基于AutoCAD的弧段地質(zhì)剖面精確繪制算法與實(shí)現(xiàn)

裴麗娜 齊菊梅 劉振紅 侯清波 劉灝

摘要：當(dāng)?shù)刭|(zhì)平面圖中的剖面線包含弧段時(shí)，傳統(tǒng)的基于AutoCAD開發(fā)的繪圖工具繪制出的地質(zhì)剖面圖總是比實(shí)際剖面長(zhǎng)度短一點(diǎn)。為解決這一問(wèn)題，利用弧長(zhǎng)公式、AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)、出圖標(biāo)準(zhǔn)，研究并實(shí)現(xiàn)了帶弧段地質(zhì)剖面圖的精確繪制，并結(jié)合工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)在剖面圖上繪制勘察信息。應(yīng)用效果表明：繪制出的弧段剖面圖長(zhǎng)度、地形高程、地質(zhì)界線特征、相交剖面特征以及勘察點(diǎn)位置與平面圖完全吻合，圖上自動(dòng)繪制的勘察信息與工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)一致。該技術(shù)提高了制圖效率，提升了工作質(zhì)量，可在多個(gè)平臺(tái)的弧段地質(zhì)剖面圖繪制中推廣。

關(guān) 鍵 詞：弧段地質(zhì)剖面; 地質(zhì)剖面圖; 工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù); 精確繪制; 自動(dòng)繪制; AutoCAD

地質(zhì)剖面圖是地質(zhì)內(nèi)容的重要表現(xiàn)形式之一，其內(nèi)容和精度直接影響工程設(shè)計(jì)，進(jìn)而影響工程質(zhì)量[1-2]。目前，利用AutoCAD技術(shù)和GIS技術(shù)都能自動(dòng)或半自動(dòng)生成地質(zhì)剖面圖[3-5]，并且在自動(dòng)繪制地質(zhì)剖面圖的過(guò)程中，對(duì)尖滅、斷層、地層缺失等復(fù)雜地層問(wèn)題也進(jìn)行了深入的研究[6-8]。但是工程應(yīng)用實(shí)踐表明，當(dāng)?shù)刭|(zhì)平面圖中的剖面線包括弧段時(shí)，傳統(tǒng)的軟件繪制出的剖面圖總是比實(shí)際剖面短了一點(diǎn)，原因是把弧段部分近似作為無(wú)限個(gè)小線段之和來(lái)處理，并不是真正的弧長(zhǎng)，所以長(zhǎng)度并不十分精確。因此本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式，利用AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)、結(jié)合出圖標(biāo)準(zhǔn)，研究并實(shí)現(xiàn)了帶弧段地質(zhì)剖面圖的精確繪制，并結(jié)合工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)在剖面圖上繪制勘察信息。

1 方法與技術(shù)

1.1 工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

一幅豐富的地質(zhì)剖面圖，不僅要繪制圖形數(shù)據(jù)，也要繪制跟圖形相關(guān)的地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)[9-10]，因此第一步是建立工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，在繪圖的過(guò)程中，自動(dòng)從工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取勘察信息，并根據(jù)坐標(biāo)，用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，繪制在相應(yīng)的位置。繪制地質(zhì)剖面圖，根據(jù)要表達(dá)的內(nèi)容，包括如下勘察數(shù)據(jù)[11]。

（1） 鉆孔基本數(shù)據(jù)。鉆孔是地質(zhì)勘察中最主要的數(shù)據(jù)，包括鉆孔編號(hào)、鉆孔類型、位置描述、孔口高程、預(yù)計(jì)孔深、實(shí)際孔深、鉆孔方位角、鉆孔傾角、鉆探方法、鉆機(jī)類型、負(fù)責(zé)單位、采用物探方法等信息[12]。

（2） 探坑基本數(shù)據(jù)。包括探坑編號(hào)、位置描述、深度、長(zhǎng)度、寬度、直徑、開挖方量、素描圖、施工者、地質(zhì)值班。

（3） 小圓井基本數(shù)據(jù)。包括小圓井編號(hào)、位置描述、深度、長(zhǎng)度、寬度、直徑、開挖方量、素描圖、施工者、地質(zhì)值班。

（4） 探槽基本數(shù)據(jù)，包括探槽編號(hào)、位置描述、總長(zhǎng)度、開挖方量、素描圖、施工單位、地質(zhì)值班。

（5） 探井編號(hào)、位置描述、探井類型、探井深度、一壁寬度、二壁寬度、三壁寬度、四壁寬度、井口直徑、施工方法、施工單位、地質(zhì)值班。

（6） 洛陽(yáng)鏟基本數(shù)據(jù)，包括洛陽(yáng)鏟編號(hào)、位置描述、深度、施工者、地質(zhì)值班。

（7） 地層數(shù)據(jù)，地層數(shù)據(jù)也是剖面圖要表達(dá)的主要內(nèi)容，包括深度、層號(hào)、地層代號(hào)。

（8） 巖性數(shù)據(jù)，是地層更詳細(xì)的描述，包括深度、層次、巖土名稱、花紋編號(hào)、地質(zhì)描述。

（9） 地下水?dāng)?shù)據(jù)，包括初見水位、初見地下水埋深、初見觀測(cè)時(shí)間、穩(wěn)定水位、穩(wěn)定地下水埋深、穩(wěn)定觀測(cè)時(shí)間。

（10） 標(biāo)貫數(shù)據(jù)，包括深度、桿長(zhǎng)、每貫入10 cm的錘擊數(shù)1、每貫入10 cm的錘擊數(shù)2、每貫入10 cm的錘擊數(shù)3、實(shí)測(cè)錘擊數(shù)、修正錘擊數(shù)。

（11） 動(dòng)探數(shù)據(jù)，包括動(dòng)探類型、起深度、止深度、貫入深度、桿長(zhǎng)、錘擊數(shù)、修正系數(shù)、修正錘擊數(shù)。

（12） 巖芯采取率、獲得率、RQD數(shù)據(jù)，包括起深度、止深度、巖芯采取長(zhǎng)度、巖芯獲得長(zhǎng)度、巖芯RQD長(zhǎng)度、巖芯采取率、巖芯獲得率、巖芯RQD。

（13） 巖土取樣數(shù)據(jù)，包括取樣編號(hào)、位置描述、起深度、止深度、取樣類型、取樣數(shù)量、地層代號(hào)、巖土名稱、風(fēng)化程度、取樣人、取樣時(shí)間。

1.2 弧段地質(zhì)剖面的繪制

繪制剖面圖，主要是通過(guò)分類計(jì)算各個(gè)對(duì)象與弧段剖面線的交點(diǎn)或勘探點(diǎn)的投影，然后根據(jù)這些交點(diǎn)的平面圖坐標(biāo)和剖面線的起點(diǎn)坐標(biāo)，分別計(jì)算出相交地形距離剖面線起點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，以及地質(zhì)界線、地層分界線、巖組分界線、相交剖面等交點(diǎn)距離剖面線起點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，然后繪制地形線及地質(zhì)界線、地層分界線、巖組分界線、相交剖面等[13-14]。其中，交點(diǎn)參數(shù)包括交點(diǎn)平面圖坐標(biāo)、剖面圖坐標(biāo)、顏色、交點(diǎn)距離弧段起點(diǎn)的弧長(zhǎng);勘探點(diǎn)投影參數(shù)包括投影點(diǎn)平面圖坐標(biāo)、剖面圖坐標(biāo)、投影距離[15]。詳細(xì)步驟如圖1所示。

在CAD環(huán)境中，首先選擇參與計(jì)算的對(duì)象或圖層，獲取到圖層中對(duì)象的坐標(biāo)信息及顏色屬性，由于剖面線可能是折線，剖面線上X坐標(biāo)的遞增、遞減不定，所以根據(jù)CAD數(shù)據(jù)組織的特點(diǎn)，采取炸開剖面線的方式，炸開前和炸開后的效果如圖2所示。

炸開后，每一個(gè)炸開的單元剖面線（弧段部分除外，弧段單獨(dú)處理），X坐標(biāo)的遞增或遞減具有確定性，便于對(duì)地形線交點(diǎn)排序，對(duì)于弧段部分的交點(diǎn)，采用按交點(diǎn)到弧段起點(diǎn)的弧長(zhǎng)給交點(diǎn)排序。其中，計(jì)算弧長(zhǎng)所需的弧段參數(shù)可通過(guò)弧段本身的幾何屬性獲得弧段的起點(diǎn)X坐標(biāo)、起點(diǎn)Y坐標(biāo)、終點(diǎn)X坐標(biāo)、終點(diǎn)Y坐標(biāo)、圓心X坐標(biāo)、圓心Y坐標(biāo)、半徑、凸度等弧段參數(shù)，計(jì)算弧長(zhǎng)的公式見式（1）。

2 結(jié)果分析

以黃河下游“十三五”防洪工程為例，繪制剖面A-A′的地質(zhì)剖面圖。鼠標(biāo)落在項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)上，點(diǎn)擊“繪制地質(zhì)剖面圖”菜單，彈出圖5所示對(duì)話框，選擇參與計(jì)算的圖層對(duì)象和勘探點(diǎn)塊名，設(shè)置有效投影范圍，選擇剖面線，可批量選擇多條剖面，點(diǎn)擊“成圖”按鈕，計(jì)算過(guò)程中有進(jìn)度條提示，待計(jì)算完畢，彈出圖6設(shè)置成圖參數(shù)，設(shè)置比例尺、刻度、高程、最高點(diǎn)坐標(biāo)、最低點(diǎn)坐標(biāo)、說(shuō)明欄等成圖參數(shù)，點(diǎn)擊“確定”按鈕，在CAD環(huán)境中繪出地質(zhì)剖面圖，如圖7～8所示。

實(shí)踐證明該算法公式符合數(shù)學(xué)法則，繪制出的剖面圖中剖面長(zhǎng)度與平面圖圖中一致，且操作步驟簡(jiǎn)單，可直接將勘察信息繪制出來(lái)，且可批量繪制，使得繪制地質(zhì)剖面圖的速度更快。

3 結(jié) 論

比起目前具有繪制地質(zhì)剖面圖功能的應(yīng)用軟件，本文研究弧段地質(zhì)剖面自動(dòng)繪制功能具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1） 針對(duì)具有弧段或圓的工程建筑物軸線，能夠精確生成地質(zhì)剖面。

（2） 直接連接工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，將勘探數(shù)據(jù)也繪在了剖面圖上相應(yīng)的位置，而且本方法操作簡(jiǎn)單，只需選擇參與計(jì)算的圖層，可批量選擇剖面線，提高了工作效率6～10倍，得到了一線工程師的一致好評(píng)。

（3） 弧段地質(zhì)剖面自動(dòng)繪制功能通用性比較強(qiáng)，對(duì)于不同地區(qū)，只要有地形，對(duì)于一般的剖面線、部分帶有弧段的剖面線、只有弧段的剖面線都適用。而其他軟件的地質(zhì)剖面圖功能，遇到有弧段的剖面線，繪制出的剖面圖長(zhǎng)度不精確。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王德筑.工程地質(zhì)剖面圖軟件的開發(fā)與應(yīng)用[J].工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2000（2）：6-9.

[2] 歐湘萍.工程地質(zhì)巖性剖面圖繪圖軟件的研制[J].武漢水運(yùn)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，4（2）：199-203.

[3] 陸娟.基于組件式GIS的水文地質(zhì)剖面圖自動(dòng)生成方法研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2003.

[4] 韓俊卿.基于GIS的地質(zhì)剖面圖自動(dòng)生成研究[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007，17（31）：203-204.

[5] 王麗芳，張寶一，陳國(guó)良，等.基于OpenGL的立體地質(zhì)剖面圖自動(dòng)生成方法[J].資源環(huán)境與工程，2007，21（5）：589-592.

[6] 王家偉，郭甲騰，張榮兵.含尖滅地層的地質(zhì)剖面圖自動(dòng)生成與2D/3D繪制[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，28（3）：405-409.

[7] 陳嶷瑛，李文斌，武強(qiáng)，等.地質(zhì)剖面圖中復(fù)雜斷層的自動(dòng)生成方法[J].煤田地質(zhì)與勘探，2010，38（5）：7-12.

[8] Van Dam A Puk D.The history of computer graphics standards development[J].Computer Graphics，1998，32（1） ：34-38.

[9] 朱瑩，劉學(xué)軍，陳鎖忠.地質(zhì)剖面自動(dòng)繪制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].人民長(zhǎng)江，2008，39（8）：72-74.

[10] 張軍強(qiáng)，吳沖龍，劉軍旗.三峽庫(kù)區(qū)災(zāi)害地質(zhì)立體圖數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].人民長(zhǎng)江，2012，43（7） ：47-49.

[11] 錢莉莉，羅文行，楊紅，等.一個(gè)實(shí)用的地質(zhì)科學(xué)管理工具[J].人民長(zhǎng)江，2015，46（19） ：105-108.

[12] 楊麗.地質(zhì)平/剖面圖自動(dòng)成圖系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.

[13] 唐春艷，王玉蘭，彭繼兵，等.地質(zhì)剖面圖自動(dòng)繪制方法[J].世界地質(zhì)，2004，23（4）：348-353.

[14] 門桂珍，薩賢春，雷寶林.地質(zhì)剖面圖的計(jì)算機(jī)繪制技術(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探，1995，23（1）：34-37.

[15] 蓋迎春，郭建文，馮敏.基于面向?qū)ο蠓椒▽?shí)現(xiàn)地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)生成[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2005（5）：132-134.

（編輯：劉 媛）