工程地質(zhì)圖中圖切剖面自動繪制方法的研究

雷志娟

(中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北武漢 430080)

1 選題的背景、目的及意義

工程地質(zhì)剖面圖所反映的是地質(zhì)工程中給定方向的斷面內(nèi)的地質(zhì)情況，是研究地質(zhì)體空間變化性的重要基礎(chǔ)圖件，是地質(zhì)層在垂直向上最直觀最有效的表達(dá)方式。它主要用于配合地形地質(zhì)圖了解地質(zhì)全貌，是工程總體設(shè)計依據(jù)之一。通過剖面圖可以更清楚地了解區(qū)內(nèi)地質(zhì)體在地下深處的延展、分布情況和構(gòu)造特點(diǎn)，對于認(rèn)識各種地質(zhì)體賦存的地質(zhì)條件和時空分布規(guī)律，指導(dǎo)資源和工程地質(zhì)勘探，都具有重要的意義。

2 平面工程地質(zhì)圖中剖面線的走向確定

2.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)的二維平面坐標(biāo)系中，往往是從正東的X軸為標(biāo)準(zhǔn)方向開始計算角度的，在工程地質(zhì)圖中，鉆孔坐標(biāo)系往往選擇是從正北開始計算角度，所以在做計算機(jī)自動生成圖切剖面時，往往需要進(jìn)行一個坐標(biāo)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換從而得到正確的剖面線走向。

先設(shè)定鉆孔坐標(biāo)系為(X，Y)，(X′，Y′)為中心在二維平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，按下式轉(zhuǎn)換成鉆孔坐標(biāo)系的坐標(biāo):

其中，X0，Y0均為基礎(chǔ)坐標(biāo)系原點(diǎn)O在鉆孔坐標(biāo)系中的坐標(biāo);α為基礎(chǔ)坐標(biāo)系與鉆孔坐標(biāo)系的夾角。

2.2 鉆孔間距計算公式

其中，D 為鉆孔間距;ΔX=X2－ X1，ΔY=Y2－ Y1，(X1，Y1)為 1號鉆孔坐標(biāo)，(X2，Y2)為2號鉆孔坐標(biāo)。

2.3 剖面線走向計算公式

根據(jù)鉆孔相對位置的不同大致歸納為6種情況，與這6種情況相對應(yīng)建立6個剖面線方向計算公式:

當(dāng) ΔX≤0，ΔY ＞0 時，α =atg|ΔX/ΔY|+90°;

當(dāng) ΔX ＞0，ΔY＞0時，α=90°－atg|ΔX/ΔY|;

當(dāng) ΔX≤0，ΔY＜0時，α=270°－atg|ΔX/ΔY|;

當(dāng) ΔX ＞0，ΔY＜0時，α=270°+atg|ΔX/ΔY|;

當(dāng) ΔX ＞0，ΔY=0時，α=0°;

當(dāng) ΔX ＜0，ΔY=0時，α=180°;

其中，α為剖面線方向;ΔX，ΔY含義同式(1)。

3 剖面線所經(jīng)巖層的鉆孔點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取

由于在平面的二維工程地質(zhì)圖上做圖切剖面自動繪制時，一般是取平面二維圖上典型的剖面線，并沒有給出相對應(yīng)的鉆孔的詳細(xì)信息，這樣就不可能像鉆孔柱狀圖那樣，通過在地表上畫的一條剖面線，選取對應(yīng)的鉆孔連接起來(包括直線或折線)直接獲取鉆孔數(shù)據(jù)的相關(guān)分層信息，并繪制分層線，利用不同的符號或顏色對表示每一巖層的區(qū)域進(jìn)行填充，從而得出表示該剖面地質(zhì)構(gòu)造的二維圖形，所以，只能通過工程地質(zhì)圖上所給定的一些特殊點(diǎn)的產(chǎn)狀信息，計算出剖面線與地層線的交點(diǎn)，利用離散插值的方法，通過模擬計算來確定在剖面線上點(diǎn)的產(chǎn)狀。

本文是采用反距離加權(quán)插值法進(jìn)行模擬，首先對交點(diǎn)在剖面線上的鉆孔數(shù)據(jù)的產(chǎn)狀信息進(jìn)行獲取，如果交點(diǎn)不在剖面線上，則通過離散插值的方式尋找離該點(diǎn)最近的產(chǎn)狀信息作為該點(diǎn)的產(chǎn)狀信息獲取。

4 原始二維剖面結(jié)合空間屬性數(shù)據(jù)模擬實(shí)際剖面

1)根據(jù)要求進(jìn)行地形地質(zhì)圖與剖面圖之間的比例尺轉(zhuǎn)換，并設(shè)定高程采樣步長值，通過地質(zhì)圖中給定的等高線值，計算出剖面線與等高線交點(diǎn)的高程值，如圖1所示。

圖1 地形地質(zhì)圖

2)取所選剖面線兩端點(diǎn)的最大高程值和最小高程值作為范圍，從剖面線與等高線的交點(diǎn)往上作垂線與地面高程值相交，將得到的交點(diǎn)連接后進(jìn)行B樣條插值光滑后，如圖2所示即可得到剖面線所經(jīng)空間的地表地形圖。

3)根據(jù)要求設(shè)定剖面的深度，通過剖面線走向、真傾角與視傾角公式進(jìn)行計算，分別得出剖面線與地層線交點(diǎn)，并進(jìn)行投影(要注意的是有可能投影到地形線上，也有可能不投影到地形線上，要分兩種情況來考慮)，從而計算投影后詳細(xì)的產(chǎn)狀信息。

4)利用計算機(jī)程序計算地表線、地層線與通過設(shè)定的剖面深度得出的底線交點(diǎn)，進(jìn)行剪斷造區(qū)。

5)充填所屬穩(wěn)定性類型的顏色和所屬工程巖組類型的花紋。

圖2 原始剖面圖

6)在剖面圖上進(jìn)行標(biāo)注，制作相應(yīng)圖例并進(jìn)行圖面整飾。

以下為利用Microsoft Visual Studio 2008開發(fā)平臺，采用C#語言+Oracle數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行的圖切剖面的子系統(tǒng)的開發(fā)(見圖3)。

圖3 圖切剖面地質(zhì)圖

5 現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方法的比較以及目前存在的問題

5.1 現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方法及其比較

現(xiàn)有的剖面圖的繪制通常是以鉆孔柱狀圖為基礎(chǔ)的，因此繪制鉆孔柱狀圖是實(shí)現(xiàn)剖面繪制的前提，鉆孔柱狀圖生成后，提取相應(yīng)鉆孔的柱狀信息，主要是巖層信息以生成剖面。這種基于鉆孔柱狀圖的剖面圖繪制方法大致又可以分成兩種:

一種是鉆孔資料簡單投影法:在GIS環(huán)境下，參照鉆孔分布圖繪制地質(zhì)剖面圖的剖面線(可以是直線，也可以是折線)，然后選擇繪制剖面圖需要的鉆孔(也可以給出距離，由計算機(jī)自己選擇鉆孔)，系統(tǒng)將自動把鉆孔位置投影到剖面線上，并同時從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用鉆孔的分層信息以及巖性信息，最終繪制出剖面圖。第二種是鉆孔分層插值法。與簡單投影法的工作方法完全不同，該方法是首先將研究區(qū)域內(nèi)的鉆孔資料進(jìn)行分層，對于處于相同巖性層的鉆孔數(shù)據(jù)為一個分析單元，根據(jù)鉆孔的平面位置和巖層的埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值。這樣就可以形成每一個分層連續(xù)表達(dá)的巖層頂面埋深數(shù)據(jù)層，這些數(shù)據(jù)在GIS環(huán)境下用合理尺寸的網(wǎng)格數(shù)據(jù)表達(dá)(柵格結(jié)構(gòu))。在擁有這些柵格數(shù)據(jù)后，就可以在圖層上繪制任意剖面線，然后再通過GIS的圖層疊加功能繪制地質(zhì)剖面圖。但是如果直接通過平面的二維工程地質(zhì)圖，在沒有給出精確的鉆孔數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息的情況下，以上兩種方式都存在一定的困難，本文主要是針對這種情況進(jìn)行的解決方法。

5.2 存在的問題

以上計算機(jī)自動繪制剖面圖的方法都存在一定的問題，主要是在遇到復(fù)雜的地質(zhì)地形時，很多都不能自動解決，像復(fù)雜斷層、褶皺等，要考慮到的分類情況特別多，那自動化的程度往往要通過人工干預(yù)才能繪出理想的剖面圖，所以還需要在考慮通用的情況下對特殊的地質(zhì)條件進(jìn)行專門的定制，以便為工程項目的開展提供更好的參考。

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