第一條平行線與矩形框的截距為x。則應(yīng)有0＜x＜a，封閉矩形框總面積為S=6a2。其中四條細(xì)實(shí)線與封閉矩形框所圍合的面積分別為：

設(shè)線型構(gòu)造系數(shù)為：

圖12 “黏土”圖例符號(hào)數(shù)字化

設(shè)圖例的特征系數(shù)為：

（1）對(duì)于“黏土”圖例符號(hào)，矩形框內(nèi)均為細(xì)實(shí)線，則Eij=1，有：

（2）對(duì)于“粉質(zhì)黏土”圖例符號(hào)，按矩形框內(nèi)細(xì)實(shí)線和虛線的2種組合方式，分別列出f（x），有：

（3）采用Matlab軟件對(duì)k值進(jìn)行模擬計(jì)算，使“黏土”和“粉質(zhì)黏土”圖例符號(hào)的特征系數(shù)f（x）的值域不重疊。結(jié)果如圖13所示。由模擬計(jì)算可知，k=4時(shí)，“粉質(zhì)黏土”圖例符號(hào)的特征系數(shù)f（x）的值域均大于2。3條實(shí)線、2條虛線時(shí)，由式（5）可得；2條實(shí)線、3條虛線時(shí)，由式（6）可

（4）設(shè)定符號(hào)函數(shù)：

“黏土”圖例符號(hào)的L（i）=1，“粉質(zhì)黏土”圖例符號(hào)的L（i）=3。這樣，通過計(jì)算L（i）的值就可區(qū)分出黏土與粉質(zhì)黏土。

4 應(yīng)用案例

下面以武漢地鐵2號(hào)線某車站工程為例，介紹車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的地層信息識(shí)別。圖14為車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖，其左側(cè)是表示地質(zhì)信息的柱狀圖。為便于理解，將圖14虛線框部分局部放大，如圖15所示。

由于基坑底部所處的地層與施工安全風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)度大，因此識(shí)別圖15中基坑底對(duì)應(yīng)的地層信息十分必要。基于工程實(shí)踐，基坑底部或隧道底板所處的地層一般不是薄層地層（層厚＜0.1 m），因此本文不考慮薄層地層的識(shí)別。常規(guī)地層的具體識(shí)別算法如下：

步驟1：圖紙預(yù)處理。刪除地質(zhì)信息柱狀圖中的標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)。

圖14 某車站工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖

圖15 某車站工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖圖局部放大圖

圖16 粉質(zhì)黏土的數(shù)字化圖例

步驟2：識(shí)別圖例符號(hào)。在圖例區(qū)域獲取圖例符號(hào)，并對(duì)圖例符號(hào)按照?qǐng)D2設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行數(shù)字化處理，如圖16所示。由圖可得：x=527，a=833。根據(jù)圖例符號(hào)識(shí)別算法，可得：S1=138 865， S2=4 581 365，S3=2 267 207.6，S4=3 436 503。取構(gòu)造系數(shù)k=4，由式（5）得f（x）=3.376。由式（8）得L（i）=3。于是判斷此圖例表示粉質(zhì)黏土。

步驟3：識(shí)別地質(zhì)信息柱狀圖?；拥讓?duì)應(yīng)的地層在柱狀圖上表示為1個(gè)封閉的矩形框，框內(nèi)繪制有若干平行的斜線。將此矩形框按長(zhǎng)∶寬=3∶2的比例，分割成若干小矩形框，如圖17所示。

圖17分割原則是：首先保證首塊（LA1）和尾塊（LA9）是規(guī)則的小矩形框，以區(qū)分該地層與臨接的其它地層；然后，從上至下進(jìn)行分割，依次記為L(zhǎng)A1，LA2，…，LA9。其中，LA1，LA2，…，LA7與LA9的面積相等。根據(jù)式（5）、式（6）、式（8）來判斷LA1，LA2，…，LA7與LA9所表示的地層。若相同，根據(jù)連續(xù)性原理，由于LA8介于LA7與LA9之間，LA8也屬相同地層。

圖17 基坑底所屬地層柱狀圖

根據(jù)識(shí)別算法，計(jì)算出L（i）=3，因此判定LA1，LA2，…LA7與LA9所表示的地層為粉質(zhì)黏土層。

通過地鐵工程施工圖自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)讀入DXF格式的車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖，啟動(dòng)圖形元素識(shí)別及語義分析功能，借助地質(zhì)剖面圖識(shí)別算法，識(shí)別地質(zhì)工程技術(shù)參數(shù)如圖18所示。

圖18 地質(zhì)工程技術(shù)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別界面

表1 地層信息判定計(jì)算表

5 結(jié)語

本文按圖例表示特征對(duì)中國(guó)地鐵巖土工程勘察設(shè)計(jì)規(guī)范中的圖例符號(hào)進(jìn)行了分類，通過分析比較實(shí)例工程圖和規(guī)范中的圖例，給出了圖例自動(dòng)識(shí)別的可能性。以“黏土”和“粉質(zhì)黏土”圖例的識(shí)別為例，給出圖例二元組描述方法，設(shè)計(jì)了詳細(xì)圖例識(shí)別算法。

由于圖例符號(hào)表示的復(fù)雜性和文章篇幅，本文僅介紹了一類圖例的具體識(shí)別算法，對(duì)規(guī)則圖形填充所構(gòu)成的圖例未給出具體算法。未來需在圖例拓?fù)湎嗨菩?、幾何形狀相似性，不同線型組合圖例的識(shí)別算法、圖例選擇縮放變形行為與地層信息識(shí)別等方面開展進(jìn)一步的研究。

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Automatic Recognition of Typical Legends on Metro Geological Section Map

Yu Hongliang，Li Penghui，Zhong Botao

Important information for metro risk identification are contained in the geological section map of metro project，and the geological section automatic recognition is a core process for automatic risk identification system.In this paper，the categories of legends，the challenges and probabilities of legend recognition are described，the methodology and detailed algorithms of legend for“clay”and“silty clay”recognition are presented as an example.At last，an automatic legend recognition system applied to the project of a station on Wuhan metro Line 2 is presented.

metro project；geological section map；automatic legend recognition

TP 391.412：P 534

10.16037/j.1007-869x.2015.01.011

2014-05-13）

*“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAK24B00）