基于MapGIS的图切地质剖面系统面向对象设计与实现

陈志军，陈建国

(1．中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，湖北 武汉 430074;2．中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074)

基于MapGIS的图切地质剖面系统面向对象设计与实现

陈志军1，2，陈建国1，2

(1．中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，湖北 武汉 430074;2．中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074)

地质剖面图可以清晰反映图区内地层、岩体、构造的空间分布特征，对于认识各种地质体和矿床赋存的地质条件和时空分布规律具有重要的意义。在GIS环境下对数字地质图开展图切剖面软件的研究和开发是一项基础且重要的工作，图切地质剖面图不仅可为地质工作者认识地质特征提供基础图件，还可成为三维地质填图基础数据来源。介绍了基于MapGIS的地质图切剖面软件的系统设计方案，深入探讨了图切地质剖面软件研发中的面向对象设计方案，成功实现了面向对象的图切剖面的自动生成及交互修编功能。所研发的制图技术高效实用，能够满足各种比例尺的MapGIS地质图图切剖面的编制要求。

MapGIS;图切地质剖面;面向对象;自动成图;交互修编;动态联系窗口和刷新技术

0 引言

面向对象(OO)是当今计算机领域的主流技术，采用面向对象方法对图切地质剖面软件研发开展系统分析与实现是有益的尝试。由中地数码科技有限公司开发的MapGIS是广受国内GIS用户欢迎的软件之一，是地质数据管理分析与制图的首选GIS平台软件(吴信才，2004)。我国众多的数字地质调查成果图件都提供MapGIS格式，数字地质图资源极为丰富(陈志军等，2006a)。地质剖面图是垂向上表达地质信息的直观而有效的常用地质图件之一，它可以清晰地反映出图区内地层、岩体、构造、矿床体的空间分布特征。当今，GIS技术已广泛普及，我国数字地质图已全面建成。若能利用计算机工具按地质人员的需求在任意地点、任意方向上切制剖面图，并在计算机上实时显示或打印输出，将为地质人员更快捷直观地了解地质情况、矿床体赋存状况提供重要图件(方世明等，2004)。以剖面方式对地、物、化、遥的资料进行综合分析和研究的需求也越来越突出，地质图切剖面的绘制是制约剖面资料定量分析与快速可视化的瓶颈。基于栅格数据的图切剖面已成为众多GIS软件的基本分析功能之一(De Smith et al，2007)，物探、化探、遥感数据通常用栅格形式表达，只需对单一来源的数据进行重采样或插值分析处理即可生成剖面图，因此，这类数据在GIS环境中可以高效地生成图切剖面;而地质图通常用矢量形式进行表达，切制剖面不仅涉及地质图数据，还涉及地形数据、产状数据，需要规范和管理多种数据源并从中获取相关信息展现符合地质事实的地表下各类地层、岩体、构造的空间展布和空间拓扑关系，目前，成熟完善的地质图切剖面功能在GIS软件中尚不多见。

不少研究者对地质图切剖面开展了相关研究，如：地质图切剖面中褶皱构造的计算机辅助编绘(方世明等，2002a)，基于 AutoCAD、MapGIS、ArcGIS等软件平台对基础地质数据、钻孔数据、探槽数据等研究图切地质剖面自动绘制技术(方世明等，2002b，2004; 朱莹等，2007;张凯等，2007;宋光浩等，2009;刘杰等，2009)，地质图切剖面软件操作的实用性正不断得到提升。尽管当前多数软件程序自动绘制的图切剖面还达不到传统的手工绘制或者应用Illustrator、CorelDraw、MapGIS等编图软件进行计算机辅助绘制出来的图件那样精良，然而，由数据驱动自动、智能地生成实测地质剖面、图切地质剖面、联剖图、栅栏图，正是地学信息工作者需要攻克的地质制图技术难题之一。手工制图方式不能满足快速绘制、及时更新的需求，批量生成更是费时费力。当今，我国地质填图正迈入“三维”时代，采用地、物、化、遥、钻、三维可视化相结合的综合调查研究手段来探索和研究三维地质填图技术方法，建立三维地质填图的理论和方法技术体系(王少勇等，2011)。通过对平面数字地质图进行一系列剖面处理，所产生的图切地质剖面不仅构建联剖图、栅栏图，还可为三维地质填图提供基础的重要建模数据来源。因此，开发高效实用的图切地质剖面软件具有良好的应用前景。

笔者首先介绍软件开发的系统分析与设计，然后探讨图切剖面开发中面向对象设计的关键技术，运用面向对象方法设计了各种剖面对象类，以此为基础研发了剖面图自动成图技术与人机交互修编技术，最后是软件实现效果与示例。

1 系统分析与设计

计算机绘制地质剖面图的自动化与智能化离不开对手工制图流程的理解。依据地质剖面图手工绘制的流程并结合数字地质图的特点，笔者设计了功能框图(图1)及数据工作流图(图2)。

图1 地质图切剖面功能框图

对图1所示的功能框图简要说明如下：(1)基础底图数据配置。按照地质剖面图的制作流程，配置相应的数据来源文件，指定属性字段以提取对应数据。(2)预置剖面保存文件。预置的文件分为两大类：① 位于地质平面图上的剖面切割线产生的剖面切割点、线文件;② 地质剖面图点、线、区文件。(3)剖面空间分析并生成初始地质剖面图。用户在地质图上拉线产生剖面切割线，系统自动分析剖面切制结果，包括：各种对象的在剖面图上的控制点位置、延伸长度和倾角以及地质花纹填充图案、线型及标注，并据此自动构建初步的地质剖面图。(4)用户交互设计功能。分参数交互编辑和图形交互编辑2种情形，前者获取各类对象的计算参数信息，进行编辑修改参数，进而重新生成地质剖面图;后者是在已有生成的地质剖面图基础上应用交互式编辑功能直接修改图形，使之美观适合打印输出。(5)指定剖面图绘制位置和绘制保存。在来源地质图所在工程中指定剖面图位置，确定绘制后将剖面图绘制在该区域上，保存地质图工程文件，制图过程完成。

图2详细总结了实现这一制图过程的数据流程。其中剖面自动分析主要是指剖面切割线对地形线文件、断层线文件、地质平面图文件、产状点文件之间进行空间分析，获取各类剖面对象的空间位置和制图参数信息，主要包括：(1)地形线起伏线高程控制点分析。依据剖面线与地形等高线的交点提取等高线属性或依据数字地形高程插值确定。(2)断层控制点分析。获取剖面线与断层线的交点，计算断层在地质剖面图上的地表出露点位置，该出露点的高程由其周边的等高线插值而来，提取倾角、倾向取值信息，并且依据当前剖面方向计算视倾角。(3)地质体控制点分析。获取剖面线与地质体界线的交点，计算该界线点在地质剖面图上的地表出露位置，并按一定策略搜索产状文件，确定地质体产状。剖面的交互设计将应用面向对象技术实现(下文阐述)。

图2 图切地质图剖面软件数据流程

2 图切地质剖面的面向对象技术运用

2.1 类的总体设计

在MapGIS环境下，MapGIS数据组织主要通过工程文件和工程内各工作区的文件来实现。工作区是MapGIS提出的一个概念，简单而言，工作区就是一个数据池，存放实体的空间数据、拓扑数据、图形数据和属性数据，每个工作区都对应于一个MapGIS数据文件(吴信才，2004)。MapGIS将工作区分为点、线、区、网、表5种类型，它们的差别主要表现在其中包含的空间实体的类型不同，例如线图元及其属性只能保存在线工作区中。深入了解工作区的逻辑结构和工作区操作函数的使用，是进行MapGIS二次开发的关键(陈志军等，2006b)。面向对象是20世纪90年代以来软件开发的主流。地质图切剖面最终结果表现为MapGIS点、线、区3个配套的文件，笔者并没有按照点对象、线对象、区对象这种方式来进行设计面向对象设计，而是按照剖面制图中的“场景”进行3个方面的自然分类，从而进行更加灵活的面向对象设计。C++语言是优秀的面向对象语言之一，笔者采用C++对上述类进行了编程实现，并充分利用了对象语言具有的特性，包括多态、继承、封装等。图3展示了图切地质剖面图系统的主要对象类图。

2.1.1 基本剖面对象类 注意到在剖面制图中涉及到的最基本的类对象是：① 剖面切割线类;② 地形起伏线类;③ 标志地物类;④ 断层类;⑤ 地质体类;⑥ 剖面坐标轴类;⑦ 剖面标注类。其中，⑥ 和⑦是地质剖面图整饰所需而设计的类。这些基本剖面对象不妨比喻成“演员”，在类设计中，分别用COOProfilingActorLineCutter、COOProfilingActorWavedTerrain、COOProfilingActorMarkCulture、COOProfilingActorEdgeFault、COOProfilingActorCellGeobody、COOProfilingActorElevationRod、COOProfilingActorLayoutTag来命名上述7个类对象。它们均继承自一套具有点、线、区工作区成员变量的 COOProfiling-Stage类来进行矢量图形的生成及属性数据的保存。例如：剖面切割线拥有点、线两种类型工作区，点工作区用来存储地质图平面与剖面线的各类交点，还包括一些特殊点：剖面切割线的起点、终点、以及对折线段剖面切割线情形中的方位转变点。线工作区用来存储剖面线与地质体区文件的判别分析结果，也即线工作区中各条断线存储了地质体的属性信息以及地质体花纹填充图形参数。不妨将COOProfilingStage类所提供的工作区可以比喻成一个“舞台”，它为每个“演员”(剖面基本对象)提供表现场景。各个剖面基本对象在剖面空间上的有机组合便构成了一幅完整的地质剖面图。

图3 图切地质剖面软件对象类图

2.1.2 剖面对象操作类 当用户指定了剖面切割线空间位置后，通过自动分析操作函数可以自动为剖面基本对象类②—⑦提供制图初始数据，如果自动生成的剖面图参数不完整或不可靠，那么用户将进一步进行人工干预。于是，将用户的各类操作行为也定义了一个类，称该类为剖面对象操作类COOProfilingDirector，在该类中定义了上述7种类对象实例及相关成员变量，其行为可以比喻成“导演”，通过该类来创建MapGIS工作区，调控剖面制图中的基本剖面对象的空间分布、表达形式，响应用户的交互操作等。

2.1.3 剖面对象数据类 在人机交互过程中，尽管可以通过操作MapGIS工作区内点、线、区实体来实施对剖面对象的数据修改，但在这种操作中要永久保存数据就需要立即更新图形，这一过程由MapGIS内部管理机制所控制，对视倾角的改变等图形控制参数往往难以获知。并且视倾角等控制参数若直接存储于MapGIS点工作区或线工作区的属性中，当用户执行MapGIS的通用操作如：删除图元、增加图元时，该图形控制参数会随之被删除或可能被置为无效的缺省值，不利于控制参数的有效维护而导致剖面参数驱动成图困难。因此，对MapGIS点、线、区对象的直接编辑在地质剖面图基本成型的基础上进行整饰输出阶段比较有效，在对地质剖面图自动分析成图过程中不宜采用。

值得提醒的是，地质剖面图上表达地质体及其边界的区元与线元在MapGIS中分属两个不同的工作区，当移动地质界线的线段时，MapGIS并不支持对应的地质体区元随之进行边界调整，需要用户开发相关的功能来实现关联对象的协同更新。因此，对剖面图基本对象类专门设计了专用的剖面对象数据类，由剖面对象数据类实施剖面对象各种属性参数的全面管理，以及与MapGIS工作区之间的数据接口维护。不同的基本对象要求的属性参数各有不同，因此，对应设计的类有：(1)剖面切割线节点类CdotCtrlLineCut;(2)高程控制点类CdotCtrlTerrain;(3)标志地物点类CdotMarkCulture;(4)断层出露地表点类CdotCrossFault;(5)地质体界线出露地表点类CdotBndyGeobody;(6)地质体界线类CLinCell-Geobody。其中，剖面切割线节点控制点类其作用是保存地质平面图上剖面切割线与地质体、断层、等高线之间的相交点，同时保存被切割文件的工作区号，从而识别来源文件的性质及根据不同工作区号分类提取相交点。断层出露地表点类与地质体界线出露地表点类以地质剖面图上剖面顶部的高程位置作为断层和地质体界线的空间定位的记录点。同时获取产状信息并计算视倾角，根据视倾角绘制断层线或岩性界线时，有向剖面图右端倾斜、向剖面图左端倾斜两种情形，约定前者为正值，后者为负值，角度大小由其绝对值确定。

进一步地，笔者设计了几何实体对象数组类CEntityObArray，按剖面距离递增顺序有序存储上述6个类的实例序列，它与上述6个类具有共同的父类——几何实体对象类CEntity。通过CEntityObArray可以方便地进行点实体或线实体进行增加、删除与数据修改。地质体界线类的设计是上述类中最难处理的，为记录单个地质体的地质分界线左端点与右端点(含产状信息)，通常的做法是将CDotBndy-Geobody类作为类成员变量，在本软件实现中，采用CDotBndyGeobody类的数组对象CEntityObArray实例中的索引值作为成员变量来获得等同效果，此外，地质体界线类还记录左右地质边界接触关系编码信息、褶皱构造指示信息、与断层线空间关系信息、地层代号与岩性、以及该地质体在地质平面图中关联区元的实体号与图形参数信息等。

2.2 图切剖面的自动生成及交互修编技术

图切地质剖面软件研发中全面应用了面向对象技术，极大地方便了地质剖面图的自动生成及交互修编功能的开发，其数据流程参见图2。

本软件中，图切地质剖面的自动化生成不是仅指用户指定剖面切制位置后产生一次结果就完成制图任务，而是体现在用户交互修编中参数改变后图切地质剖面的再次自动生成的全过程。剖面对象参数驱动图切地质剖面的自动化生成由CEntityObArray继承类(地形起伏线类、标志地物类、断层类、地质体类)的实例提供数据支持，按照剖面地质对象的特定空间配置关系自动成图，包括对各地质体进行自动标注和图花纹填充等。当然，由于产状数据、地质接触关系、构造形态等不正确、不明确等因素，可能导致图切剖面图与地质事实相违背。解决方案之一是可以通过修正各类地质对象的属性参数，更新各CEntityObArray继承类实例存储数据，通过新的参数来再次驱动新图形的生成，从而在地质专业人员的指导下不断优化先前的结果而达到智能化的效果，在循环往复中逐步使得图切地质剖面符合地质专业人员的认识。图切地质剖面的自动生成可以发生在用户交互编辑的任意阶段。

图切地质剖面软件中的人机交互修编方式上，通过2种方式来体现：(1)剖面对象的属性参数编辑;(2)剖面对象的MapGIS图形编辑整饰。人机交互开发的重点和难点在于前者。笔者对图切地质剖面图对象：剖面切割线、地形起伏线、标志地物类、断层类、地质体类、剖面坐标轴类、剖面标注类，根据其定义的成员变量，采用表格控件设计了剖面对象属性管理器，提供可视化的操作界面，允许用户实时修改各种对象的属性取值，通过修改对象的制图参数来驱动图件的自动绘制，可修改的常见参数有：①高程控制点的增加、修改、删除;②断层或地质体的倾向、倾角参数的校正、地表出露点高程的修改;③地质体之间接触关系和构造形式信息编码;④标志性地物点的增加、修改、删除;⑤ 横向、纵向比例尺重新设定，剖面坐标轴、剖面绘制样式(剖面随地形起伏或延伸到某一标高)、线型及填充图案等参数的修改。此外，在剖面地质图成型的基础上，运用MapGIS软件自身的图形编辑功能进行后续编辑整饰，达到美观实用的效果。

人机交互需要为用户提供简单直观的方式进行空间对象位置捕获及其属性查询编辑。并且地质图窗口与地质剖面图窗口的动态联系窗口与刷新技术的应用将极大地方便用户了解捕获实体在垂向和平面上的位置及其周边的地质现象，有助于用户更好地修改相关参数。所谓动态联系窗口，是通过刷新技术，将一组相关联的视图组合在一起，同时呈现给用户，它是一种有效的交互式探索性空间数据分析手段(王远飞等，2007)，面向对象技术能够有效地支持交互式分析界面的设计。在本软件中，用户可以在地质剖面图窗口中捕获基本剖面对象实例中的位于高程起伏线上的高程点、断层出露地表点、地质界线地表点以及地质分界线，也可以在地质图窗口中捕获剖面切割线与等高线、断层线、地质界线的交点。窗口刷新技术使得在某个窗口捕获的对象据其空间位置特征可以动态关联到另一窗口产生相应的响应，反之亦然，在MapGIS环境下，常用图元红－绿两色交替闪烁方式体现等效的空间位置，并在属性窗口中显示该位置相应的属性信息。其工作原理是：在剖面自动成图计算过程中，地质剖面图基本对象间相互记录关联对象所在工作区号及其实体号，根据工作区号及其实体号来追索其他窗口中所关联的对象，获取其空间数据、属性数据。

3 系统实现与示例

图切地质剖面软件已经采用Visual C++在MapGIS环境下进行二次开发实现。软件系统界面采用了视图切分窗口技术，窗口主界面由4个子窗口组成：(1)地质图平面图形显示窗口;(2)地质图工程文件项目列表管理窗口;(3)地质剖面图显示窗口;(4)剖面对象属性管理窗口。

图切地质剖面软件按照MapGIS所支持的数据进行数据组织。图4是基础底图数据配置对话框，具体数据配置要求为：(1)地形数据。分等高线数据和DEM数据两大类，若为等高线数据，需指定高程字段。(2)地质体数据(区文件)。指定地层代号字段和岩性字段。(3)断层数据(线文件)。指定倾向字段和倾角字段。(4)产状数据(点文件)。指定倾向字段和倾角字段，程序搜索在地质体范围约束下的、离地质体界线点最近的一个产状点的倾向、倾角属性信息作为它的产状数据，用户可以给出一个搜索半径，若等于－1则没有搜索半径限制。

图4 基础底图数据配置对话框

图切地质剖面软件能够自动生成规范图式的地质剖面图。图5是剖面图绘制基本参数设置对话框，其中投影高度参数是指剖面图上断层或岩层向地下随地形起伏向下延伸的厚度值，如果为－1则约定断层或岩层按照特定视倾角自然延伸，直到遇到所设定的标高尺下界或坐标轴左右范围垂向边界为止。

笔者以云南省1∶20万维西幅数字地质图为例展示了图切地质剖面图的操作过程和实现效果。操作过程简要说明如下。

图5 剖面图制图参数设置对话框

首先，装载含有等高线、地质体、断层、产状点等文件的MapGIS工程文件，配置基础底图数据(图4)，在地质底图上用鼠标拉出一剖面线或装载线文件(直线或折线均可，本示例中在A—B—C的折线段)，系统自动进行高程信息、地层信息的提取，并提示用户根据剖面线总长度以及高程统计特征进行基本绘图参数设置(图5)，于是可以自动生成初始地质剖面图，进而用户激活剖面交互操作功能，图6展示了用户对某地质体界线点的多窗口联动可视化与交点属性编辑。动态联系窗口和刷新技术的应用方便了用户的对比观察，地质图窗口(位于切分视图的上部)中的白色方框指示了当前捕获的剖面切割线上的地质体界线点，地质剖面图窗口(位于切分视图的下部)中的白色方框指示了上述界线点在地质剖面图上所处的地表位置，两者联动闪烁，在地质剖面图窗口右侧的小窗口为属性编辑器窗口，显示了该地质点对应的属性取值。当新的交点参数系统应用之后，系统自动重绘图切地质剖面，参数交互修改与自动重绘多次往复，直到剖面制图参数都较符合地质事实为止，由此生成的图切地质剖面作为后续MapGIS手工修编的基础。

进一步地，用户用MapGIS制图工具美化和整饰地质剖面图使之达到输出质量要求。于是，用户用鼠标在地质图窗口中拉框设置图切地质剖面在地质图工程中欲放置的区域，如地质图正下方。

图6 地质剖面对象的用户交互编辑与动态联系窗口

最后，系统将地质剖面窗口中的所有内容存储到用户指定的MapGIS文件中，为减少图切地质剖面的MapGIS文件数量，各类剖面绘制对象对其操作的MapGIS工作区按点、线、区三大类归并到指定保存的文件中，存储地质图工程(图7)。图切剖面图的两种形式的生成效果图见地质图窗口中地质图的下方和右方的插图，该剖面图中间的方位变换位置处由专用MapGIS符号进行标识和方位角标注。

图7 图切地质剖面效果图

4 结论

基于MapGIS二次开发采用Visual C++实现了数字地质图图切剖面软件，基于面向对象技术所研发的图切剖面制图是有效而实用的，能够满足各种比例尺的MapGIS图切地质剖面的编制要求，最大限度地支持用户任意切割地质平面，在任意位置绘制或重新绘制剖面图(包括对各类地层进行自动标注和图案填充)，其剖面图的制作效率和效果是传统手工方法无法比拟的。它具有如下特点。

(1)数据组织简单易行。本系统在MapGIS平台上开发而成，以MapGIS工程形式组织各类图件，用户只需简单配置一下基础地质数据及属性字段，即可制作不同地区的地质剖面图。

(2)自动绘制与人机交互相辅相成。对于绘制剖面图所需的一些不确定数据乃至缺乏数据，可以通过人机交互的方式修正与补充数据，无论是对系统通过空间分析获取的剖面对象参数，还是用户人机交互设置的参数，系统都支持通过剖面对象参数的自动化生成，从而使图切地质剖面图件的表达更合理、更规范。

(3)面向对象技术设计方案科学实用。笔者较系统科学地设计了图切地质剖面的各种对象，合理定义了对象之间的继承关系，封装了功能实用的专业分析函数，还利用了多态特性使得对象操作函数的接口统一、操作灵活、编程简洁。MapGIS对专用功能缺乏特定的数据结构支持，面向对象的设计方案弥补了这一不足。类的设计可扩展性强，开发者可以灵活定制所需各项功能。

图切地质剖面软件已经集成到由中国地质大学(武汉)数学地质遥感地质研究所开发的大型GIS专用软件MORPAS 3.0(金属矿产资源评价分析系统)中。图切地质剖面软件的研制已经取得初步成功，但仍存在进一步完善之处，如：在剖面对象空间关系方面：断层对地层的错断、断层交互切割、褶皱构造的定位和形态表达、小范围第四系浅覆盖以及其下覆地层推断等情况的实现，还需要进一步完善与优化。其次，在剖面可视化效果方面：沉积地层视倾角渐变过渡的花纹顺层填充方案、侵入岩与地层接触边界的曲线形态自动绘制等方面还需要定义新的变量参数进一步更精细地调控。此外，为了便于服务于三维地质填图，还需要更加自动与智能地批量生成图切地质剖面，并导出Micromine、Surpac等常用三维地质建模软件所支持的数据格式。通过进一步拓展与优化面向对象的设计思路和方法，可促进本软件功能的不断完善与成熟。

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Object orientation design and implementation for cutting section of geological map system based on MapGIS

CHEN Zhi-jun1，2，CHEN Jian-guo1，2

(1．State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources of China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China;2．Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China)

The geological section map could reflect the spatial characteristics of various subsurface geobodies，such as strata，intrusions and structures．It was of important significance to understand the temporal and spatial distribution rules and occurrences of geobodies and ore bodies．Research and development of software for the geological section map of digital geological maps in GIS environment were a fundamental and important work，because the geological sections could reveal the geological features and provide basic data sources for 3D geological mapping．The authors introduced the system design for the cutting section of geological map based on Map-GIS，explored the object orientation design method，implemented the functions for an automatic construction of geological sections and interactive updating．These mapping techniques developed were efficient and practical，which could fulfill the cutting section of geological map on various scales．

MapGIS;Cutting section of geological map;Object orientation;Automatic mapping;Interactive updating;Dynamic linking window and refreshing technique

TP392

A

1674－3636(2012)03－0256－09

10．3969/j．issn．1674-3636．2012．03．256

2012－06－18;编辑：侯鹏飞

国家科技支撑计划课题(2006BAB01A01203，2011BAB06B08-2)，国家自然科学基金青年科学基金项目(40802081，41272361)，地质调查项目(1212011085466，1212011120986)，中央高校基本科研业务费专项资金(CUG090102)

陈志军(1978— )，男，副教授，主要从事数学地质的科研和教学工作，E-mail：chenzhijuncs@163．com