基于MicroStation平臺(tái)的地質(zhì)剖面圖自動(dòng)繪制研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助制圖技術(shù)在地質(zhì)圖件編繪方面已有廣泛應(yīng)用。在三維設(shè)計(jì)手段日益普遍的今天，為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)容豐富、質(zhì)量好、效率高的地質(zhì)剖面圖，該文研究了一種基于MicroStation軟件平臺(tái)的地質(zhì)剖面圖自動(dòng)繪制方法及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。通過在多個(gè)水電站工程中的應(yīng)用充分驗(yàn)證了該文方法的有效性，大幅提高了繪制地質(zhì)剖面圖的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：MicroStation；地質(zhì)剖面圖；地質(zhì)三維建模；EC Framework

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）32-0239-02

地質(zhì)剖面圖是沿地表某一水平直線或折線，以假想的豎直面與地層相切所得的斷面圖，表示地質(zhì)剖面上的地質(zhì)現(xiàn)象及其相互關(guān)系的圖件。它是地層在垂向上最直觀最有效的表達(dá)方式，形象直觀地表達(dá)了地層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和地層的沉積規(guī)律，是系統(tǒng)分析區(qū)域或局部的地質(zhì)條件、正確指導(dǎo)地下資源的開發(fā)利用以及工程的實(shí)施和建設(shè)的依據(jù)之一。

90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)輔助制圖技術(shù)的發(fā)展，已有較多文獻(xiàn)研究了地質(zhì)剖面圖自動(dòng)繪制技術(shù)，主要有兩種方式：基于CAD技術(shù)和基于GIS組件開發(fā)技術(shù)[1]。這些技術(shù)研究了基于鉆孔數(shù)據(jù)繪制地層界限、地層填充、斷層的表達(dá)等內(nèi)容，但也存在不足之處：1）缺少屬性數(shù)據(jù)表達(dá)，進(jìn)而缺少智能化的地質(zhì)對(duì)象標(biāo)注；2）缺少系統(tǒng)的符號(hào)化方案，如線型、點(diǎn)符號(hào)、填充符號(hào)等；3）內(nèi)容單一，僅有鉆孔數(shù)據(jù)。

近年來三維建模技術(shù)在地質(zhì)和設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，也為地質(zhì)圖件的自動(dòng)編繪帶來了新的思路。Bentley軟件公司的產(chǎn)品MicroStation是一個(gè)二維+三維工程設(shè)計(jì)平臺(tái)，具有統(tǒng)一的圖形平臺(tái)、統(tǒng)一的文件格式、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢，提供強(qiáng)大的圖形處理能力，且文件格式統(tǒng)一，數(shù)據(jù)表達(dá)方式一致，共享效率高。本文基于MicroStation軟件平臺(tái)，研究了一種融合三維建模流程、具有多種數(shù)據(jù)源的地質(zhì)剖面圖自動(dòng)繪制方法，對(duì)CAD和GIS技術(shù)進(jìn)行有效集成，彌補(bǔ)了以往地質(zhì)剖面圖繪制方法的不足。

1 地質(zhì)剖面圖相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 融合地質(zhì)三維建模流程

三維地質(zhì)建模是一個(gè)基于數(shù)據(jù)分析、合成的學(xué)科，建立的地質(zhì)模型匯總了各種信息和解釋結(jié)果，解譯成果是否合理是決定三維地質(zhì)模型質(zhì)量高低的關(guān)鍵。當(dāng)前國內(nèi)外地質(zhì)建模的總體思路和方法基本上是一致的，即在廣泛收集地質(zhì)、地震及鉆孔資料的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)來動(dòng)態(tài)地模擬地層的空間變化特征。三維建模一般遵循從點(diǎn)——線——面——體的步驟，即首先將勘探數(shù)據(jù)（鉆孔、平洞等及其一維揭露點(diǎn)數(shù)據(jù)）投影到附近的剖面上，其次在剖面上通過人工解譯，編錄各類地質(zhì)界線，并返回到三維模型，經(jīng)過多個(gè)方向的豎直剖面及解譯編錄，建立工程范圍內(nèi)的線框模型，然后將同一地質(zhì)類型、屬于同一地質(zhì)界面的地質(zhì)線條擬合出地質(zhì)界面，最后地質(zhì)界面通過拉伸、裁剪等布爾運(yùn)算得到地質(zhì)體，如圖1所示。

建模流程里的二維剖面還不是正式的地質(zhì)剖面圖，此處重點(diǎn)表達(dá)地質(zhì)解譯和已編錄的線條，沒有圖框、圖簽和圖例等圖件輔助要素。同時(shí)這些內(nèi)容其實(shí)也是地質(zhì)剖面圖的一部分。通過反復(fù)在剖面上編錄、編輯校正地質(zhì)線條，可以不斷提高線框模型的精度和可靠性[2]。另一方面，地質(zhì)剖面圖的繪制又需要從三維模型中提取線框模型，以及剖面與地質(zhì)面、體模型的交線和交面，因此地質(zhì)剖面圖的繪制過程融合了地質(zhì)三維建模的流程，可以充分利用地質(zhì)三維建模的成果。

1.2 多源數(shù)據(jù)獲取與繪制

本文將地質(zhì)剖面圖上的數(shù)據(jù)分為三類：錄入地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的勘探孔洞、地質(zhì)三維模型和地質(zhì)符號(hào)庫[3]，如圖2所示。

1） 存儲(chǔ)在地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的勘探孔洞

勘探孔洞包括鉆孔、平洞、探井、探坑、探槽等?？碧娇锥吹目臻g屬性（幾何特征）數(shù)據(jù)和地質(zhì)屬性（專業(yè)特征）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中，出圖時(shí)通過數(shù)據(jù)服務(wù)從數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)提取這些數(shù)據(jù)，保證了地質(zhì)圖件數(shù)據(jù)的安全性、準(zhǔn)確性和有效性。

2） 地質(zhì)三維模型

地質(zhì)三維模型為地質(zhì)剖面圖提供的數(shù)據(jù)包括兩個(gè)部分：一是剖面與三維模型元素的交點(diǎn)、交線和交面，例如勘探線交點(diǎn)、地形線、地層面，需要通過布爾剪切計(jì)算得到；二是剖面解譯階段編錄的各類地質(zhì)線條，從線框模型直接獲取。從模型中提取圖形數(shù)據(jù)，使地質(zhì)圖件繼承了地質(zhì)建模解譯的最新成果，確保了成果圖件與校審模型的數(shù)據(jù)一致性，解決了設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中三維建模與二維出圖出現(xiàn)兩張皮的問題。

3） 從地質(zhì)符號(hào)庫中提取的繪圖資源數(shù)據(jù)

地質(zhì)符號(hào)庫內(nèi)容包括地質(zhì)點(diǎn)符號(hào)、線型符號(hào)和巖性花紋符號(hào)。地質(zhì)符號(hào)庫可以基于不同CAD平臺(tái)和不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)制作。地質(zhì)三維系統(tǒng)圖件編繪模塊可通過辨識(shí)工程類型屬性，自動(dòng)加載地質(zhì)符號(hào)庫資源，從而滿足不同行業(yè)的地質(zhì)圖自動(dòng)編繪要求。

1.3 地質(zhì)對(duì)象特征化處理

地質(zhì)三維模型和剖面圖上的圖形元素只有具備地質(zhì)屬性之后才能發(fā)揮強(qiáng)大的使用價(jià)值，不僅方便圖形元素的管理，支持屬性查詢，還為實(shí)現(xiàn)剖面圖上的自動(dòng)標(biāo)注對(duì)象、自動(dòng)圖例布置提供技術(shù)基礎(chǔ)。

本文使用EC Framework（EC，Engineering Content的縮寫）技術(shù)表達(dá)并存儲(chǔ)各類地質(zhì)對(duì)象的屬性。EC Framework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的技術(shù)框架[4]，規(guī)定了一系列接口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)源的支持，提高系統(tǒng)的互操作性，實(shí)現(xiàn)“統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構(gòu)”。

EC Framework中提供了一些數(shù)據(jù)相關(guān)的基本概念，EC Class表示對(duì)象類型，每個(gè)對(duì)象類型包括一組屬性（EC Property），使用對(duì)象類型可以創(chuàng)建對(duì)象實(shí)例（EC Instance）。同時(shí)EC Framework還提供了向圖形元素讀寫EC Instance數(shù)據(jù)的方法。EC Class與面向?qū)ο箝_發(fā)語言中的Class非常相似（EC Property和EC Instance也是如此），但EC Class是用XML文本來定義和描述的。比如具有“員工編號(hào)”和“姓名”屬性的“員工”類可以用XML描述如下：endprint

地質(zhì)模型中涉及的對(duì)象分類眾多，如表1所示。

程序開發(fā)過程中，為了實(shí)現(xiàn)開發(fā)語言中的Class（以下稱.NET Class）和EC Class在概念上的統(tǒng)一，本文使用.NET Reflection技術(shù)，將.NET Class 和對(duì)應(yīng)的EC Class互相映射，將.NET Instance 和 EC Instance也互相映射，使得EC Framework的使用更加簡便，如圖4所示。

1.4 自動(dòng)標(biāo)注

地質(zhì)剖面圖中的屬性標(biāo)注要滿足地質(zhì)行業(yè)制圖規(guī)范要求。不同類型的對(duì)象的標(biāo)注方式不盡相同，部分對(duì)象只需要標(biāo)注其編號(hào)，但也有幾種類型對(duì)象對(duì)標(biāo)注的格式、位置有特殊要求，如勘探孔洞既要標(biāo)注屬性編號(hào)又要標(biāo)注孔（洞）口的高程、孔（洞）深度等數(shù)據(jù)；構(gòu)造對(duì)象除了在遠(yuǎn)離地形線一端標(biāo)注屬性編號(hào)，還要在線條中間標(biāo)注其產(chǎn)狀。因此，需要根據(jù)具體地質(zhì)類型的標(biāo)注規(guī)則，以及通過EC Framework技術(shù)寫到圖形元素上的屬性數(shù)據(jù)，開發(fā)對(duì)應(yīng)的自動(dòng)標(biāo)注方法。

為了盡量減少標(biāo)注壓蓋，減輕后期修圖的工作壓力，本文使用了記錄每個(gè)標(biāo)注所占用范圍的緩存。當(dāng)新標(biāo)注一個(gè)對(duì)象時(shí)，當(dāng)標(biāo)注內(nèi)容與緩存中的范圍無相交時(shí)，則在默認(rèn)位置繪制該標(biāo)注，否則按照一定規(guī)則移動(dòng)該標(biāo)注位置，直到與緩存中的范圍無相交為止。

1.5 自動(dòng)排列圖例

圖例是剖面圖上重要的圖件輔助要素。圖中出現(xiàn)的每一種地質(zhì)類型都應(yīng)有對(duì)應(yīng)的圖例，并且要用圖中對(duì)象的真實(shí)屬性進(jìn)行圖例標(biāo)注。剖面圖中元素上的EC數(shù)據(jù)是自動(dòng)排列圖例的基礎(chǔ)。繪制圖例的過程可以分為以下幾步：

1） 遍歷圖件內(nèi)容，提取各種類型的對(duì)象，并根據(jù)圖件的范圍確定第一個(gè)圖例的位置；

2） 按照預(yù)先配置好的各類地質(zhì)對(duì)象繪制圖例的先后順序，依次遍歷提取到的對(duì)象，如果有某種類型的對(duì)象，則進(jìn)入第3步繪制該類型的圖例，記為第n個(gè)圖例；

3） 根據(jù)設(shè)置的圖例列數(shù)、圖例序號(hào)n和圖件高度，計(jì)算第n個(gè)圖例的位置；

4） 在計(jì)算出來的位置繪制圖例，必要時(shí)可根據(jù)對(duì)象的編號(hào)屬性從數(shù)據(jù)庫提取需要的詳細(xì)屬性數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)入步驟2遍歷下一種類型，直到結(jié)束。

2 結(jié)論

本文介紹了基于MicroStation的地質(zhì)剖面自動(dòng)繪制方法已應(yīng)用于白鶴灘、錦屏二級(jí)、龍開口等15個(gè)大型水電水利工程。該方法具有一鍵自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化出圖、融合三維建模流程、支持?jǐn)?shù)據(jù)庫和三維模型等多源數(shù)據(jù)、出圖對(duì)象特征化、自動(dòng)標(biāo)注、圖例自動(dòng)排列等功能特點(diǎn)。通過在多個(gè)大型水利水電工程項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用，充分驗(yàn)證了這種地質(zhì)剖面圖的實(shí)際效果，大幅提高了計(jì)算機(jī)輔助出圖效率，減少了人工工作量，避免了一些人為差錯(cuò)，提高了地質(zhì)剖面圖產(chǎn)品的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱瑩， 劉學(xué)軍， 陳鎖忠. 基于GIS的地質(zhì)剖面圖自動(dòng)繪制軟件的研究[J]. 南京師范大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2007， 30（4）.

[2] 劉志鋒. 基于GeoView三維平臺(tái)的任意剖面圖生成技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 中國地質(zhì)大學(xué)， 2008.

[3] 王國光， 李成翔. GeoStation地質(zhì)三維系統(tǒng)圖件自動(dòng)編繪方法研究[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2015（7）.

[4] Bentley Systems Incorporated. ECFramework Programmer's Guide[CP/OL]. http：//communities.bentley.com/， 2008.