張軍錄

摘要：以AutoCAD為開發(fā)、運行環(huán)境，以SQL SERVER為數(shù)據(jù)平臺，以河北某礦山為應(yīng)用范例，設(shè)計并實現(xiàn)了礦山巷道（主要是平巷，一下同）地質(zhì)編錄輔助成圖系統(tǒng)。系統(tǒng)將礦山巷道和地質(zhì)編錄信息以數(shù)字化的形式儲存于數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了地質(zhì)信息的統(tǒng)一管理；可自動、快速、按比例繪制巷道展示圖，同時實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)報表，極大提高了內(nèi)業(yè)工作效率。系統(tǒng)運行環(huán)境和功能設(shè)計緊密結(jié)合施工單位實際需要，大幅降低應(yīng)用技術(shù)門檻和軟件環(huán)境費用標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)編錄 輔助成圖 VBA AutoCAD

1 概述

圍巖地質(zhì)編錄是礦山巷道工程施工過程中一項基本工作，通過地質(zhì)編錄揭露各種地質(zhì)現(xiàn)象和規(guī)律，可為地下硐室圍巖穩(wěn)定性評價提供直接依據(jù)，并為支護結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇提供參考。傳統(tǒng)地質(zhì)編錄靠人工在開挖工作面現(xiàn)場勘測，勾畫地質(zhì)構(gòu)造線，量測其傾向、傾角、注明其巖性、填充物等屬性特征，然后經(jīng)內(nèi)業(yè)整理，手工繪制或利用制圖軟件半手工繪制成圖。這種手工、半手工繪制成圖的方法效率低，內(nèi)業(yè)工作繁重；且手工繪制紙質(zhì)地質(zhì)信息不易保存、共享和傳播，滯后于信息技術(shù)在工程實際中的應(yīng)用水平。針對這一問題，嚴建國等綜合應(yīng)用近景攝影測量的理論、數(shù)碼影像技術(shù)、圖形圖像處理和GIS等技術(shù)，研制開發(fā)了一套基于ArcView的地下洞室圍巖施工地質(zhì)編錄成圖系統(tǒng)，該技術(shù)通過采集洞壁影像和圖像處理技術(shù)，得到近似的洞壁正射影像，然后在洞壁正射影像上進行地質(zhì)解譯，從而得到地質(zhì)素描的線劃圖[1]。梁師俊開發(fā)了基于GIS的工程地質(zhì)勘察一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)了工程地質(zhì)建模、工程地質(zhì)數(shù)字化、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫管理、工程地質(zhì)特性分析、地質(zhì)解釋、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計和圖形可視化[2]。然而，工程實踐表明，上述先進的技術(shù)和方法并未在礦山巷道工程施工過程得到廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)手工繪制的地質(zhì)編錄方法仍是地質(zhì)信息獲取、利用的普遍方式。分析其原因可歸納以下兩點：一是基于ArcView地下洞室圍巖施工地質(zhì)編錄成圖系統(tǒng)由于其技術(shù)門檻和費用標(biāo)準(zhǔn)偏高，妨礙了其在工程施工單位的推廣；基于GIS的工程地質(zhì)勘察一體化系統(tǒng)則主要服務(wù)于勘察設(shè)計領(lǐng)域，軟件功能與礦山巷道施工單位需求不匹配，降低了施工單位引進軟件的積極性。為了實際解決礦山巷道地質(zhì)編錄手工、半手工制圖工作效率偏低，地質(zhì)信息保存、利用、傳播難度大的問題，本文以國際通用制圖軟件AutoCAD為開發(fā)、運行環(huán)境，以SQL SERVER為數(shù)據(jù)平臺，以河北某礦山平硐施工為應(yīng)用范例，設(shè)計并實現(xiàn)了礦山巷道地質(zhì)編錄輔助成圖系統(tǒng)。該系統(tǒng)將礦山巷道和地質(zhì)編錄信息以數(shù)字化的形式儲存于數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了地質(zhì)信息的統(tǒng)一管理；可根據(jù)樁號參數(shù)自動、快速、按比例繪制隧道三壁展示圖，并能實現(xiàn)地質(zhì)信息報表，極大提高了內(nèi)業(yè)工作效率；系統(tǒng)運行環(huán)境和功能設(shè)計緊密結(jié)合施工單位對巷道地質(zhì)編錄工作的實際需要，滿足功能需求的同時大幅降低應(yīng)用技術(shù)門檻和軟件環(huán)境費用標(biāo)準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

綜合分析礦山巷道施工單位對地質(zhì)編錄工作的實際需求，本系統(tǒng)設(shè)計了項目范圍管理、線路平面信息管理、地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)管理、自動繪圖、成果打印等功能。

項目范圍管理功能與一般項目管理軟件此項功能相似，實現(xiàn)從基本建設(shè)項目到巷道工程及開挖工作面的工作分解（WBS）過程。這一功能滿足對多個大型基本建設(shè)項目巷道工程地質(zhì)信息統(tǒng)一管理的需求，可以解決巷道圍巖地質(zhì)數(shù)據(jù)由于分散管理而造成的地質(zhì)信息共享困難及數(shù)據(jù)流失等問題。操作界面如圖1所示。巷道平面數(shù)據(jù)管理主要針對巷道中線曲線要素等數(shù)據(jù)的管理，用于解決圍巖地質(zhì)特征空間定位問題。一方面，巷道圍巖特征空間位置以線路中線為參照系，并以巷道開掘進程標(biāo)號為標(biāo)示，需根據(jù)巷道平面數(shù)據(jù)和開掘進程標(biāo)號首先確定圍巖特征在線路的位置，再間接確定其空間地理位置；另一方面，巷道三壁展示圖的繪制以開掘工作面所在位置為局部空間坐標(biāo)系，地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)必須進行坐標(biāo)變換才能正確繪制，坐標(biāo)變換的依據(jù)需從巷道平面信息獲取。因此巷道平面數(shù)據(jù)管理是必要的，其數(shù)據(jù)操作界面如圖2所示。地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)管理用于將設(shè)計圍巖地質(zhì)信息和實際圍巖信息數(shù)字持久化。通過圖形化界面，以斷面圍巖地質(zhì)數(shù)據(jù)為信息單元，將手工地質(zhì)編錄信息錄入數(shù)據(jù)庫。這些信息涵蓋掌子面狀態(tài)、毛洞開挖狀態(tài)、巖石強度、風(fēng)化程度、裂隙狀態(tài)、涌水狀態(tài)、圍巖級別、地層巖性特征、工程地質(zhì)特征、設(shè)計工程地質(zhì)特征、設(shè)計水文地質(zhì)特征等。圖3為地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)管理界面。繪圖功能實現(xiàn)巷道展示圖以及數(shù)據(jù)報表的自動實現(xiàn)。按每60m長度創(chuàng)建一個DWG格式成果文件，每一文件繪制10幅掌子面展示圖（每圖間距6m），1幅60m長三壁展示圖，比例尺為1：300；該功能同時實現(xiàn)地質(zhì)特征數(shù)據(jù)報表。繪制長短按實際要求可任意輸入，程序根據(jù)地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)判斷圍巖地質(zhì)變化，自動分區(qū)段繪制。圖4為繪制參數(shù)選擇界面，圖5為展示圖截圖。成果打印功能實現(xiàn)將自動繪制成果成冊打印。如前所述，每一DWG成果文件包含10幅掌子面及1幅三壁展示圖，再包括封面共12頁，須按順序以及頁面橫縱布局要求打印。對此，手工打印不僅效率低下，易于出錯；而且由于窗口打印選擇定位的不一致性往往造成打印風(fēng)格的不統(tǒng)一，影響文檔質(zhì)量。成果打印功能克服了上述缺點，同時根據(jù)打印機的特性，用戶可以選擇打印順序，以便裝訂成冊。圖6為打印參數(shù)選擇界面。3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在分析系統(tǒng)功能及用戶需求的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)采取以AutoCAD ActiveX為二次開發(fā)接口，AutoCAD VBA IDE為開發(fā)環(huán)境的開發(fā)方案?？紤]VBA應(yīng)用程序的特點，系統(tǒng)設(shè)計了4個模塊、21個窗體。4個模塊名稱分別為：CommAss、CommCommand、DZCommand、DZSub；主要窗體有：EDataMForm（工程范圍管理）、EDataMForm（編錄數(shù)據(jù)管理）、PMForm（平面數(shù)據(jù)管理）、BLDrawForm（編錄出圖）、PATForm（巖性表管理）、PrintForm（打印）。CommAss主要包括系統(tǒng)通用輔助過程，如工作環(huán)境設(shè)置、數(shù)據(jù)庫環(huán)境初始化、SQL查詢等。CommCommand主要實現(xiàn)系統(tǒng)通用宏命令過程，如系統(tǒng)菜單創(chuàng)建與初始化命令、打印配置命令等；DZCommand為系統(tǒng)主要模塊，包含系統(tǒng)全部地質(zhì)相關(guān)宏命令過程，涉及項目范圍管理、編錄數(shù)據(jù)管理、編錄繪圖、巷道/線路平面數(shù)據(jù)管理等命令；DZSub為DZCommand后臺輔助模塊，DZCommand內(nèi)的各種宏命令的實現(xiàn)算法均由本模塊完成。各窗體執(zhí)行人機交互功能，實現(xiàn)系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)維護和參數(shù)設(shè)定。各模塊及窗體關(guān)系（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）如圖7所示，從中可以看出各模塊和窗體之間的依賴關(guān)系。4 邏輯數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

確定邏輯數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)目的在于解決持久儲存和消息傳遞（如XML 消息）等問題。邏輯數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)描述了實體的結(jié)構(gòu)形式、數(shù)據(jù)關(guān)系、以及在軟件中的約束，考慮篇幅關(guān)系，本文僅提供了主要數(shù)據(jù)模型的實體-關(guān)系（ER）圖，用于闡述持久儲存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖8所示。圖8-a展示了系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)表之間的關(guān)系，其中表Project、Engineering儲存項目范圍管理數(shù)據(jù)；表GW存儲設(shè)計圍巖特征數(shù)據(jù)；表DM存儲一般巖性特征數(shù)據(jù)，表DT儲存斷層數(shù)據(jù)，表JT儲存節(jié)理數(shù)據(jù)，表YT儲存巖層數(shù)據(jù)，此四表負責(zé)實際地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)儲存；表ZX負責(zé)管理平面設(shè)計數(shù)據(jù)；YXB負責(zé)管理巖性表數(shù)據(jù)。圖8-b較詳細的描述了表DM、DT、JT、YT的結(jié)構(gòu)，表DM字段包含掌子面狀態(tài)、毛洞開挖狀態(tài)、巖石強度、風(fēng)化程度、裂隙狀態(tài)、涌水狀態(tài)、圍巖級別、地層巖性特征、工程地質(zhì)特征等數(shù)據(jù)，表DT、JT、YT分別包含斷層、節(jié)理、地層等結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。表DT、JT、YT通過外鍵DM_ID與表DM建立關(guān)聯(lián)。

5 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與坐標(biāo)平面交線算法

地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與坐標(biāo)平面內(nèi)交線方程是其在展示圖中繪制的算法基礎(chǔ)。地質(zhì)專業(yè)通常以傾向傾角來表示地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，按一般巷道長度考慮，可假定巷道范圍內(nèi)均為平面，如圖9所示，由x，y，z軸構(gòu)建一笛卡爾空間局部坐標(biāo)系，以z-y面表示巷道開挖工作面，x-z面表示巷道左邊墻，x-y面表示巷道底板，矢量OQ代表巷道前進方向，與x軸正向相反，平面ABC表示某一圍巖結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面與三坐標(biāo)平面交線為AB、BC、CA。OP垂直于AB，則∠OPC和∠QOP分別表示結(jié)構(gòu)面在局部坐標(biāo)系下的傾角和傾向，以α∠β表示。

假設(shè)平面ABC在三坐標(biāo)軸的截距分別是a，b，c，則其方程可表示為：

++=1（1）

根據(jù)幾何關(guān)系有：

ctgβ·c=sin（α-）·α=cos（α-于是：

a=cb=c（3）

將（3）代入（1）得：

x+y+z=c（4）

令z，x，y分別等于0，整理得AB，BC，CA在三坐標(biāo)平面的方程如下：

x+y=cx+z=cy+z=c（5）

對于單一重要結(jié)構(gòu)面繪制，a、b、c需知其一，由（2）式可推算出c值，對于同一產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面簇圖例填充問題，可不考慮c值，按交線方程斜率繪制。上述傾向α為相對于工作面局部坐標(biāo)系的傾向，真實傾向需按線路走向換算獲得，其算法簡單，不予贅述。

6 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)采用VBA實現(xiàn)，運行于施工單位普遍使用的AutoCAD環(huán)境，不受AutoCAD版本限制，功能擴充和改進便宜，易于使用，成本低廉。圖10展示了系統(tǒng)運行于AutoCAD2008的菜單界面。系統(tǒng)在河北某礦山巷道地質(zhì)編錄工作中廣泛應(yīng)用，極大提高了內(nèi)業(yè)工作效率，有效降低了時間成本。另外，本系統(tǒng)假定巷道范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面為平面，僅符合一般地質(zhì)情況，對于小角度相交大型非平面結(jié)構(gòu)面尚難于表達，另需手工修改成果圖形才能與工程實際相符。

參考文獻：

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