ArcEngine輔助的野外剖面圖素描系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李功權(quán),甘樂,王鯨

(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

ArcEngine輔助的野外剖面圖素描系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李功權(quán),甘樂,王鯨

(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

[摘要]地質(zhì)剖面圖是在剖面上顯示巖層產(chǎn)狀及分布的一種常用地質(zhì)圖件，快速編制剖面圖更能滿足野外實(shí)習(xí)要求。ArcEngine組件庫中所包含的眾多關(guān)于空間地理的對(duì)象與接口，完全可以滿足繪制地質(zhì)剖面圖的要求。根據(jù)野外地質(zhì)剖面圖的制作流程，按照規(guī)范化、實(shí)用性、易管理、易維護(hù)等設(shè)計(jì)了一種基于ArcEngine的野外地質(zhì)剖面圖素描系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單用戶體系結(jié)構(gòu)，由一個(gè)用戶占用全部資源，不同用戶之間可以通過文件來交換數(shù)據(jù)，主要包括信息錄入功能、生成剖面、剖面填充這3個(gè)主要功能。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可以充分利用野外實(shí)習(xí)中采集的數(shù)據(jù)，并結(jié)合地形圖來快速編制研究區(qū)的地層發(fā)育狀況圖，有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]GIS； ArcEngine；地質(zhì)剖面圖

地質(zhì)剖面圖是地質(zhì)體在剖面上最直觀有效的表達(dá)方式[1,2]。目前，該類圖件主要采用傳統(tǒng)的手工繪制方法，既費(fèi)工又費(fèi)時(shí)，工作效率極低。GIS(地理信息系統(tǒng))是一種融計(jì)算機(jī)圖形與數(shù)據(jù)庫于一體、用于存貯和處理空間信息的高新技術(shù)，能將地質(zhì)體地理位置與相關(guān)地質(zhì)屬性有機(jī)結(jié)合起來，同時(shí)借助其獨(dú)有的空間分析功能和圖形化表達(dá)能力，幫助地質(zhì)工作者進(jìn)行各種地質(zhì)輔助決策分析，因而是一種解決相關(guān)地質(zhì)問題的先進(jìn)手段[3~9]。下面，筆者以地學(xué)類專業(yè)學(xué)生野外地質(zhì)地理實(shí)習(xí)快速編圖為目標(biāo)，對(duì)ArcEngine輔助的野外剖面圖素描系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1地質(zhì)剖面圖件制圖流程

該系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程即是完成制作地質(zhì)剖面圖件的規(guī)范過程，其步驟劃分如下。

1)確定剖面方向，一般均要求與地層走向線垂直。由于采用與水平面垂直面的方式切圖，會(huì)存在剖面線與地層走向線垂直與斜交2種情況，因而暫時(shí)默認(rèn)按照剖面線與地層走向線垂直的方式處理。

2)選定比例尺，使繪出的剖面圖不致過長或過短，同時(shí)又能滿足表示各分層的需要。如實(shí)際剖面長、地層分層內(nèi)容多而復(fù)雜時(shí)，剖面圖要長一些，相反則短一些。一張圖盡量控制在記錄簿的長度內(nèi)，這樣便于繪圖和閱讀。如果實(shí)際剖面長度是30m，其分層厚度是數(shù)米以上時(shí)，則用1∶200或1∶300的比例尺作圖，可以按照展示圖件的基準(zhǔn)制作，通過調(diào)整主面板視圖大小來調(diào)整比例尺。

3)按選取的剖面方向和比例尺勾繪地形輪廓，其中地形的高低起伏要符合實(shí)際情況。

4)將地層及其分層的界線按該地層的真傾角數(shù)值用直線畫在地形剖面相應(yīng)點(diǎn)下方。這樣從圖上就可量出各地層及其分層的真厚度，應(yīng)注意檢查圖上反映出的厚度與目測的實(shí)際厚度是否一致，如不一致時(shí)需找出圖中的問題所在并加以修正。

5)用各種通用花紋和代號(hào)表示各地層及分層的巖性、接觸關(guān)系和時(shí)代，并標(biāo)記化石產(chǎn)出部位和地層產(chǎn)狀。

6)標(biāo)出圖名、圖例、比例尺、方向及剖面圖上地物的名稱。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則

按照規(guī)范化、實(shí)用性、易管理、易維護(hù)的設(shè)計(jì)原則開發(fā)一個(gè)幫助學(xué)生在地學(xué)野外實(shí)習(xí)中完成地質(zhì)剖面圖快速繪制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單用戶體系結(jié)構(gòu)，這是考慮到軟件運(yùn)行在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，由一個(gè)用戶占用全部資源，不同用戶之間可以通過文件來交換數(shù)據(jù)。

2.2系統(tǒng)功能分析

圖1　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要包括3個(gè)主要功能(見圖1)：①信息錄入。既包括以輸入對(duì)話框的形式顯示的錄入數(shù)據(jù)，也包括在編輯的過程中通過人機(jī)交互的方隱式錄入數(shù)據(jù)。②生成剖面。主要是依據(jù)各種錄入的地形地層數(shù)據(jù)，提取地形線、加載地層信息，從而生成整個(gè)剖面圖件的框架，為后續(xù)的填充等做準(zhǔn)備。③剖面填充。對(duì)重組生成的地層對(duì)象進(jìn)行剖面填充，從而有效地表達(dá)地層信息，以便為實(shí)際需求服務(wù)。

2.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行需要用到的數(shù)據(jù)主要包括地圖文檔空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等。地圖文檔空間數(shù)據(jù)主要以文件的形式存放于磁盤某處，而屬性數(shù)據(jù)既可存放于txt文本文件中，亦可放置于數(shù)據(jù)庫中。從地質(zhì)剖面繪圖所需數(shù)據(jù)分析來看，主要涉及2個(gè)數(shù)據(jù)表，即地形剖面信息表(見圖2)和地質(zhì)界線信息表(見圖3)。地形剖面信息表主要存放的是文件切面時(shí)在DEM上所留下的切點(diǎn)信息。地質(zhì)界線信息表主要存放的是用戶在信息錄入界面或者在人交互式時(shí)錄入的地層信息。

圖2　地形剖面信息表E-R圖　　　　　　　　　　　　　　圖3　地質(zhì)界線信息表E-R圖

3技術(shù)可行性分析與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

3.1技術(shù)可行性分析

地理信息系統(tǒng)區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的特色之一在于針對(duì)空間對(duì)象的處理上，ArcEngine組件庫中所包含的眾多關(guān)于空間地理的對(duì)象與接口完全可以滿足繪制地質(zhì)剖面圖的要求。特別是其提供的二維、三維控件能從多方位對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解析，可以很好地呈現(xiàn)、反饋地質(zhì)地理信息。該系統(tǒng)中所使用的地圖數(shù)據(jù)能很方便地采用ArcEngine中提供的對(duì)象訪問與編輯，而數(shù)據(jù)庫完全勝任對(duì)所使到的其他屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。使用半自動(dòng)的人機(jī)交互的方式模擬地質(zhì)剖面圖件的制作過程，由于人機(jī)交互通過界面實(shí)現(xiàn)銜接，從技術(shù)上不存在盲點(diǎn)。因此，該系統(tǒng)的開發(fā)從技術(shù)上是可行的。

3.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

野外剖面圖的繪制不僅需要點(diǎn)、線、面等幾何形狀的快速繪制技術(shù)，還需要各種各樣的巖性符號(hào)庫。ArcEngine作為ESRI公司ArcGIS系列產(chǎn)品的開發(fā)平臺(tái)，其組件庫中包括底層類庫System類庫、用戶界面組件接口類庫SystemUI、核心幾何實(shí)體Geometry類庫、顯示圖形Display類庫、圖形輸出Output類庫、空間數(shù)據(jù)庫管理GeoDatabase類庫、數(shù)據(jù)顯示服務(wù)Carto類庫、可視化組件Controls類庫、不同格式的數(shù)據(jù)文件DataSourcesFile類庫、柵格與矢量數(shù)據(jù)空間分析SpatialAnalyst類庫、3D場景操作3DAnalyst類庫和符號(hào)庫等[10]。由此可見，利用ArcEngine組件提供的功能可為該系統(tǒng)提供快捷的開發(fā)方法。

該系統(tǒng)中的地層巖性剖面圖、數(shù)字高程模型等可以采用ArcEngine提供的Carto類庫、Display類庫來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)我國頒部標(biāo)準(zhǔn)《區(qū)域地質(zhì)圖圖例》(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)GB958-1989-T)、《石油天然氣地質(zhì)編圖規(guī)范及圖式》(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)SY-T5615-2004)和《石油和天然氣、煤田地震勘探圖式、圖例及用色標(biāo)準(zhǔn)》(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)DZT0077-1993)編制各種巖性符號(hào)，通過擴(kuò)展ArcEngine所攜帶的符號(hào)庫的管理功能來構(gòu)建系統(tǒng)的巖性符號(hào)庫。因此，采用C#作為編程語言并充分利用ArcEngine組件式開發(fā)技術(shù)可以構(gòu)建適用于地學(xué)實(shí)習(xí)的地質(zhì)剖面圖素描系統(tǒng)。

在地質(zhì)剖面素描圖中，常常需要確定繪圖的起點(diǎn)和終點(diǎn)，然后以此為邊界來編制該剖面內(nèi)的地層巖性?？梢钥紤]以實(shí)習(xí)區(qū)內(nèi)的地形圖為底圖，采用AxSceneControl控件以三維方式顯示，根據(jù)用戶給定的多段線的坐標(biāo)點(diǎn)，求取該多段線與數(shù)字高程模型的交點(diǎn)，自動(dòng)提取地形線，然后用戶根據(jù)野外采取的數(shù)據(jù)來繪制地層巖性剖面。該系統(tǒng)中邊界點(diǎn)的提取方式有手動(dòng)切取和文件切取，文件切取方式用到的是之前界面錄入的或是前次手動(dòng)切面所遺留下的數(shù)據(jù)，而手動(dòng)切取方式用到的是即時(shí)性的數(shù)據(jù)。

4實(shí)際應(yīng)用

4.1系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)主界面主要包括菜單、工具條、繪圖區(qū)、狀態(tài)區(qū)4部分(見圖4)，其中繪圖區(qū)是地質(zhì)剖圖繪制的主要場所，其左邊包括實(shí)習(xí)區(qū)的地形圖、巖性符號(hào)庫和當(dāng)前繪圖的圖層，右邊用來顯示當(dāng)前的繪圖信息。用戶可以通過界面的方式顯示的錄入數(shù)據(jù)，在啟動(dòng)編輯狀態(tài)下，用戶也可以通過人機(jī)交互的形式隱式的錄入地形、地層等數(shù)據(jù)。設(shè)置該模塊的目的在于充分利用地學(xué)實(shí)習(xí)過程中所采集的圖文數(shù)據(jù)。用戶點(diǎn)擊功能菜單上的“信息錄入”即可選擇錄入相應(yīng)數(shù)據(jù)，或啟動(dòng)“編輯”后在主面板上可手動(dòng)錄入地層信息。

圖4　系統(tǒng)主界面

4.2剖面圖生成

剖面圖的生成需要經(jīng)過勾繪地形輪廓、繪制地層界線和生成剖面3個(gè)步驟：

1)勾繪輪廓線。以手動(dòng)切取地形線的方式為例。首先，用戶在三維視圖中選取2點(diǎn)作為切面，即提取地形線的依據(jù)，接著用戶點(diǎn)擊“生成剖面”下的“提取地形線”，即可將勾繪的輪廓線展示在主面板上。在“提取地形線”的過程中，系統(tǒng)需要讀取用戶指定的DEM柵格圖像并將錄入的切面線匹配到DEM上獲取其上的高程信息，接著將記錄的信息展示出來?？紤]到柵格圖像像元的大小和實(shí)際精度要求，采用“移動(dòng)平均”的插值方式獲取匹配切面線到DEM上的高程數(shù)據(jù)。

2)繪制地層界線。用戶可以通過之前界面錄入的數(shù)據(jù)提取并繪制，也可以在編輯時(shí)手動(dòng)在主面板上取點(diǎn)成線描繪地層界線。系統(tǒng)在編輯時(shí)，繪制地層界線狀態(tài)圖。

3)生成剖面。主要完成將地形線和地層界線重組成可供編輯的對(duì)象，便于在后面的填充與修改中操作地層等。此外，剖面填充的流程是選擇目標(biāo)地層，雙擊左側(cè)“符號(hào)庫”選項(xiàng)頁中的符號(hào)即可對(duì)目標(biāo)地層進(jìn)行填充(見圖5)。

圖5　編輯狀態(tài)下填充地層

5結(jié)語

在ArcEngine輔助的野外剖面圖素描系統(tǒng)開發(fā)過程中，為了保證系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，充分考慮了地學(xué)實(shí)習(xí)中成果數(shù)據(jù)的使用、學(xué)生在實(shí)習(xí)中的主體地位及其動(dòng)手能力的強(qiáng)化，詳盡闡述了地質(zhì)剖面圖件的制作過程，其業(yè)務(wù)流程清晰且滿足實(shí)際應(yīng)用要求，因而對(duì)學(xué)生制作野外地質(zhì)實(shí)習(xí)繪制剖面圖件進(jìn)而研究地層歷史具有良好作用。

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[編輯]李啟棟

[引著格式]李功權(quán),甘樂,王鯨.ArcEngine輔助的野外剖面圖素描系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015,12(16)：25～28.

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2015)16-0025-04

[中圖分類號(hào)]TP391

[作者簡介]李功權(quán)(1971-)，男，博士，副教授，現(xiàn)主要從事地理信息系統(tǒng)方面的研究工作：E-mail:195648169@qq.com。 汪千松(1978-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事網(wǎng)絡(luò)信息安全與電子商務(wù)方面的教學(xué)與研究工作;E-mail:qswang@ahpu.edu.cn。

[基金項(xiàng)目]國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB11B0503);湖北省高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目(2014251)。 教育部人文社科規(guī)劃項(xiàng)目(13YJA630098)；安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2012B022)。

[收稿日期]2015-02-27 2015-02-27