工程地质图中图切剖面自动绘制方法的研究

雷志娟

(中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北武汉 430080)

1 选题的背景、目的及意义

工程地质剖面图所反映的是地质工程中给定方向的断面内的地质情况，是研究地质体空间变化性的重要基础图件，是地质层在垂直向上最直观最有效的表达方式。它主要用于配合地形地质图了解地质全貌，是工程总体设计依据之一。通过剖面图可以更清楚地了解区内地质体在地下深处的延展、分布情况和构造特点，对于认识各种地质体赋存的地质条件和时空分布规律，指导资源和工程地质勘探，都具有重要的意义。

2 平面工程地质图中剖面线的走向确定

2.1 坐标系转换

传统的二维平面坐标系中，往往是从正东的X轴为标准方向开始计算角度的，在工程地质图中，钻孔坐标系往往选择是从正北开始计算角度，所以在做计算机自动生成图切剖面时，往往需要进行一个坐标数据的转换从而得到正确的剖面线走向。

先设定钻孔坐标系为(X，Y)，(X′，Y′)为中心在二维平面坐标系中的坐标，按下式转换成钻孔坐标系的坐标:

其中，X0，Y0均为基础坐标系原点O在钻孔坐标系中的坐标;α为基础坐标系与钻孔坐标系的夹角。

2.2 钻孔间距计算公式

其中，D 为钻孔间距;ΔX=X2－ X1，ΔY=Y2－ Y1，(X1，Y1)为 1号钻孔坐标，(X2，Y2)为2号钻孔坐标。

2.3 剖面线走向计算公式

根据钻孔相对位置的不同大致归纳为6种情况，与这6种情况相对应建立6个剖面线方向计算公式:

当 ΔX≤0，ΔY ＞0 时，α =atg|ΔX/ΔY|+90°;

当 ΔX ＞0，ΔY＞0时，α=90°－atg|ΔX/ΔY|;

当 ΔX≤0，ΔY＜0时，α=270°－atg|ΔX/ΔY|;

当 ΔX ＞0，ΔY＜0时，α=270°+atg|ΔX/ΔY|;

当 ΔX ＞0，ΔY=0时，α=0°;

当 ΔX ＜0，ΔY=0时，α=180°;

其中，α为剖面线方向;ΔX，ΔY含义同式(1)。

3 剖面线所经岩层的钻孔点数据的获取

由于在平面的二维工程地质图上做图切剖面自动绘制时，一般是取平面二维图上典型的剖面线，并没有给出相对应的钻孔的详细信息，这样就不可能像钻孔柱状图那样，通过在地表上画的一条剖面线，选取对应的钻孔连接起来(包括直线或折线)直接获取钻孔数据的相关分层信息，并绘制分层线，利用不同的符号或颜色对表示每一岩层的区域进行填充，从而得出表示该剖面地质构造的二维图形，所以，只能通过工程地质图上所给定的一些特殊点的产状信息，计算出剖面线与地层线的交点，利用离散插值的方法，通过模拟计算来确定在剖面线上点的产状。

本文是采用反距离加权插值法进行模拟，首先对交点在剖面线上的钻孔数据的产状信息进行获取，如果交点不在剖面线上，则通过离散插值的方式寻找离该点最近的产状信息作为该点的产状信息获取。

4 原始二维剖面结合空间属性数据模拟实际剖面

1)根据要求进行地形地质图与剖面图之间的比例尺转换，并设定高程采样步长值，通过地质图中给定的等高线值，计算出剖面线与等高线交点的高程值，如图1所示。

图1 地形地质图

2)取所选剖面线两端点的最大高程值和最小高程值作为范围，从剖面线与等高线的交点往上作垂线与地面高程值相交，将得到的交点连接后进行B样条插值光滑后，如图2所示即可得到剖面线所经空间的地表地形图。

3)根据要求设定剖面的深度，通过剖面线走向、真倾角与视倾角公式进行计算，分别得出剖面线与地层线交点，并进行投影(要注意的是有可能投影到地形线上，也有可能不投影到地形线上，要分两种情况来考虑)，从而计算投影后详细的产状信息。

4)利用计算机程序计算地表线、地层线与通过设定的剖面深度得出的底线交点，进行剪断造区。

5)充填所属稳定性类型的颜色和所属工程岩组类型的花纹。

图2 原始剖面图

6)在剖面图上进行标注，制作相应图例并进行图面整饰。

以下为利用Microsoft Visual Studio 2008开发平台，采用C#语言+Oracle数据库的方式进行的图切剖面的子系统的开发(见图3)。

图3 图切剖面地质图

5 现有的实现方法的比较以及目前存在的问题

5.1 现有的实现方法及其比较

现有的剖面图的绘制通常是以钻孔柱状图为基础的，因此绘制钻孔柱状图是实现剖面绘制的前提，钻孔柱状图生成后，提取相应钻孔的柱状信息，主要是岩层信息以生成剖面。这种基于钻孔柱状图的剖面图绘制方法大致又可以分成两种:

一种是钻孔资料简单投影法:在GIS环境下，参照钻孔分布图绘制地质剖面图的剖面线(可以是直线，也可以是折线)，然后选择绘制剖面图需要的钻孔(也可以给出距离，由计算机自己选择钻孔)，系统将自动把钻孔位置投影到剖面线上，并同时从数据库中调用钻孔的分层信息以及岩性信息，最终绘制出剖面图。第二种是钻孔分层插值法。与简单投影法的工作方法完全不同，该方法是首先将研究区域内的钻孔资料进行分层，对于处于相同岩性层的钻孔数据为一个分析单元，根据钻孔的平面位置和岩层的埋深数据进行空间插值。这样就可以形成每一个分层连续表达的岩层顶面埋深数据层，这些数据在GIS环境下用合理尺寸的网格数据表达(栅格结构)。在拥有这些栅格数据后，就可以在图层上绘制任意剖面线，然后再通过GIS的图层叠加功能绘制地质剖面图。但是如果直接通过平面的二维工程地质图，在没有给出精确的钻孔数据的详细信息的情况下，以上两种方式都存在一定的困难，本文主要是针对这种情况进行的解决方法。

5.2 存在的问题

以上计算机自动绘制剖面图的方法都存在一定的问题，主要是在遇到复杂的地质地形时，很多都不能自动解决，像复杂断层、褶皱等，要考虑到的分类情况特别多，那自动化的程度往往要通过人工干预才能绘出理想的剖面图，所以还需要在考虑通用的情况下对特殊的地质条件进行专门的定制，以便为工程项目的开展提供更好的参考。

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