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、自動標注、圖件輔助要素自動繪制等關鍵問題。

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計研究院有限公司（以下簡稱“華東院”）基于Bentley公司的三維設計軟件MicroStation平臺，對其進行二次開發(fā)的地質(zhì)三維勘察設計系統(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、自動標注、圖件輔助要素自動繪制等關鍵問題。目前，該系統(tǒng)已應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)過反復編輯的線條其準確性也得到了保證，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)標準的圖形元素數(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，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、試驗模型、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注方式要滿足不同行業(yè)規(guī)范，不同類型的對象的標注方式不完全相同。大部分對象只需要標注其編號，但也有個別類型對象對標注的位置和內(nèi)容有特殊的要求，例如勘探孔洞不僅要標注編號，還要標注孔（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注其傾角信息，而且編號要標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)則進行標注。

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

自動標注能夠?qū)蝹€對象進行較好的標注，但當標注的對象多切相距較近時，標注元素會發(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)整過的標注位置進行標注，減少出圖人員的重復工作。

標注的自動更新算法則是為每個對象設置唯一標識符屬性，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，則該對象的唯一標識符也保持不變。自動標注產(chǎn)生的標注文本也作為對象，并賦有與被標注對象相同的唯一標識符，通過唯一標識符，不同類型的地質(zhì)對象與標注對象確定了一對多的關系（有的對象類型具有多個標注部分，如構(gòu)造對象同時標注構(gòu)造編號和構(gòu)造產(chǎn)狀）。每次自動標注前，遍歷已有同名剖面或者圖件，提取已有標注的唯一標識符和標注位置等數(shù)據(jù)，為自動標注和標注更新做準備。自動標注時先從提取的已有標注列表中查找是否有和被標注對象相同的唯一標識符，如果有，則按照提取的標注位置進行標注，否則按照默認規(guī)則進行自動標注。

表1 GeoStation系統(tǒng)中的對象分類

圖1 勘探剖面圖出圖設置界面示意

工程地質(zhì)圖件的輔助要素是符合地質(zhì)行業(yè)標準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。

圖例的繪制相對復雜，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。

實踐應用

GeoStation地質(zhì)三維勘察設計系統(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，水電站建設規(guī)模巨大、勘察周期長，參與的地質(zhì)和設計人員眾多，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)勘探剖面圖的設置情況，界面的左側(cè)部分是出圖設置相關的參數(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)三維勘察設計系統(tǒng)的自動制圖功能具有一鍵自動標準化出圖、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、自動標注及標注更新、圖件輔助元素自動繪制等特點。目前，GeoStation地質(zhì)三維勘察設計系統(tǒng)已應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。