矿山巷道地质编录辅助成图系统设计与实现

张军录

摘要：以AutoCAD为开发、运行环境，以SQL SERVER为数据平台，以河北某矿山为应用范例，设计并实现了矿山巷道（主要是平巷，一下同）地质编录辅助成图系统。系统将矿山巷道和地质编录信息以数字化的形式储存于数据库，实现了地质信息的统一管理；可自动、快速、按比例绘制巷道展示图，同时实现地质数据报表，极大提高了内业工作效率。系统运行环境和功能设计紧密结合施工单位实际需要，大幅降低应用技术门槛和软件环境费用标准。

关键词：地质编录 辅助成图 VBA AutoCAD

1 概述

围岩地质编录是矿山巷道工程施工过程中一项基本工作，通过地质编录揭露各种地质现象和规律，可为地下硐室围岩稳定性评价提供直接依据，并为支护结构参数选择提供参考。传统地质编录靠人工在开挖工作面现场勘测，勾画地质构造线，量测其倾向、倾角、注明其岩性、填充物等属性特征，然后经内业整理，手工绘制或利用制图软件半手工绘制成图。这种手工、半手工绘制成图的方法效率低，内业工作繁重；且手工绘制纸质地质信息不易保存、共享和传播，滞后于信息技术在工程实际中的应用水平。针对这一问题，严建国等综合应用近景摄影测量的理论、数码影像技术、图形图像处理和GIS等技术，研制开发了一套基于ArcView的地下洞室围岩施工地质编录成图系统，该技术通过采集洞壁影像和图像处理技术，得到近似的洞壁正射影像，然后在洞壁正射影像上进行地质解译，从而得到地质素描的线划图[1]。梁师俊开发了基于GIS的工程地质勘察一体化系统，实现了工程地质建模、工程地质数字化、工程地质数据库管理、工程地质特性分析、地质解释、空间分析和预测、地学统计和图形可视化[2]。然而，工程实践表明，上述先进的技术和方法并未在矿山巷道工程施工过程得到广泛应用，传统手工绘制的地质编录方法仍是地质信息获取、利用的普遍方式。分析其原因可归纳以下两点：一是基于ArcView地下洞室围岩施工地质编录成图系统由于其技术门槛和费用标准偏高，妨碍了其在工程施工单位的推广；基于GIS的工程地质勘察一体化系统则主要服务于勘察设计领域，软件功能与矿山巷道施工单位需求不匹配，降低了施工单位引进软件的积极性。为了实际解决矿山巷道地质编录手工、半手工制图工作效率偏低，地质信息保存、利用、传播难度大的问题，本文以国际通用制图软件AutoCAD为开发、运行环境，以SQL SERVER为数据平台，以河北某矿山平硐施工为应用范例，设计并实现了矿山巷道地质编录辅助成图系统。该系统将矿山巷道和地质编录信息以数字化的形式储存于数据库，实现了地质信息的统一管理；可根据桩号参数自动、快速、按比例绘制隧道三壁展示图，并能实现地质信息报表，极大提高了内业工作效率；系统运行环境和功能设计紧密结合施工单位对巷道地质编录工作的实际需要，满足功能需求的同时大幅降低应用技术门槛和软件环境费用标准。

2 系统功能设计

综合分析矿山巷道施工单位对地质编录工作的实际需求，本系统设计了项目范围管理、线路平面信息管理、地质编录数据管理、自动绘图、成果打印等功能。

项目范围管理功能与一般项目管理软件此项功能相似，实现从基本建设项目到巷道工程及开挖工作面的工作分解（WBS）过程。这一功能满足对多个大型基本建设项目巷道工程地质信息统一管理的需求，可以解决巷道围岩地质数据由于分散管理而造成的地质信息共享困难及数据流失等问题。操作界面如图1所示。巷道平面数据管理主要针对巷道中线曲线要素等数据的管理，用于解决围岩地质特征空间定位问题。一方面，巷道围岩特征空间位置以线路中线为参照系，并以巷道开掘进程标号为标示，需根据巷道平面数据和开掘进程标号首先确定围岩特征在线路的位置，再间接确定其空间地理位置；另一方面，巷道三壁展示圖的绘制以开掘工作面所在位置为局部空间坐标系，地质结构面产状数据必须进行坐标变换才能正确绘制，坐标变换的依据需从巷道平面信息获取。因此巷道平面数据管理是必要的，其数据操作界面如图2所示。地质编录数据管理用于将设计围岩地质信息和实际围岩信息数字持久化。通过图形化界面，以断面围岩地质数据为信息单元，将手工地质编录信息录入数据库。这些信息涵盖掌子面状态、毛洞开挖状态、岩石强度、风化程度、裂隙状态、涌水状态、围岩级别、地层岩性特征、工程地质特征、设计工程地质特征、设计水文地质特征等。图3为地质编录数据管理界面。绘图功能实现巷道展示图以及数据报表的自动实现。按每60m长度创建一个DWG格式成果文件，每一文件绘制10幅掌子面展示图（每图间距6m），1幅60m长三壁展示图，比例尺为1：300；该功能同时实现地质特征数据报表。绘制长短按实际要求可任意输入，程序根据地质编录数据判断围岩地质变化，自动分区段绘制。图4为绘制参数选择界面，图5为展示图截图。成果打印功能实现将自动绘制成果成册打印。如前所述，每一DWG成果文件包含10幅掌子面及1幅三壁展示图，再包括封面共12页，须按顺序以及页面横纵布局要求打印。对此，手工打印不仅效率低下，易于出错；而且由于窗口打印选择定位的不一致性往往造成打印风格的不统一，影响文档质量。成果打印功能克服了上述缺点，同时根据打印机的特性，用户可以选择打印顺序，以便装订成册。图6为打印参数选择界面。3 系统结构设计

在分析系统功能及用户需求的基础上，本系统采取以AutoCAD ActiveX为二次开发接口，AutoCAD VBA IDE为开发环境的开发方案。考虑VBA应用程序的特点，系统设计了4个模块、21个窗体。4个模块名称分别为：CommAss、CommCommand、DZCommand、DZSub；主要窗体有：EDataMForm（工程范围管理）、EDataMForm（编录数据管理）、PMForm（平面数据管理）、BLDrawForm（编录出图）、PATForm（岩性表管理）、PrintForm（打印）。CommAss主要包括系统通用辅助过程，如工作环境设置、数据库环境初始化、SQL查询等。CommCommand主要实现系统通用宏命令过程，如系统菜单创建与初始化命令、打印配置命令等；DZCommand为系统主要模块，包含系统全部地质相关宏命令过程，涉及项目范围管理、编录数据管理、编录绘图、巷道/线路平面数据管理等命令；DZSub为DZCommand后台辅助模块，DZCommand内的各种宏命令的实现算法均由本模块完成。各窗体执行人机交互功能，实现系统各种数据维护和参数设定。各模块及窗体关系（系统结构）如图7所示，从中可以看出各模块和窗体之间的依赖关系。4 逻辑数据体系结构设计

确定逻辑数据体系结构目的在于解决持久储存和消息传递（如XML 消息）等问题。逻辑数据体系结构描述了实体的结构形式、数据关系、以及在软件中的约束，考虑篇幅关系，本文仅提供了主要数据模型的实体-关系（ER）图，用于阐述持久储存数据结构，如图8所示。图8-a展示了系统主要数据表之间的关系，其中表Project、Engineering储存项目范围管理数据；表GW存储设计围岩特征数据；表DM存储一般岩性特征数据，表DT储存断层数据，表JT储存节理数据，表YT储存岩层数据，此四表负责实际地质编录数据储存；表ZX负责管理平面设计数据；YXB负责管理岩性表数据。图8-b较详细的描述了表DM、DT、JT、YT的结构，表DM字段包含掌子面状态、毛洞开挖状态、岩石强度、风化程度、裂隙状态、涌水状态、围岩级别、地层岩性特征、工程地质特征等数据，表DT、JT、YT分别包含断层、节理、地层等结构面产状数据。表DT、JT、YT通过外键DM_ID与表DM建立关联。

5 地质结构面与坐标平面交线算法

地质结构面与坐标平面内交线方程是其在展示图中绘制的算法基础。地质专业通常以倾向倾角来表示地质结构面的产状，按一般巷道长度考虑，可假定巷道范围内均为平面，如图9所示，由x，y，z轴构建一笛卡尔空间局部坐标系，以z-y面表示巷道开挖工作面，x-z面表示巷道左边墙，x-y面表示巷道底板，矢量OQ代表巷道前进方向，与x轴正向相反，平面ABC表示某一围岩结构面。结构面与三坐标平面交线为AB、BC、CA。OP垂直于AB，则∠OPC和∠QOP分别表示结构面在局部坐标系下的倾角和倾向，以α∠β表示。

假设平面ABC在三坐标轴的截距分别是a，b，c，则其方程可表示为：

++=1（1）

根据几何关系有：

ctgβ·c=sin（α-）·α=cos（α-于是：

a=cb=c（3）

将（3）代入（1）得：

x+y+z=c（4）

令z，x，y分别等于0，整理得AB，BC，CA在三坐标平面的方程如下：

x+y=cx+z=cy+z=c（5）

对于单一重要结构面绘制，a、b、c需知其一，由（2）式可推算出c值，对于同一产状结构面簇图例填充问题，可不考虑c值，按交线方程斜率绘制。上述倾向α为相对于工作面局部坐标系的倾向，真实倾向需按线路走向换算获得，其算法简单，不予赘述。

6 系统应用

本系统采用VBA实现，运行于施工单位普遍使用的AutoCAD环境，不受AutoCAD版本限制，功能扩充和改进便宜，易于使用，成本低廉。图10展示了系統运行于AutoCAD2008的菜单界面。系统在河北某矿山巷道地质编录工作中广泛应用，极大提高了内业工作效率，有效降低了时间成本。另外，本系统假定巷道范围内结构面为平面，仅符合一般地质情况，对于小角度相交大型非平面结构面尚难于表达，另需手工修改成果图形才能与工程实际相符。

参考文献：

[1]严建国，高改萍.地下洞室围岩地质编录成图技术应用研究[J].水利技术监督，2007，15（3）.

[2]梁师俊.基于GIS的工程地质勘察一体化系统[J].岩土工程界，2007，11.

[3]彭振德，张友静，钱海锋.基于AutoCAD VBA 的MapInfo 图形转换及其在地质编录出图中的应用[J].现代测绘，2003，5.

[4]李志，张磊，梅国雄.地质勘察信息系统中三维模型控件的设计与实现[J].南京工业大学学报（自然科学版），2011，3.）·b（2）