基于CATIA三維地質(zhì)模型二維出圖的研究及應(yīng)用

韓 旭，徐 俊，馬丹璇，蘇小寧，何永剛，周小娟

(1.長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢)，湖北武漢 430010;2.三峽國(guó)際能源投資集團(tuán)有限公司，北京 100033;3.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北武漢 430034)

在國(guó)內(nèi)水利水電行業(yè)，基于CATIA平臺(tái)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展了多年，有多家勘察設(shè)計(jì)單位及院校采用該軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)以及地質(zhì)建模工作［1－4］，相關(guān)技術(shù)正日趨成熟。目前，由于三維地質(zhì)建模技術(shù)仍然處于推廣階段，缺乏相應(yīng)的行業(yè)三維制圖標(biāo)準(zhǔn)，因此，工程技術(shù)人員還需要依據(jù)傳統(tǒng)的二維制圖進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，為繪制地質(zhì)平剖面圖付出大量的時(shí)間和精力。

本文研究由三維地質(zhì)模型快速輸出標(biāo)準(zhǔn)化的二維地質(zhì)剖面圖的一種方法，基于數(shù)據(jù)庫以及CATIA軟件二次開發(fā)地質(zhì)模型剖切軟件，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)該方法及軟件的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基于CATIA的地質(zhì)剖面出圖方法與不足

在建立三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，基于CATIA軟件可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)剖面出圖，具體有兩種方法:

1.1 基于工程制圖模塊的出圖方法

基于工程制圖模塊輸出剖面或平切圖，在地質(zhì)模型范圍內(nèi)繪制剖面線，并拉伸成曲面(剖面沿豎直方向拉伸，平切圖沿水平方向拉伸)，確保拉伸曲面穿過地質(zhì)模型(圖1);提取拉伸曲面與地質(zhì)模型的交線，交線主要是與曲面相交的各地質(zhì)體的邊界線，亦可稱為剖面地質(zhì)界線以及地形線;然后生成剖面圖(圖2)并輸出，剖面圖可以輸出為 DWG、DXF、PDF等多種格式文件。

在與工程建筑物相關(guān)的地質(zhì)剖面圖中，往往會(huì)涉及到弧形剖面，如拱壩、導(dǎo)流洞等。由地質(zhì)模型輸出弧形地質(zhì)剖面的方法與直線剖面基本相同，不同之處在于需將交線按指定的平面進(jìn)行展開(圖3)，然后再輸出剖面。

圖1 剖面繪制Fig.1 Section drawing

圖2 剖面圖生成Fig.2 Generating section map

圖3 弧形剖面展開Fig.3 Expanded section

在工程制圖模塊下可以為剖面圖繪制圖框、圖塊、圖簽以及標(biāo)注等，但執(zhí)行的是航空制造業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也不能反映地質(zhì)鉆孔的相關(guān)內(nèi)容，不符合水電勘測(cè)行業(yè)工程制圖的規(guī)定。

1.2 基于裝配設(shè)計(jì)模塊的出圖方法

在地質(zhì)模型范圍內(nèi)繪制剖面線并拉伸成曲面，通過空間分析中的切割命令，將剖面定位到拉伸曲面(圖4)，設(shè)置剖面的寬度、坐標(biāo)等參數(shù)后，輸出地質(zhì)剖面，剖面圖可以保存為DWG、DXF等多種格式文件。

圖4 剖面定位Fig.4 Locating section

裝配設(shè)計(jì)模塊下出圖交互性更強(qiáng)、操作更簡(jiǎn)單。若是地質(zhì)實(shí)體模型，剖面上地層可以用顏色進(jìn)行區(qū)分(圖5)，還可以動(dòng)態(tài)查看剖面的輸出效果，并顯示剖面的坐標(biāo)及高程。雖然過程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是較標(biāo)準(zhǔn)格式的地質(zhì)剖面圖，仍缺少圖框、圖例、圖簽以及鉆孔等信息。

無論采用上述的哪一種出圖方法，輸出的地質(zhì)剖面均不能滿足地質(zhì)的需求，都需要對(duì)圖件格式及內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充、完善，后續(xù)工作量較大。

因此，通過二次開發(fā)，由計(jì)算機(jī)來完成地質(zhì)剖面的后續(xù)完善工作，為剖面自動(dòng)添加圖框、圖例、圖簽等內(nèi)容，結(jié)合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫為地質(zhì)剖面添加鉆孔數(shù)據(jù)信息，可大大提高出圖的效率，為CATIA地質(zhì)模型出圖的一條有效途徑。

圖5 帶顏色的剖面Fig.5 Colored section

2 二次開發(fā)基本流程及原理

基于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)水利水電工程標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)剖面的快速、自動(dòng)化成圖。開發(fā)的基本流程見圖6。

圖6 二次開發(fā)基本流程Fig.6 The basic process of secondary development

(1)在地質(zhì)模型范圍內(nèi)繪制剖面線，通過二次開發(fā)，選取模型地質(zhì)剖面線，自動(dòng)讀取兩點(diǎn)坐標(biāo)，并計(jì)算出剖面兩端的水平距離以及剖面線中點(diǎn)坐標(biāo)。

(2)在地質(zhì)模型上根據(jù)剖面線自動(dòng)拉伸曲面，作為剖面切割的臨時(shí)輔助面。通過CATIA切割命令，對(duì)剖面進(jìn)行定位、參數(shù)設(shè)置及輸出。

(3)通過二次開發(fā)，獲取二維剖面上所有線段的端點(diǎn)坐標(biāo)，將橫坐標(biāo)進(jìn)行排序，程序根據(jù)最大和最小值，自動(dòng)計(jì)算CAD剖面圖中兩端的水平距離，并與CATIA中實(shí)際兩點(diǎn)水平距離相比，得到出圖的比例，自動(dòng)繪圖的過程中按照比例繪制剖面圖。

(4)CATIA直接剖切出的原始剖面圖沒有坐標(biāo)軸，無法顯示該剖面的空間位置，可以通過二次開發(fā)，獲取剖面X軸的坐標(biāo)范圍、Y軸的最高和最低點(diǎn)高程，設(shè)定X軸的長(zhǎng)度以及Y軸的起止點(diǎn)高程，然后按指定的間距對(duì)X、Y坐標(biāo)軸進(jìn)行繪制、標(biāo)注。

(5)通過編程自動(dòng)識(shí)別剖面指定范圍內(nèi)的鉆孔信息，從地質(zhì)數(shù)據(jù)庫中提取鉆孔數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算與剖面的相對(duì)位置，將鉆孔數(shù)據(jù)添加到地質(zhì)剖面上，并在標(biāo)注欄繪制鉆孔的基本信息。

3 應(yīng)用實(shí)例

基于上述流程和原理，開發(fā)了地質(zhì)模型的剖切軟件，在巴基斯坦某水電站工程中對(duì)模型剖切進(jìn)行應(yīng)用。該水電站地層主要為沉積碎屑巖，巖層產(chǎn)狀平緩且較穩(wěn)定，巖層傾角7°～10°。

在地質(zhì)模型范圍內(nèi)，創(chuàng)建A、B兩點(diǎn)作為剖面的兩個(gè)端。這兩點(diǎn)可以是模型表面的任意兩點(diǎn)，也可以是給定剖面的兩端。通過模型剖切軟件，自動(dòng)提取兩點(diǎn)的坐標(biāo)，并計(jì)算出剖面的中點(diǎn)坐標(biāo)和剖面寬度。根據(jù)A、B兩點(diǎn)自動(dòng)連接的剖面線繪制剖切輔助面。創(chuàng)建輔助面的目的是為剖面定位及出圖指定參考平面。

通過剖切軟件以及CATIA軟件，定位剖切的位置，設(shè)定剖面的寬度、高度以及鉆孔投影的距離等參數(shù)(圖7)，然后進(jìn)行自動(dòng)化成圖。出圖的效果如圖8所示。

圖7 剖切輔助面及參數(shù)設(shè)定Fig.7 Cutting auxiliary plane and set parameters

圖8 地質(zhì)剖面圖Fig.8 Geological section map

4 應(yīng)用效果分析

模型剖切軟件通過在工程項(xiàng)目中的實(shí)踐及應(yīng)用，效果理想，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)該軟件能夠由CATIA三維地質(zhì)模型快速、自動(dòng)生成地質(zhì)剖面，極大地提高了地質(zhì)剖面的出圖效率及工程設(shè)計(jì)效率。

(2)實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)剖面的標(biāo)準(zhǔn)化。依據(jù)水電行業(yè)制圖標(biāo)準(zhǔn)，通過針對(duì)性的開發(fā)，為剖面添加圖框、圖例、圖簽、鉆孔以及鉆孔標(biāo)注欄等信息，大大提高了剖面的質(zhì)量，使地質(zhì)剖面更加符合行業(yè)習(xí)慣。

(3)水利水電工程設(shè)計(jì)涉及專業(yè)眾多，各專業(yè)根據(jù)其專業(yè)特點(diǎn)及三維設(shè)計(jì)難點(diǎn)，基于CATIA平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)各專業(yè)基于該統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)及出圖，從而實(shí)現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

本文在研究基于CATIA三維地質(zhì)模型輸出二維地質(zhì)剖面基礎(chǔ)上，分析其存在的不足，然后基于CATIA軟件以及地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，研究出由三維模型快速生成標(biāo)準(zhǔn)二維地質(zhì)剖面的一種方法，二次開發(fā)剖切軟件，并將該軟件在實(shí)際工程中進(jìn)行實(shí)踐及應(yīng)用。應(yīng)用的效果表明，該軟件基于數(shù)據(jù)庫和CATIA三維設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，顯著提高了地質(zhì)剖面出圖的質(zhì)量及效率，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)模型與地質(zhì)信息的有效應(yīng)用及共享。

［1］ 余軍，胡皴，田永生，等.復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維建模技術(shù)應(yīng)用與研究［J］.人民黃河，2011(8):141 －142.

［2］ 黃志澎，薛利軍.基于CATIA程序的溪洛渡壩基鉆孔封堵三維設(shè)計(jì)［J］.水電站設(shè)計(jì)，2010(3):33－35.

［3］ 彭成佳，李希龍.拱壩三維設(shè)計(jì)及其與有限元技術(shù)結(jié)合初探［J］.貴州水力發(fā)電，2010(4):23－27.

［4］ 姚高峰，郭元世，黃小華.地質(zhì)三維模型快速生成標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)剖面圖方法初探［J］.廣西水利水電，2012(25):17－20.