山东省高速公路工程地质信息管理系统的设计与实现*

2014-10-16马安青焦俊超

中国海洋大学学报（自然科学版） 2014年3期

张震，马安青，焦俊超

（中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100）

随着我国国民经济的发展，高速公路的建设步伐和规模都迅速展开，高速公路建设中的工程地质信息在深度和广度上都已经达到了相当大的规模，积累了大量的成果资料［1］。有效管理和利用这些成果资料对于减少重复工作进而降低工程建设早期的勘察成本、实现节约型建设具有重要意义。工程地质信息涉及到的数据量大，数据结构复杂，既有空间数据，又有属性数据［2］，传统信息管理系统已无法实现在空间地理信息基础上的管理和分析功能。近年来快速发展起来的地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）可以对地理空间数据和属性数据进行有效管理，并具有强大的空间分析能力，目前已广泛应用于工程地质领域［3－5］。

ArcGIS是ESRI（美国环境系统研究所）推出的一套完整的GIS软件产品，具有海量空间数据存储、编辑、分析等功能。通过它提供的ArcGIS Engine组件库可创建完全脱离ArcGIS Desktop而运行的GIS应用程序，并且具有良好的系统集成性［6］。根据GIS的这些特点，本研究以ArcGIS Engine为开发平台，以山东省为例，在对山东省工程地质资料整理、归类的基础上开发了山东省高速公路工程地质信息管理系统。系统不仅实现了对高速公路工程地质资料的查询和管理，还实现了工程勘察信息中的钻孔柱状图和剖面图的自动生成，并根据山东省不同功能地质分区和地形数据实现了公路沿线地基承载力和土石方开挖量的自动计算分析以及电子沙盘飞行观测功能，从而为高速公路地质信息管理、工程规划决策提供可靠依据。

1 系统总体设计

1.1 系统建设目标

系统以3S（即：遥感技术“Remote Sensing RS”、GIS、全球定位系统“Global Positioning System GPS”）技术为核心，采用所采集的钻孔数据、行政区划数据、岩性数据、地质构造数据、水文地质数据、高速公路数据、地质分区图等数据作为基础，通过GIS系统对已有高速公路沿线的工程地质资料进行查询、管理，并可输入新资料以丰富现有资料。同时在选线设计阶段，可以实现对拟建高速公路沿线地区地质构造、地层、地貌、地表水、第四系地层以及不良地质现象资料的查询、分析以及沿线地形的三维浏览，并自动根据设计线路所经过的工程分区和地形分布确定地基承载力以及土石方开挖量，同时又能根据钻孔数据库信息自动绘制柱状图和剖面图，为高速公路的设计提供基础资料和可靠依据。

1.2 系统开发环境

系统采用原型法和面向对象的分析与设计方法，充分考虑系统的完整性、灵活性、可扩展性和安全性，基于 Visual Studio.net平台上的 Visual Basic.NET语言和 ArcGIS Engine9.3进行开发。Visual Basic.NET是一种功能强大的可视化软件开发环境，它具有强大的数据库访问功能，利用ADO.NET数据访问模型可以快速访问数据库。

考虑到时间要求、安全要求和开发成本等因素，系统选择Access作为后台数据库。Access是Microsoft公司研发的数据库产品，能满足小型客户／服务器解决方案的要求，组建客户／服务器的应用系统，几乎包含了数据库领域的所有技术和内容，而且它能与Visual Basic.NET实现完美结合。

1.3 系统总体结构

系统总体结构分为三层：数据层、逻辑层和应用层。数据层存储了大量的空间数据和非空间数据，是系统的基础部分；逻辑层主要实现业务逻辑和与数据库的交互，是系统架构中体现核心价值的部分；应用层是系统的表现部分，实现直接与客户交互。本系统提供文件管理、地图工具、数据管理、查询统计、钻孔柱状图和剖面图生成、土石方量计算、地基承载力确定、电子沙盘、图形编辑输出、系统管理及维护、系统使用帮助等模块。3层系统结构具有较强的灵活性、可维护性、可扩展性等重要特点，满足综合的发展趋势，符合本系统的要求。

2 数据库设计

2.1 空间数据库的建立

空间数据包括矢量数据和栅格数据。矢量数据主要包括山东省行政区划图、山东省地质构造图、山东省水文地质图、山东省岩性分布图、山东省高速公路图、山东省地质灾害图、山东省第四系地层图、钻孔空间分布图。这些数据在ArcGIS 9.3软件的ArcMap中进行图层处理与矢量化、图形数据编辑、拓扑关系检查、坐标投影转换、数据格式转换等工作，最后以ShapeFile格式存储，以便于数据管理与查询处理等工作。栅格数据包括山东省DEM图、山东省遥感影像等，通过ArcMap的合成、配准和裁剪等处理后存储。

2.2 属性数据库的建立

属性数据以两种形式储存：一是通过ArcGIS软件内置的图层属性表存储，以＊.dbf格式存在，该存储方式主要存储空间数据的要素信息以及相关对象的描述；二是通过外接的Access数据库存储，此种存储方式存储了大量的钻孔数据、土工试验数据、标准贯入数据等大量的工程地质勘查资料，是属性数据的主要存储方式。以Access数据库存储的数据通过ADO.NET技术在DataGridView中显示，并提供将常用数据文件（如Excel表格、文本文件）导入到Access数据库的接口，方便了数据的统一管理。

2.3 空间数据和属性数据的关联

空间数据和属性数据的关联是通过统一的标识码连接的。在本系统中，Access数据库中的数据表都是有关钻孔的数据信息，在建立连接时只需把Access数据库与钻孔空间分布点状图层关联起来，选用钻孔号作为二者共同的标识码。在钻孔空间分布点状图层的内置属性表中添加钻孔号为属性字段，然后通过该属性字段与外部Access数据库中对应的数据表建立连接。利用这种连接方式，不但有助于解决大量属性数据的存储问题，而且有利于提高属性数据查询的速度。

3 应用功能开发

3.1 钻孔柱状图和剖面图的自动生成

钻孔柱状图和剖面图的绘制是系统通过读取系统属性数据库中的钻孔数据信息自动绘制而成的。钻孔柱状图包括层号、层底标高、层底深度、分层厚度、柱状图、岩性描述、标贯深度、标贯击数等内容，钻孔柱状图的绘制就是把这些内容全部绘制出来。通过分析钻孔柱状图的构成，把钻孔柱状图分解为文本、线、矩形等要素，通过这些要素的组合显示在地图布局控件（PageLayoutControl）上。具体步骤是：首先利用线要素绘制出柱状图的表格部分，通过读取钻孔数据库中分层信息，确定层数，再根据分层厚度确定每一层在图中的高度自动绘制出来一张表格，然后只要把柱状图符号和文字进行填充进去即可。其中柱状图符号使用ArcMap中的Style Manager模块绘制并命名保存为geology符号库里。系统通过数据库获得当前层的岩性名称后自动调用geology符号库里对应的符号填充当前层所在的单元格，同时把文字也自动填充进去。文字的大小则通过单元格的大小控制，最终钻孔柱状图的效果如图2所示。

剖面图与柱状图类似，也是通过线、文本、多边形等要素的组合最后显示在地图布局控件（PageLayout－Control）上。剖面图绘制的关键就是如何进行剖面图线的连接。具体方法是：系统通过读取钻孔点的空间和属性信息，确定钻孔柱所在的位置以及长度，各土层的位置也由系统数据库中的标高数据确定，然后要做的就是剖面线的自动连接，其流程（见图3）如下：

图2 钻孔柱状图Fig.2 The bore histogram

图3 钻孔剖面线自动连线流程图Fig.3 The profile line to be automatic connection flow chart

图4 工程地质剖面图Fig.4 The engineering geologic profile

从第一个钻孔开始循环，每一次循环都需要2个钻孔，剖面线实际上就是两两钻孔进行连线。（1）2个钻孔首先顶端相连。（2）2个钻孔分别从第一土层开始进行岩性判断，如果岩性相同，2个钻孔的对应土层底端相连，下一循环两钻孔分别进行到下一土层；如果岩性不相同，上1个钻孔的对应土层的底端与下一钻孔对应土层的顶端连线，下一循环上一钻孔进行到下一土层，下一钻孔仍是该土层。（3）上述循环到上1个钻孔的最后1个土层结束，如果此时下一钻孔还有土层底端未参与连线，这些层的底端均与第一钻孔底端连接。（4）连线完成后根据连线确定的四边形填充对应的岩性符号，最后效果如图4所示。

3.2 土石方量的计算

土石方量的计算对工程费用概算，方案选优以及施工进度的控制都能提供可靠依据。土石方量的计算就是确定同一地块在填或挖前后的工程土方量。传统土石方量的计算是采用格网法，而格网本身是由地面离散点通过插值得到的，所以精度无法保证［7］。随着遥感技术的发展和应用，可以直接利用数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）遥感影像数据进行土石方量的计算［8］。本研究利用山东省DEM遥感数据通过ArcGIS强大的空间分析能力进行土石方量的计算，具体流程见图5。首先根据带地理坐标和设计高程的纵断面数据生成带高程属性的线状shapeFile文件；然后输入路宽，以路宽的一半为缓冲半径生成缓冲面状shapeFile，用此面状shapeFile去裁剪山东省DEM图得到原始栅格数据（beforeGeoDataset），并将面状shape－File栅格化为新建栅格数据（afterGeoDataset），最后通过ArcEngine提供的IsurfaceOp接口中的CutFill（before－GeoDataset，afterGeoDataset，zFactor）方法生成填挖方栅格图，再通过其属性表利用IstatisticsResults计算统计结果挖方量和填方量。

图5 土石方量计算流程图Fig.5 The calculation of earth volume flow chart

系统分别对省道208烟海线北段数据和省道209段数据进行计算，得出的结果与后期初步设计实际测量结果进行对比，其对比数据如表1所示。

从表1对比数据可以看出利用系统得出的结果与后期初步设计的计算结果是相近的，误差满足不大于10%的要求。

3.3 地基承载力的确定

系统根据单红仙、陈勇等［9］所确定的山东省各研究亚区利用静力触探试验、标准贯入试验和室内土工试验确定土体承载力的经验公式，利用VB.net开发了地基承载力计算模型，用户点击查看未知点的地基承载力只需要输入计算方法和其需要的计算参数（见表2），系统通过山东省地质背景图判断其所在的研究亚区和岩性，然后直接代入经验公式进行计算。例如使用标准贯入试验的方法计算某钻孔的地基承载力，用户只需要用鼠标在屏幕上点击该点，然后在弹出的对话框中输入表2对应的参数，系统会自动根据钻孔所在研究亚区选取相应的经验公式进行计算。

表1 数据对比分析Table 1 The data comparative analysis

表2 地基承载力计算参数Table 2 The calculation parameters of the bearing capacity of foundation soil

3.4 电子沙盘

电子沙盘是以传统沙盘堆制理论为依据，以地理信息数据作为形成地形的基础，结合现代计算机图形图像技术，自动生成的形象逼真的地形立体透视图。电子沙盘克服了传统沙盘构制速度慢，占地面积大，携带不方便，表现内容单调且更新成本高等特点，己经在城市建设、土地规划、防汛指挥、工程施工、通信网络、城市仿真等等领域得到了广泛的应用［10］。将数字高程模型和遥感影像图导入到三维可视化平台，完成两种数据的叠加显示，便可真实再现三维地形特征与地理要素。本系统采用ArcSence为三维可视化平台，将山东省DEM图与山东省遥感影像图按着一定的原则经行叠加构成山东省三维地形图，然后在Visual Studio.net平台上利用ArcEngine组件开发电子沙盘子系统（见图6）。系统具有三维浏览、属性查询、按指定路径飞行虚拟模拟、动画输出等功能，为观察者提供可供反复使用的真实、客观、信息连续的宏观分析地形、坡度、坡向、河流、水库、城镇及其它公路建设敏感环境要素分布情况。

4 结语

山东省高速公路工程地质信息查询系统是基于Visual Studio.net开发平台，结合 ArcGIS Engine组件进行开发的，它充分利用了GIS强大的数据管理和空间分析能力，对高速公路工程地质信息资源进行系统管理和综合利用。系统建立了空间数据库和属性数据库，实现了图形与数据的结合，并根据需要进行图形与相关属性信息的编辑、更新与联动查询，为山东省高速公路的工程地质信息管理和应用奠定了基础；系统利用系统数据库中的钻孔信息自动生成钻孔柱状图和剖面图，减少了工程地质人员的工作量，提高了工作效率；系统利用GIS强大的空间分析技术实现了拟建公路沿线地质信息的收集和土石方量的自动计算，为工程施工方案的确定提供科学依据；系统通过收集大量资料和试验的总结，建立了地基承载力计算模型，用户只需按着提示输入一定的参数即可进行未知点的地基承载力计算，为高速公路的设计提供一定的指导作用；系统还提供电子沙盘虚拟观测功能，实现了拟建公路沿线地理景观三维飞行虚拟模拟，为观测者提供高速公路沿线地物的宏观分析。