礦山巷道地質編錄輔助成圖系統設計與實現

張軍錄

摘要：以AutoCAD為開發、運行環境，以SQL SERVER為數據平臺，以河北某礦山為應用范例，設計并實現了礦山巷道（主要是平巷，一下同）地質編錄輔助成圖系統。系統將礦山巷道和地質編錄信息以數字化的形式儲存于數據庫，實現了地質信息的統一管理；可自動、快速、按比例繪制巷道展示圖，同時實現地質數據報表，極大提高了內業工作效率。系統運行環境和功能設計緊密結合施工單位實際需要，大幅降低應用技術門檻和軟件環境費用標準。

關鍵詞：地質編錄 輔助成圖 VBA AutoCAD

1 概述

圍巖地質編錄是礦山巷道工程施工過程中一項基本工作，通過地質編錄揭露各種地質現象和規律，可為地下硐室圍巖穩定性評價提供直接依據，并為支護結構參數選擇提供參考。傳統地質編錄靠人工在開挖工作面現場勘測，勾畫地質構造線，量測其傾向、傾角、注明其巖性、填充物等屬性特征，然后經內業整理，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，內業工作繁重；且手工繪制紙質地質信息不易保存、共享和傳播，滯后于信息技術在工程實際中的應用水平。針對這一問題，嚴建國等綜合應用近景攝影測量的理論、數碼影像技術、圖形圖像處理和GIS等技術，研制開發了一套基于ArcView的地下洞室圍巖施工地質編錄成圖系統，該技術通過采集洞壁影像和圖像處理技術，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解譯，從而得到地質素描的線劃圖[1]。梁師俊開發了基于GIS的工程地質勘察一體化系統，實現了工程地質建模、工程地質數字化、工程地質數據庫管理、工程地質特性分析、地質解釋、空間分析和預測、地學統計和圖形可視化[2]。然而，工程實踐表明，上述先進的技術和方法并未在礦山巷道工程施工過程得到廣泛應用，傳統手工繪制的地質編錄方法仍是地質信息獲取、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編錄成圖系統由于其技術門檻和費用標準偏高，妨礙了其在工程施工單位的推廣；基于GIS的工程地質勘察一體化系統則主要服務于勘察設計領域，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編錄手工、半手工制圖工作效率偏低，地質信息保存、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、運行環境，以SQL SERVER為數據平臺，以河北某礦山平硐施工為應用范例，設計并實現了礦山巷道地質編錄輔助成圖系統。該系統將礦山巷道和地質編錄信息以數字化的形式儲存于數據庫，實現了地質信息的統一管理；可根據樁號參數自動、快速、按比例繪制隧道三壁展示圖，并能實現地質信息報表，極大提高了內業工作效率；系統運行環境和功能設計緊密結合施工單位對巷道地質編錄工作的實際需要，滿足功能需求的同時大幅降低應用技術門檻和軟件環境費用標準。

2 系統功能設計

綜合分析礦山巷道施工單位對地質編錄工作的實際需求，本系統設計了項目范圍管理、線路平面信息管理、地質編錄數據管理、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，實現從基本建設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項目巷道工程地質信息統一管理的需求，可以解決巷道圍巖地質數據由于分散管理而造成的地質信息共享困難及數據流失等問題。操作界面如圖1所示。巷道平面數據管理主要針對巷道中線曲線要素等數據的管理，用于解決圍巖地質特征空間定位問題。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號為標示，需根據巷道平面數據和開掘進程標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系，地質結構面產狀數據必須進行坐標變換才能正確繪制，坐標變換的依據需從巷道平面信息獲取。因此巷道平面數據管理是必要的，其數據操作界面如圖2所示。地質編錄數據管理用于將設計圍巖地質信息和實際圍巖信息數字持久化。通過圖形化界面，以斷面圍巖地質數據為信息單元，將手工地質編錄信息錄入數據庫。這些信息涵蓋掌子面狀態、毛洞開挖狀態、巖石強度、風化程度、裂隙狀態、涌水狀態、圍巖級別、地層巖性特征、工程地質特征、設計工程地質特征、設計水文地質特征等。圖3為地質編錄數據管理界面。繪圖功能實現巷道展示圖以及數據報表的自動實現。按每60m長度創建一個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；該功能同時實現地質特征數據報表。繪制長短按實際要求可任意輸入，程序根據地質編錄數據判斷圍巖地質變化，自動分區段繪制。圖4為繪制參數選擇界面，圖5為展示圖截圖。成果打印功能實現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格的不統一，影響文檔質量。成果打印功能克服了上述缺點，同時根據打印機的特性，用戶可以選擇打印順序，以便裝訂成冊。圖6為打印參數選擇界面。3 系統結構設計

在分析系統功能及用戶需求的基礎上，本系統采取以AutoCAD ActiveX為二次開發接口，AutoCAD VBA IDE為開發環境的開發方案。考慮VBA應用程序的特點，系統設計了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（編錄數據管理）、PMForm（平面數據管理）、BLDrawForm（編錄出圖）、PATForm（巖性表管理）、PrintForm（打印）。CommAss主要包括系統通用輔助過程，如工作環境設置、數據庫環境初始化、SQL查詢等。CommCommand主要實現系統通用宏命令過程，如系統菜單創建與初始化命令、打印配置命令等；DZCommand為系統主要模塊，包含系統全部地質相關宏命令過程，涉及項目范圍管理、編錄數據管理、編錄繪圖、巷道/線路平面數據管理等命令；DZSub為DZCommand后臺輔助模塊，DZCommand內的各種宏命令的實現算法均由本模塊完成。各窗體執行人機交互功能，實現系統各種數據維護和參數設定。各模塊及窗體關系（系統結構）如圖7所示，從中可以看出各模塊和窗體之間的依賴關系。4 邏輯數據體系結構設計

確定邏輯數據體系結構目的在于解決持久儲存和消息傳遞（如XML 消息）等問題。邏輯數據體系結構描述了實體的結構形式、數據關系、以及在軟件中的約束，考慮篇幅關系，本文僅提供了主要數據模型的實體-關系（ER）圖，用于闡述持久儲存數據結構，如圖8所示。圖8-a展示了系統主要數據表之間的關系，其中表Project、Engineering儲存項目范圍管理數據；表GW存儲設計圍巖特征數據；表DM存儲一般巖性特征數據，表DT儲存斷層數據，表JT儲存節理數據，表YT儲存巖層數據，此四表負責實際地質編錄數據儲存；表ZX負責管理平面設計數據；YXB負責管理巖性表數據。圖8-b較詳細的描述了表DM、DT、JT、YT的結構，表DM字段包含掌子面狀態、毛洞開挖狀態、巖石強度、風化程度、裂隙狀態、涌水狀態、圍巖級別、地層巖性特征、工程地質特征等數據，表DT、JT、YT分別包含斷層、節理、地層等結構面產狀數據。表DT、JT、YT通過外鍵DM_ID與表DM建立關聯。

5 地質結構面與坐標平面交線算法

地質結構面與坐標平面內交線方程是其在展示圖中繪制的算法基礎。地質專業通常以傾向傾角來表示地質結構面的產狀，按一般巷道長度考慮，可假定巷道范圍內均為平面，如圖9所示，由x，y，z軸構建一笛卡爾空間局部坐標系，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表示某一圍巖結構面。結構面與三坐標平面交線為AB、BC、CA。OP垂直于AB，則∠OPC和∠QOP分別表示結構面在局部坐標系下的傾角和傾向，以α∠β表示。

假設平面ABC在三坐標軸的截距分別是a，b，c，則其方程可表示為：

++=1（1）

根據幾何關系有：

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在三坐標平面的方程如下：

x+y=cx+z=cy+z=c（5）

對于單一重要結構面繪制，a、b、c需知其一，由（2）式可推算出c值，對于同一產狀結構面簇圖例填充問題，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 系統應用

本系統采用VBA實現，運行于施工單位普遍使用的AutoCAD環境，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展示了系統運行于AutoCAD2008的菜單界面。系統在河北某礦山巷道地質編錄工作中廣泛應用，極大提高了內業工作效率，有效降低了時間成本。另外，本系統假定巷道范圍內結構面為平面，僅符合一般地質情況，對于小角度相交大型非平面結構面尚難于表達，另需手工修改成果圖形才能與工程實際相符。

參考文獻：

[1]嚴建國，高改萍.地下洞室圍巖地質編錄成圖技術應用研究[J].水利技術監督，2007，15（3）.

[2]梁師俊.基于GIS的工程地質勘察一體化系統[J].巖土工程界，2007，11.

[3]彭振德，張友靜，錢海鋒.基于AutoCAD VBA 的MapInfo 圖形轉換及其在地質編錄出圖中的應用[J].現代測繪，2003，5.

[4]李志，張磊，梅國雄.地質勘察信息系統中三維模型控件的設計與實現[J].南京工業大學學報（自然科學版），2011，3.）·b（2）