地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用實踐

文｜王國光 李成翔

將CAD技術(shù)和GIS技術(shù)有效集成，實現(xiàn)了同時具有地質(zhì)數(shù)據(jù)庫支持和充分利用已有地質(zhì)三維建模成果特點的工程地質(zhì)圖件自動編繪的功能。解決了出圖數(shù)據(jù)自動提取與繪制、自動標(biāo)注、圖件輔助要素自動繪制等關(guān)鍵問題。

地質(zhì)圖件是地質(zhì)狀況的一種表現(xiàn)手段，剖面圖與區(qū)域地質(zhì)平面圖相配合可以清晰地反映出圖區(qū)內(nèi)地層、巖體、構(gòu)造的空間分布特征，對認識各種地質(zhì)體和礦床賦存的地質(zhì)條件和時空分布規(guī)律，指導(dǎo)礦產(chǎn)資源和工程地質(zhì)勘探具有重要的意義。近年來，不少學(xué)者和單位致力于地質(zhì)圖件的自動編繪方法研究和軟件研發(fā)，目前相關(guān)文獻對于剖面圖自動繪制的研究較多，但都沒有涉及地質(zhì)對象的空間特征表達、屬性標(biāo)注及更新、圖例的制作等方面。

地質(zhì)圖的繪制主要有兩種方式：一種是采用CAD技術(shù)進行地質(zhì)剖面的自動或半自動繪制，另一種是采用組件式GIS技術(shù)，結(jié)合某種編程語言進行繪制。這兩種方式都存在不足之處：采用CAD技術(shù)繪制地質(zhì)剖面圖在圖形表達方面具有優(yōu)勢，但對屬性數(shù)據(jù)庫支持較弱；組件式GIS技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，方便屬性查詢和空間分析，但三維GIS發(fā)展不成熟，導(dǎo)致繪圖過程脫離了三維地質(zhì)模型，不能充分利用三維地質(zhì)成果。

GeoStation是中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱“華東院”）基于Bentley公司的三維設(shè)計軟件MicroStation平臺，對其進行二次開發(fā)的地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)將CAD技術(shù)和GIS技術(shù)有效集成，實現(xiàn)了同時具有地質(zhì)數(shù)據(jù)庫支持和充分利用已有地質(zhì)三維建模成果特點的工程地質(zhì)圖件自動編繪的功能。解決了出圖數(shù)據(jù)自動提取與繪制、自動標(biāo)注、圖件輔助要素自動繪制等關(guān)鍵問題。目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于多個大型水電工程中，實踐表明采用GeoStation系統(tǒng)自動繪制地質(zhì)圖件，可以大幅提高地質(zhì)圖件的編繪效率和出圖質(zhì)量，經(jīng)濟效益顯著。

地質(zhì)圖件自動編繪方法中的技術(shù)要點

基于剖面構(gòu)建地質(zhì)三維模型是地質(zhì)描述上最方便、使用性最強的一種方式，其特點是將三維空間問題二維化，在保證模型精度的基礎(chǔ)上降低了建模難度。其基本思路是：首先，通過在垂直方向或水平方向的二維剖切面上展示鉆孔、平洞等勘探數(shù)據(jù)；然后，由地質(zhì)人員根據(jù)展示的地質(zhì)層揭露點及其他物探、試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)知識解譯出不同地質(zhì)層界線；最后，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將解譯的地質(zhì)線條返回到地質(zhì)三維模型。通過反復(fù)操作以上地質(zhì)解譯的過程，可以對上次解譯的線條進行編輯，提高線條的精度和合理性。包含地質(zhì)解譯線條的模型叫線框模型，當(dāng)線條密度達到要求時即可進行地質(zhì)層界面的建模，進而進行地質(zhì)塊體的建模。分析此建模過程可以發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)解譯線條在基于剖面的地質(zhì)三維建模過程中起著重要作用，經(jīng)過反復(fù)編輯的線條其準(zhǔn)確性也得到了保證，出圖時可以直接利用這部分線條。

地質(zhì)圖件有勘探剖面圖、平切圖、平面圖、等值線圖等多種，雖然這些圖件表現(xiàn)的數(shù)據(jù)和細節(jié)要求不同，但算法和流程相近。本文設(shè)計的地質(zhì)圖件編繪過程可以簡單的歸納為多源數(shù)據(jù)提取、繪制、附加對象屬性及屬性標(biāo)注、圖名圖例等輔助要素的繪制等過程。

地質(zhì)圖件中的數(shù)據(jù)源可以歸納為三類。一是存儲在數(shù)據(jù)庫中的勘探孔洞（包括鉆孔、平洞、探井、探坑、探槽等）和洞室數(shù)據(jù)。該部分的圖形數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)都是通過校核后錄入數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中提取的對象數(shù)據(jù)保證了圖件數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。二是從地質(zhì)和建筑三維模型中提取的圖形數(shù)據(jù)。該部分數(shù)據(jù)包括兩部分：一是計算剖面與三維模型中的元素相交得到的交點、交線和交面；二是地質(zhì)解譯過程中用戶插值的各種地質(zhì)編錄線條。這部分數(shù)據(jù)是對已有三維模型成果的利用，使地質(zhì)圖件的內(nèi)容更豐富和直觀。三是從地質(zhì)符號庫（包括點符號庫和線型符號庫）中提取的繪圖資源數(shù)據(jù)。不同類型的對象用不同的點符號和線型表示，而不同行業(yè)的圖示符號略有差異，故需對地質(zhì)符號庫進行定制。

以上三種數(shù)據(jù)在地質(zhì)圖件上通過圖形進行表達，鉆孔、平洞等勘探對象用符合專業(yè)認識的圖形或符號表示，從三維模型中提取的圖形數(shù)據(jù)用點符號、線型或填充面表示。

圖件的自動編繪是CAD技術(shù)與GIS技術(shù)有效集成的結(jié)果，用面向?qū)ο蟮乃枷雽π袠I(yè)內(nèi)的事物進行分類，圖件上不僅具有符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖形元素數(shù)據(jù)，還有內(nèi)容豐富的屬性數(shù)據(jù)。利用EC Framework技術(shù)可以實現(xiàn)對不同類型的對象進行不同的符號、圖層、顏色和標(biāo)注方式的表示。EC Framework（EC，Engineering Content）技術(shù)是Bentley公司為提高不同軟件和系統(tǒng)的可互操作性而提出，該技術(shù)本質(zhì)上是一個約定的技術(shù)框架，規(guī)定了一系列接口，以實現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)源的支持，提高系統(tǒng)的互操作性。EC Framework是GeoStation系統(tǒng)實現(xiàn)為CAD元素添加GIS屬性的技術(shù)基礎(chǔ)，基于EC Framework可以配置各種滿足行業(yè)需求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及約束定義，該配置用xml的格式存儲在Schema文件，然后通過EC Framework約定的接口對數(shù)據(jù)進行訪問、查詢、瀏覽、持久化等操作。

GeoStation系統(tǒng)中把地質(zhì)行業(yè)中用到的各種對象歸納為勘探模型、地質(zhì)模型、水工模型、試驗?zāi)Ｐ?、檢測模型等，如表1所示，并對各類對象的屬性以及圖層、顏色、線型、點符號、填充符號、標(biāo)注參數(shù)等約束進行了詳細的配置。繪圖過程中可根據(jù)對象類型和對象編號為元素添加屬性信息，自動設(shè)置圖層、顏色和線型等。地質(zhì)對象數(shù)據(jù)由三維到二維轉(zhuǎn)換的過程中，屬性通過繼承的方式進行傳遞，減少手工提取和人工判斷，提高了制圖效率。

地質(zhì)圖件中對象的屬性標(biāo)注方式要滿足不同行業(yè)規(guī)范，不同類型的對象的標(biāo)注方式不完全相同。大部分對象只需要標(biāo)注其編號，但也有個別類型對象對標(biāo)注的位置和內(nèi)容有特殊的要求，例如勘探孔洞不僅要標(biāo)注編號，還要標(biāo)注孔（洞）口的高程、孔（洞）深度和覆蓋層深度等；構(gòu)造對象除了編號還要標(biāo)注其傾角信息，而且編號要標(biāo)注在遠離地形線的一端。因此，不同類型的對象要按照不同的規(guī)則進行標(biāo)注。

EC Framework技術(shù)為對象的自動屬性標(biāo)注提供了基礎(chǔ)和可行性，自動標(biāo)注方法為對各種對象類型的標(biāo)注需求進行定義，包括標(biāo)注與地質(zhì)對象基點的偏移量、標(biāo)注的文字大小和標(biāo)注的各個部分等內(nèi)容；并針對不同對象類型編寫自動標(biāo)注算法。

自動標(biāo)注能夠?qū)蝹€對象進行較好的標(biāo)注，但當(dāng)標(biāo)注的對象多切相距較近時，標(biāo)注元素會發(fā)生壓蓋，解決方案是在地質(zhì)解譯階段首次出現(xiàn)標(biāo)注壓蓋的問題時，工作人員進行檢查并手動調(diào)整壓蓋的標(biāo)注，然后通過算法實現(xiàn)再次出圖時使用上次調(diào)整過的標(biāo)注位置進行標(biāo)注，減少出圖人員的重復(fù)工作。

標(biāo)注的自動更新算法則是為每個對象設(shè)置唯一標(biāo)識符屬性，該屬性通過特定算法計算得到，可以保證唯一性和可重復(fù)性，即如果一個對象的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)都沒有發(fā)生變化，則該對象的唯一標(biāo)識符也保持不變。自動標(biāo)注產(chǎn)生的標(biāo)注文本也作為對象，并賦有與被標(biāo)注對象相同的唯一標(biāo)識符，通過唯一標(biāo)識符，不同類型的地質(zhì)對象與標(biāo)注對象確定了一對多的關(guān)系（有的對象類型具有多個標(biāo)注部分，如構(gòu)造對象同時標(biāo)注構(gòu)造編號和構(gòu)造產(chǎn)狀）。每次自動標(biāo)注前，遍歷已有同名剖面或者圖件，提取已有標(biāo)注的唯一標(biāo)識符和標(biāo)注位置等數(shù)據(jù)，為自動標(biāo)注和標(biāo)注更新做準(zhǔn)備。自動標(biāo)注時先從提取的已有標(biāo)注列表中查找是否有和被標(biāo)注對象相同的唯一標(biāo)識符，如果有，則按照提取的標(biāo)注位置進行標(biāo)注，否則按照默認規(guī)則進行自動標(biāo)注。

表1 GeoStation系統(tǒng)中的對象分類

圖1 勘探剖面圖出圖設(shè)置界面示意

工程地質(zhì)圖件的輔助要素是符合地質(zhì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖件基本框架元素，包括圖名、比例尺、圖框、圖簽、圖例、指北針等，同時支持針對不同行業(yè)進行的特殊定制。這些輔助要素可以根據(jù)圖件的內(nèi)容范圍和行業(yè)規(guī)范，計算出符號繪制或者放置的位置坐標(biāo)。

圖例的繪制相對復(fù)雜，因為要為圖中出現(xiàn)的每一種類型的對象繪制圖例，并且要用圖中對象的真實符號和數(shù)據(jù)來繪制圖例。不同類型的圖件對圖例的要求不盡相同，主要區(qū)別在于要求的對象種類及順序不同，從系統(tǒng)實現(xiàn)繪制圖例算法的角度可以忽略這種差異。繪制圖例的過程為：

（1）遍歷圖件內(nèi)容，提取各種類型的對象，并根據(jù)圖件的范圍計算第1個圖例的位置。

（2）根據(jù)圖件要求的圖例順序，依次遍歷提取到的對象，如果有某種類型的對象，則進入第3步繪制該類型的圖例，記為第n個圖例。

（3）根據(jù)設(shè)置的圖例列數(shù)、圖例序號n、圖簽高度和圖件高度，計算第n個圖例的位置。

圖2勘探剖面圖自動出圖效果示意

（4）在計算出來的位置繪制圖例，必要時可根據(jù)對象的編號屬性從數(shù)據(jù)庫提取需要的詳細屬性數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)入2遍歷下一種類型；直到結(jié)束。

實踐應(yīng)用

GeoStation地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)了地質(zhì)圖件自動編繪與更新方法，已成功應(yīng)用于白鶴灘、錦屏二級、龍開口等15個大型水電水利工程。以白鶴灘水電站為例，水電站建設(shè)規(guī)模巨大、勘察周期長，參與的地質(zhì)和設(shè)計人員眾多，工程對地質(zhì)出圖的數(shù)量要求極大，地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)幫助專業(yè)人員減少了約80%的出圖工作量，極大地提高了編圖和校審的效率，確保了高生產(chǎn)壓力條件下的勘察產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1為白鶴灘水電站可行性研究階段壩址區(qū)勘探剖面圖的設(shè)置情況，界面的左側(cè)部分是出圖設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，右側(cè)是工程區(qū)域內(nèi)的勘探線及勘探線的出圖情況，用戶設(shè)置勘探線切剖面的參數(shù)后即可自動出圖。圖2為勘探線XH3位置自動輸出的工程地質(zhì)剖面圖，圖中線型、標(biāo)注、圖例、填充等內(nèi)容都滿足實際出圖要求。

華東院研發(fā)的GeoStation地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)的自動制圖功能具有一鍵自動標(biāo)準(zhǔn)化出圖、支持多數(shù)據(jù)源（數(shù)據(jù)庫、三維模型和符號庫等）、元素對象化、自動標(biāo)注及標(biāo)注更新、圖件輔助元素自動繪制等特點。目前，GeoStation地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)已應(yīng)用于多個大型水電項目中，有效提高了地質(zhì)圖件的繪圖效率和出圖質(zhì)量。