地质三维勘察设计系统的应用实践

文｜王国光 李成翔

将CAD技术和GIS技术有效集成，实现了同时具有地质数据库支持和充分利用已有地质三维建模成果特点的工程地质图件自动编绘的功能。解决了出图数据自动提取与绘制、自动标注、图件辅助要素自动绘制等关键问题。

地质图件是地质状况的一种表现手段，剖面图与区域地质平面图相配合可以清晰地反映出图区内地层、岩体、构造的空间分布特征，对认识各种地质体和矿床赋存的地质条件和时空分布规律，指导矿产资源和工程地质勘探具有重要的意义。近年来，不少学者和单位致力于地质图件的自动编绘方法研究和软件研发，目前相关文献对于剖面图自动绘制的研究较多，但都没有涉及地质对象的空间特征表达、属性标注及更新、图例的制作等方面。

地质图的绘制主要有两种方式：一种是采用CAD技术进行地质剖面的自动或半自动绘制，另一种是采用组件式GIS技术，结合某种编程语言进行绘制。这两种方式都存在不足之处：采用CAD技术绘制地质剖面图在图形表达方面具有优势，但对属性数据库支持较弱；组件式GIS技术将数据存储在数据库中，方便属性查询和空间分析，但三维GIS发展不成熟，导致绘图过程脱离了三维地质模型，不能充分利用三维地质成果。

GeoStation是中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司（以下简称“华东院”）基于Bentley公司的三维设计软件MicroStation平台，对其进行二次开发的地质三维勘察设计系统，该系统将CAD技术和GIS技术有效集成，实现了同时具有地质数据库支持和充分利用已有地质三维建模成果特点的工程地质图件自动编绘的功能。解决了出图数据自动提取与绘制、自动标注、图件辅助要素自动绘制等关键问题。目前，该系统已应用于多个大型水电工程中，实践表明采用GeoStation系统自动绘制地质图件，可以大幅提高地质图件的编绘效率和出图质量，经济效益显著。

地质图件自动编绘方法中的技术要点

基于剖面构建地质三维模型是地质描述上最方便、使用性最强的一种方式，其特点是将三维空间问题二维化，在保证模型精度的基础上降低了建模难度。其基本思路是：首先，通过在垂直方向或水平方向的二维剖切面上展示钻孔、平洞等勘探数据；然后，由地质人员根据展示的地质层揭露点及其他物探、试验数据，结合专业知识解译出不同地质层界线；最后，通过坐标转换，将解译的地质线条返回到地质三维模型。通过反复操作以上地质解译的过程，可以对上次解译的线条进行编辑，提高线条的精度和合理性。包含地质解译线条的模型叫线框模型，当线条密度达到要求时即可进行地质层界面的建模，进而进行地质块体的建模。分析此建模过程可以发现，地质解译线条在基于剖面的地质三维建模过程中起着重要作用，经过反复编辑的线条其准确性也得到了保证，出图时可以直接利用这部分线条。

地质图件有勘探剖面图、平切图、平面图、等值线图等多种，虽然这些图件表现的数据和细节要求不同，但算法和流程相近。本文设计的地质图件编绘过程可以简单的归纳为多源数据提取、绘制、附加对象属性及属性标注、图名图例等辅助要素的绘制等过程。

地质图件中的数据源可以归纳为三类。一是存储在数据库中的勘探孔洞（包括钻孔、平洞、探井、探坑、探槽等）和洞室数据。该部分的图形数据及属性数据都是通过校核后录入数据库，在数据库中提取的对象数据保证了图件数据的准确性和有效性。二是从地质和建筑三维模型中提取的图形数据。该部分数据包括两部分：一是计算剖面与三维模型中的元素相交得到的交点、交线和交面；二是地质解译过程中用户插值的各种地质编录线条。这部分数据是对已有三维模型成果的利用，使地质图件的内容更丰富和直观。三是从地质符号库（包括点符号库和线型符号库）中提取的绘图资源数据。不同类型的对象用不同的点符号和线型表示，而不同行业的图示符号略有差异，故需对地质符号库进行定制。

以上三种数据在地质图件上通过图形进行表达，钻孔、平洞等勘探对象用符合专业认识的图形或符号表示，从三维模型中提取的图形数据用点符号、线型或填充面表示。

图件的自动编绘是CAD技术与GIS技术有效集成的结果，用面向对象的思想对行业内的事物进行分类，图件上不仅具有符合行业标准的图形元素数据，还有内容丰富的属性数据。利用EC Framework技术可以实现对不同类型的对象进行不同的符号、图层、颜色和标注方式的表示。EC Framework（EC，Engineering Content）技术是Bentley公司为提高不同软件和系统的可互操作性而提出，该技术本质上是一个约定的技术框架，规定了一系列接口，以实现对不同数据源的支持，提高系统的互操作性。EC Framework是GeoStation系统实现为CAD元素添加GIS属性的技术基础，基于EC Framework可以配置各种满足行业需求的数据结构及约束定义，该配置用xml的格式存储在Schema文件，然后通过EC Framework约定的接口对数据进行访问、查询、浏览、持久化等操作。

GeoStation系统中把地质行业中用到的各种对象归纳为勘探模型、地质模型、水工模型、试验模型、检测模型等，如表1所示，并对各类对象的属性以及图层、颜色、线型、点符号、填充符号、标注参数等约束进行了详细的配置。绘图过程中可根据对象类型和对象编号为元素添加属性信息，自动设置图层、颜色和线型等。地质对象数据由三维到二维转换的过程中，属性通过继承的方式进行传递，减少手工提取和人工判断，提高了制图效率。

地质图件中对象的属性标注方式要满足不同行业规范，不同类型的对象的标注方式不完全相同。大部分对象只需要标注其编号，但也有个别类型对象对标注的位置和内容有特殊的要求，例如勘探孔洞不仅要标注编号，还要标注孔（洞）口的高程、孔（洞）深度和覆盖层深度等；构造对象除了编号还要标注其倾角信息，而且编号要标注在远离地形线的一端。因此，不同类型的对象要按照不同的规则进行标注。

EC Framework技术为对象的自动属性标注提供了基础和可行性，自动标注方法为对各种对象类型的标注需求进行定义，包括标注与地质对象基点的偏移量、标注的文字大小和标注的各个部分等内容；并针对不同对象类型编写自动标注算法。

自动标注能够对单个对象进行较好的标注，但当标注的对象多切相距较近时，标注元素会发生压盖，解决方案是在地质解译阶段首次出现标注压盖的问题时，工作人员进行检查并手动调整压盖的标注，然后通过算法实现再次出图时使用上次调整过的标注位置进行标注，减少出图人员的重复工作。

标注的自动更新算法则是为每个对象设置唯一标识符属性，该属性通过特定算法计算得到，可以保证唯一性和可重复性，即如果一个对象的图形数据和属性数据都没有发生变化，则该对象的唯一标识符也保持不变。自动标注产生的标注文本也作为对象，并赋有与被标注对象相同的唯一标识符，通过唯一标识符，不同类型的地质对象与标注对象确定了一对多的关系（有的对象类型具有多个标注部分，如构造对象同时标注构造编号和构造产状）。每次自动标注前，遍历已有同名剖面或者图件，提取已有标注的唯一标识符和标注位置等数据，为自动标注和标注更新做准备。自动标注时先从提取的已有标注列表中查找是否有和被标注对象相同的唯一标识符，如果有，则按照提取的标注位置进行标注，否则按照默认规则进行自动标注。

表1 GeoStation系统中的对象分类

图1 勘探剖面图出图设置界面示意

工程地质图件的辅助要素是符合地质行业标准的图件基本框架元素，包括图名、比例尺、图框、图签、图例、指北针等，同时支持针对不同行业进行的特殊定制。这些辅助要素可以根据图件的内容范围和行业规范，计算出符号绘制或者放置的位置坐标。

图例的绘制相对复杂，因为要为图中出现的每一种类型的对象绘制图例，并且要用图中对象的真实符号和数据来绘制图例。不同类型的图件对图例的要求不尽相同，主要区别在于要求的对象种类及顺序不同，从系统实现绘制图例算法的角度可以忽略这种差异。绘制图例的过程为：

（1）遍历图件内容，提取各种类型的对象，并根据图件的范围计算第1个图例的位置。

（2）根据图件要求的图例顺序，依次遍历提取到的对象，如果有某种类型的对象，则进入第3步绘制该类型的图例，记为第n个图例。

（3）根据设置的图例列数、图例序号n、图签高度和图件高度，计算第n个图例的位置。

图2勘探剖面图自动出图效果示意

（4）在计算出来的位置绘制图例，必要时可根据对象的编号属性从数据库提取需要的详细属性数据。转入2遍历下一种类型；直到结束。

实践应用

GeoStation地质三维勘察设计系统实现了地质图件自动编绘与更新方法，已成功应用于白鹤滩、锦屏二级、龙开口等15个大型水电水利工程。以白鹤滩水电站为例，水电站建设规模巨大、勘察周期长，参与的地质和设计人员众多，工程对地质出图的数量要求极大，地质三维勘察设计系统帮助专业人员减少了约80%的出图工作量，极大地提高了编图和校审的效率，确保了高生产压力条件下的勘察产品质量。

图1为白鹤滩水电站可行性研究阶段坝址区勘探剖面图的设置情况，界面的左侧部分是出图设置相关的参数，右侧是工程区域内的勘探线及勘探线的出图情况，用户设置勘探线切剖面的参数后即可自动出图。图2为勘探线XH3位置自动输出的工程地质剖面图，图中线型、标注、图例、填充等内容都满足实际出图要求。

华东院研发的GeoStation地质三维勘察设计系统的自动制图功能具有一键自动标准化出图、支持多数据源（数据库、三维模型和符号库等）、元素对象化、自动标注及标注更新、图件辅助元素自动绘制等特点。目前，GeoStation地质三维勘察设计系统已应用于多个大型水电项目中，有效提高了地质图件的绘图效率和出图质量。