基于矢量數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)航道地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)生成

孔得雨，潘錫山，李蘭滿

（江蘇省海涂研究中心，江蘇 南京 210036）

0 引言

內(nèi)河航道是內(nèi)河運(yùn)輸業(yè)賴以存在的基礎(chǔ)和國家交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，具有典型的地理特征，擁有豐富的地表空間信息。正確、有利、高效地管理如此諸多的地物要素以及分析各要素的特性、河流深淺、水體流向、地形地貌等是科學(xué)管理航道的根本。傳統(tǒng)航道地質(zhì)剖面圖的生成，需耗費(fèi)大量時(shí)間手工繪制圖件，且準(zhǔn)確度有限。然而根據(jù)已有鉆孔數(shù)據(jù)自動(dòng)生成相關(guān)圖件則能夠節(jié)省大量的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)比手工繪制更高的精度。

國內(nèi)外對地質(zhì)剖面圖的研究方面，Mallet［1］推出了輔助地質(zhì)目標(biāo)計(jì)算的地質(zhì)目標(biāo)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)劃（以下簡稱“GOCAD”），初步開展了三維SEG/EAEG建模工程（SEM）。Ross等［2］基于GOCAD構(gòu)建了區(qū)域水文地質(zhì)以及土地利用管理的三維地質(zhì)框架模型。孫明明等［3］基于MapGIS平臺(tái)自動(dòng)繪制了工程地質(zhì)剖面圖，然而在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)體的判斷與繪制方面研究較淺。楊一鵬等［4］基于知識(shí)建立了地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)生成器，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用專家知識(shí)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)生成。

前人的研究成果為地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)生成提供了一定的參考，但主要適用于一般松散層剖面的繪制，不太適合復(fù)雜地質(zhì)體剖面的自動(dòng)生成。本文結(jié)合航道管理可視化的需求，提出了一種基于點(diǎn)、線、面、鏈、鏈組的五級矢量數(shù)據(jù)模型和對應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對航道地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)生成進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，能夠很好地滿足航道地質(zhì)領(lǐng)域的特殊需求。

1 地質(zhì)剖面生成算法

地質(zhì)剖面生成算法總體可以歸結(jié)為兩種：橫向成圖、縱向成圖。

1.1 橫向成圖

由于地層本質(zhì)上都是橫向延展的條狀體，剖面橫向成圖指以橫向的地層延展為主，逐一檢測每個(gè)鉆孔從上到下的土層信息［5］。首先繪制第一、第二兩個(gè)鉆孔的最上土層，連接產(chǎn)生相應(yīng)的三角形、四邊形等，并以相應(yīng)的地層圖例填充；然后橫向延展，完成通過所有鉆孔的最上土層繪制；繪制完最頂層地層后同理依次向下繪制地層，最終完成剖面圖的繪制。具體如圖1所示，其中的數(shù)字代表了繪制地層的順序。

圖1 橫向繪制剖面圖算法的順序

1.2 縱向成圖

鑒于橫向成圖對復(fù)雜地質(zhì)的判斷比較復(fù)雜，縱向成圖主要以縱向的地層疊加為主。根據(jù)相鄰鉆孔之間深度相近的兩土層信息自頂向下逐層匹配，連接成三角形、四邊形等多邊形土層，并以相應(yīng)的地層圖例填充?？v向完成兩個(gè)鉆孔間剖面繪制后，再橫向逐一自頂向下完成兩兩間鉆孔的縱向地層繪制。橫向鉆孔匹配完成后，即構(gòu)建出一幅完整的地質(zhì)縱剖面圖。圖2為縱向繪制剖面圖的示意圖，其中數(shù)字代表了繪制地層的順序。

圖2 縱向繪制剖面圖算法的順序

2 矢量數(shù)據(jù)模型的建立

矢量數(shù)據(jù)模型是基于坐標(biāo)記錄的方法盡可能精確地表示點(diǎn)、線和多邊形等地理實(shí)體的模型，能夠準(zhǔn)確定義任意位置、長度和面積，包括基礎(chǔ)矢量圖元、矢量鏈和組幾個(gè)方面。

2.1 基礎(chǔ)矢量圖元

矢量點(diǎn)（VectorPoint）是矢量數(shù)據(jù)模型中最基本的圖元。矢量點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息主要包括該點(diǎn)的顯示數(shù)據(jù)和物理數(shù)據(jù)。物理數(shù)據(jù)是矢量點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)，是某個(gè)地層形態(tài)的某個(gè)層底坐標(biāo)。

矢量線段（VectorLine）是由兩個(gè)矢量點(diǎn)連接而成的線段。矢量線段在矢量數(shù)據(jù)鏈內(nèi)代表了某個(gè)地層的一條邊界線，在航道信息中則可表示航道中心線、航道邊坡線、孔間距離等。

矢量多邊形（VectorPolygon）是由3個(gè)及以上的矢量點(diǎn)首位循環(huán)鏈接而形成的多邊形。矢量多邊形代表了鉆孔之間某塊地層的矢量圖形信息［6］。

矢量數(shù)據(jù)模型的基本圖元包括點(diǎn)、線、多邊形的三級結(jié)構(gòu)。

2.2 矢量鏈和矢量鏈組

矢量鏈?zhǔn)侵赶噜弮摄@孔間自頂向下地層矢量多邊形在垂直方向上的有序組合，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。矢量鏈?zhǔn)窍到y(tǒng)中構(gòu)成航道橫、縱剖面、鉆孔柱狀圖等的矢量數(shù)據(jù)。

圖3 矢量鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

矢量鏈組（VectorLists）是指由多條矢量數(shù)據(jù)鏈橫向依次鏈接而成的組。

2.3 地質(zhì)剖面屏幕熱調(diào)整

縱向分層剖面的構(gòu)建比較復(fù)雜，目前的算法并不能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)分層的準(zhǔn)確表達(dá)。為了滿足工程應(yīng)用的需求，可對生成的剖面圖進(jìn)行局部的細(xì)微調(diào)整［7］。鑒于可視化的地質(zhì)剖面圖與剖面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在對應(yīng)的映射關(guān)系，可在圖形上選取基本的幾何元素如矢量點(diǎn)、矢量線段、矢量多邊形等，通過移動(dòng)鼠標(biāo)的拖曳對矢量圖形進(jìn)行局部微調(diào)整，并將圖形化的結(jié)果、修改后的矢量數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫中，完成局部熱操作的決策功能。屏幕熱調(diào)整內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 屏幕熱調(diào)整內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

上層數(shù)據(jù)映射邏輯主要完成屏幕熱區(qū)與系統(tǒng)中邏輯矢量線、矢量面等的對應(yīng)關(guān)系映射，選擇了一個(gè)屏幕多邊形時(shí)即是選擇了內(nèi)存中對應(yīng)的一個(gè)矢量多邊形邏輯結(jié)構(gòu)。在用戶選擇對選中屏幕多邊形進(jìn)行調(diào)整時(shí)，觸發(fā)數(shù)據(jù)邏輯映射下的矢量多邊形邏輯結(jié)構(gòu)的修改，即是直接對矢量邏輯結(jié)構(gòu)的修改，修改完成后，由底層數(shù)據(jù)映射邏輯完成對鉆孔知識(shí)庫的更新，實(shí)現(xiàn)屏幕地質(zhì)剖面的完全熱調(diào)整。

3 航道地質(zhì)剖面圖自動(dòng)生成的設(shè)計(jì)

基于鉆孔數(shù)據(jù)的地質(zhì)剖面建模子系統(tǒng)的模型為3層結(jié)構(gòu)，分別是表現(xiàn)層、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)服務(wù)層，如圖5所示。

圖5 剖面建模邏輯模型

數(shù)據(jù)層主要提供鉆孔數(shù)據(jù)和剖面成圖的數(shù)據(jù)，邏輯數(shù)據(jù)源直接提供基于點(diǎn)、線、面、鏈、鏈組的矢量邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為剖面的生成與調(diào)整提供直接的映射與支撐。

邏輯層主要是利用縱向分層剖面算法對剖面的生成、繪制、平面熱調(diào)整程序邏輯進(jìn)行封裝的程序邏輯實(shí)現(xiàn)，以插件dll的形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)的加載與調(diào)用。

表現(xiàn)層主要提供剖面成圖后的基本圖形展現(xiàn)，包括鉆孔柱狀圖表、航道地質(zhì)橫、縱剖面圖的直觀圖形展現(xiàn)，直觀的圖形熱調(diào)整及剖面的導(dǎo)入導(dǎo)出等功能。

4 航道地質(zhì)剖面圖自動(dòng)生成的實(shí)現(xiàn)

航道地質(zhì)剖面圖自動(dòng)生成系統(tǒng)采用Arc GIS Server開發(fā)，ASP.NET C#作為編程語言，Microsoft Visual Studio 2008作為開發(fā)環(huán)境，Oracle 11G標(biāo)準(zhǔn)版作為數(shù)據(jù)庫。

4.1 航道縱剖面圖自動(dòng)生成的實(shí)現(xiàn)

航道縱剖面圖的生成是根據(jù)本文提出的縱向分層剖面算法的思想得以實(shí)現(xiàn)的，利用點(diǎn)、線、面、鏈、鏈組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制。在選擇繪制之前，需要選擇鉆孔投影方式，不同的投影方式生成不同的航道縱剖面圖。直連表示直接將鉆孔連接，投影表示將鉆孔坐標(biāo)投影到航道中心線上再繪制。利用直連方式繪制出的航道縱剖面圖，如圖6所示。

圖6 航道縱剖面

航道橫剖面圖反映了垂直于航道中心線的橫切面地質(zhì)情況。在本系統(tǒng)中，是在選擇了一個(gè)已有航道縱剖面后，在GIS圖層上對航道中心線進(jìn)行任意方向上的交叉切割，得到某一切割的航道橫剖面，如圖7所示。

圖7 航道橫剖面

4.2 地質(zhì)剖面熱調(diào)整方案實(shí)現(xiàn)

剖面圖采取熱修改調(diào)整時(shí)，必須保證整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的正確性不會(huì)受到任一圖元的變化而遭到破壞。本文設(shè)計(jì)的基于點(diǎn)、線、面、鏈、鏈組的三級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能很好地滿足這一點(diǎn)，對剖面進(jìn)行熱調(diào)整的過程實(shí)際上是選取第i條鏈第j個(gè)多邊形第k條線段或左、右端點(diǎn)，或第i條鏈第j個(gè)多邊形第k個(gè)頂點(diǎn)。無論對點(diǎn)、線段或多邊形進(jìn)行調(diào)整都對應(yīng)鉆孔剖面的一個(gè)邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對屏幕剖面進(jìn)行熱調(diào)整的過程即是對對應(yīng)的剖面邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改的過程，具體如圖8所示。

圖8 剖面屏幕熱調(diào)整

5 結(jié)語

在分析了傳統(tǒng)的剖面成圖算法后，本研究設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)、線、面、鏈、鏈組的五級矢量數(shù)據(jù)模型，提出了地質(zhì)剖面的縱向分層剖面算法，給出了地質(zhì)剖面模塊的邏輯設(shè)計(jì)及剖面數(shù)據(jù)的存取設(shè)計(jì)，介紹了航道縱、橫剖面圖的自動(dòng)繪制和屏幕熱調(diào)整的具體實(shí)現(xiàn)過程，實(shí)現(xiàn)了航道縱、橫剖面的自動(dòng)生成與繪制，并給出了地質(zhì)剖面屏幕熱調(diào)整的機(jī)理和解決方案，為航道管理提供了高效的決策支撐。

下一步，筆者將二維地質(zhì)剖面圖的自動(dòng)繪制與熱調(diào)整研究上升到三維空間，研究在三維空間中，地質(zhì)剖面如何展現(xiàn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如何組織設(shè)計(jì)、地質(zhì)剖面成圖的算法、成圖方式和投影映射方法。