李功權(quán),甘樂,王鯨

(長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100)

ArcEngine輔助的野外剖面圖素描系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李功權(quán),甘樂,王鯨

(長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100)

[摘要]地質(zhì)剖面圖是在剖面上顯示巖層產(chǎn)狀及分布的一種常用地質(zhì)圖件，快速編制剖面圖更能滿足野外實習要求。ArcEngine組件庫中所包含的眾多關(guān)于空間地理的對象與接口，完全可以滿足繪制地質(zhì)剖面圖的要求。根據(jù)野外地質(zhì)剖面圖的制作流程，按照規(guī)范化、實用性、易管理、易維護等設(shè)計了一種基于ArcEngine的野外地質(zhì)剖面圖素描系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單用戶體系結(jié)構(gòu)，由一個用戶占用全部資源，不同用戶之間可以通過文件來交換數(shù)據(jù)，主要包括信息錄入功能、生成剖面、剖面填充這3個主要功能。實際應用表明，該系統(tǒng)可以充分利用野外實習中采集的數(shù)據(jù)，并結(jié)合地形圖來快速編制研究區(qū)的地層發(fā)育狀況圖，有較高的實際應用價值。

[關(guān)鍵詞]GIS； ArcEngine；地質(zhì)剖面圖

地質(zhì)剖面圖是地質(zhì)體在剖面上最直觀有效的表達方式[1,2]。目前，該類圖件主要采用傳統(tǒng)的手工繪制方法，既費工又費時，工作效率極低。GIS(地理信息系統(tǒng))是一種融計算機圖形與數(shù)據(jù)庫于一體、用于存貯和處理空間信息的高新技術(shù)，能將地質(zhì)體地理位置與相關(guān)地質(zhì)屬性有機結(jié)合起來，同時借助其獨有的空間分析功能和圖形化表達能力，幫助地質(zhì)工作者進行各種地質(zhì)輔助決策分析，因而是一種解決相關(guān)地質(zhì)問題的先進手段[3~9]。下面，筆者以地學類專業(yè)學生野外地質(zhì)地理實習快速編圖為目標，對ArcEngine輔助的野外剖面圖素描系統(tǒng)進行了設(shè)計與實現(xiàn)。

1地質(zhì)剖面圖件制圖流程

該系統(tǒng)的業(yè)務流程即是完成制作地質(zhì)剖面圖件的規(guī)范過程，其步驟劃分如下。

1)確定剖面方向，一般均要求與地層走向線垂直。由于采用與水平面垂直面的方式切圖，會存在剖面線與地層走向線垂直與斜交2種情況，因而暫時默認按照剖面線與地層走向線垂直的方式處理。

2)選定比例尺，使繪出的剖面圖不致過長或過短，同時又能滿足表示各分層的需要。如實際剖面長、地層分層內(nèi)容多而復雜時，剖面圖要長一些，相反則短一些。一張圖盡量控制在記錄簿的長度內(nèi)，這樣便于繪圖和閱讀。如果實際剖面長度是30m，其分層厚度是數(shù)米以上時，則用1∶200或1∶300的比例尺作圖，可以按照展示圖件的基準制作，通過調(diào)整主面板視圖大小來調(diào)整比例尺。

3)按選取的剖面方向和比例尺勾繪地形輪廓，其中地形的高低起伏要符合實際情況。

4)將地層及其分層的界線按該地層的真傾角數(shù)值用直線畫在地形剖面相應點下方。這樣從圖上就可量出各地層及其分層的真厚度，應注意檢查圖上反映出的厚度與目測的實際厚度是否一致，如不一致時需找出圖中的問題所在并加以修正。

5)用各種通用花紋和代號表示各地層及分層的巖性、接觸關(guān)系和時代，并標記化石產(chǎn)出部位和地層產(chǎn)狀。

6)標出圖名、圖例、比例尺、方向及剖面圖上地物的名稱。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計原則

按照規(guī)范化、實用性、易管理、易維護的設(shè)計原則開發(fā)一個幫助學生在地學野外實習中完成地質(zhì)剖面圖快速繪制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單用戶體系結(jié)構(gòu)，這是考慮到軟件運行在一臺計算機上，由一個用戶占用全部資源，不同用戶之間可以通過文件來交換數(shù)據(jù)。

2.2系統(tǒng)功能分析

圖1　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要包括3個主要功能(見圖1)：①信息錄入。既包括以輸入對話框的形式顯示的錄入數(shù)據(jù)，也包括在編輯的過程中通過人機交互的方隱式錄入數(shù)據(jù)。②生成剖面。主要是依據(jù)各種錄入的地形地層數(shù)據(jù)，提取地形線、加載地層信息，從而生成整個剖面圖件的框架，為后續(xù)的填充等做準備。③剖面填充。對重組生成的地層對象進行剖面填充，從而有效地表達地層信息，以便為實際需求服務。

2.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)運行需要用到的數(shù)據(jù)主要包括地圖文檔空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等。地圖文檔空間數(shù)據(jù)主要以文件的形式存放于磁盤某處，而屬性數(shù)據(jù)既可存放于txt文本文件中，亦可放置于數(shù)據(jù)庫中。從地質(zhì)剖面繪圖所需數(shù)據(jù)分析來看，主要涉及2個數(shù)據(jù)表，即地形剖面信息表(見圖2)和地質(zhì)界線信息表(見圖3)。地形剖面信息表主要存放的是文件切面時在DEM上所留下的切點信息。地質(zhì)界線信息表主要存放的是用戶在信息錄入界面或者在人交互式時錄入的地層信息。

圖2　地形剖面信息表E-R圖　　　　　　　　　　　　　　圖3　地質(zhì)界線信息表E-R圖

3技術(shù)可行性分析與系統(tǒng)實現(xiàn)方法

3.1技術(shù)可行性分析

地理信息系統(tǒng)區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的特色之一在于針對空間對象的處理上，ArcEngine組件庫中所包含的眾多關(guān)于空間地理的對象與接口完全可以滿足繪制地質(zhì)剖面圖的要求。特別是其提供的二維、三維控件能從多方位對地質(zhì)現(xiàn)象進行解析，可以很好地呈現(xiàn)、反饋地質(zhì)地理信息。該系統(tǒng)中所使用的地圖數(shù)據(jù)能很方便地采用ArcEngine中提供的對象訪問與編輯，而數(shù)據(jù)庫完全勝任對所使到的其他屬性數(shù)據(jù)的存儲。使用半自動的人機交互的方式模擬地質(zhì)剖面圖件的制作過程，由于人機交互通過界面實現(xiàn)銜接，從技術(shù)上不存在盲點。因此，該系統(tǒng)的開發(fā)從技術(shù)上是可行的。

3.2系統(tǒng)實現(xiàn)方法

野外剖面圖的繪制不僅需要點、線、面等幾何形狀的快速繪制技術(shù)，還需要各種各樣的巖性符號庫。ArcEngine作為ESRI公司ArcGIS系列產(chǎn)品的開發(fā)平臺，其組件庫中包括底層類庫System類庫、用戶界面組件接口類庫SystemUI、核心幾何實體Geometry類庫、顯示圖形Display類庫、圖形輸出Output類庫、空間數(shù)據(jù)庫管理GeoDatabase類庫、數(shù)據(jù)顯示服務Carto類庫、可視化組件Controls類庫、不同格式的數(shù)據(jù)文件DataSourcesFile類庫、柵格與矢量數(shù)據(jù)空間分析SpatialAnalyst類庫、3D場景操作3DAnalyst類庫和符號庫等[10]。由此可見，利用ArcEngine組件提供的功能可為該系統(tǒng)提供快捷的開發(fā)方法。

該系統(tǒng)中的地層巖性剖面圖、數(shù)字高程模型等可以采用ArcEngine提供的Carto類庫、Display類庫來實現(xiàn)。根據(jù)我國頒部標準《區(qū)域地質(zhì)圖圖例》(標準號GB958-1989-T)、《石油天然氣地質(zhì)編圖規(guī)范及圖式》(標準號SY-T5615-2004)和《石油和天然氣、煤田地震勘探圖式、圖例及用色標準》(標準號DZT0077-1993)編制各種巖性符號，通過擴展ArcEngine所攜帶的符號庫的管理功能來構(gòu)建系統(tǒng)的巖性符號庫。因此，采用C#作為編程語言并充分利用ArcEngine組件式開發(fā)技術(shù)可以構(gòu)建適用于地學實習的地質(zhì)剖面圖素描系統(tǒng)。

在地質(zhì)剖面素描圖中，常常需要確定繪圖的起點和終點，然后以此為邊界來編制該剖面內(nèi)的地層巖性。可以考慮以實習區(qū)內(nèi)的地形圖為底圖，采用AxSceneControl控件以三維方式顯示，根據(jù)用戶給定的多段線的坐標點，求取該多段線與數(shù)字高程模型的交點，自動提取地形線，然后用戶根據(jù)野外采取的數(shù)據(jù)來繪制地層巖性剖面。該系統(tǒng)中邊界點的提取方式有手動切取和文件切取，文件切取方式用到的是之前界面錄入的或是前次手動切面所遺留下的數(shù)據(jù)，而手動切取方式用到的是即時性的數(shù)據(jù)。

4實際應用

4.1系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)主界面主要包括菜單、工具條、繪圖區(qū)、狀態(tài)區(qū)4部分(見圖4)，其中繪圖區(qū)是地質(zhì)剖圖繪制的主要場所，其左邊包括實習區(qū)的地形圖、巖性符號庫和當前繪圖的圖層，右邊用來顯示當前的繪圖信息。用戶可以通過界面的方式顯示的錄入數(shù)據(jù)，在啟動編輯狀態(tài)下，用戶也可以通過人機交互的形式隱式的錄入地形、地層等數(shù)據(jù)。設(shè)置該模塊的目的在于充分利用地學實習過程中所采集的圖文數(shù)據(jù)。用戶點擊功能菜單上的“信息錄入”即可選擇錄入相應數(shù)據(jù)，或啟動“編輯”后在主面板上可手動錄入地層信息。

圖4　系統(tǒng)主界面

4.2剖面圖生成

剖面圖的生成需要經(jīng)過勾繪地形輪廓、繪制地層界線和生成剖面3個步驟：

1)勾繪輪廓線。以手動切取地形線的方式為例。首先，用戶在三維視圖中選取2點作為切面，即提取地形線的依據(jù)，接著用戶點擊“生成剖面”下的“提取地形線”，即可將勾繪的輪廓線展示在主面板上。在“提取地形線”的過程中，系統(tǒng)需要讀取用戶指定的DEM柵格圖像并將錄入的切面線匹配到DEM上獲取其上的高程信息，接著將記錄的信息展示出來?？紤]到柵格圖像像元的大小和實際精度要求，采用“移動平均”的插值方式獲取匹配切面線到DEM上的高程數(shù)據(jù)。

2)繪制地層界線。用戶可以通過之前界面錄入的數(shù)據(jù)提取并繪制，也可以在編輯時手動在主面板上取點成線描繪地層界線。系統(tǒng)在編輯時，繪制地層界線狀態(tài)圖。

3)生成剖面。主要完成將地形線和地層界線重組成可供編輯的對象，便于在后面的填充與修改中操作地層等。此外，剖面填充的流程是選擇目標地層，雙擊左側(cè)“符號庫”選項頁中的符號即可對目標地層進行填充(見圖5)。

圖5　編輯狀態(tài)下填充地層

5結(jié)語

在ArcEngine輔助的野外剖面圖素描系統(tǒng)開發(fā)過程中，為了保證系統(tǒng)的可維護性和可擴展性，充分考慮了地學實習中成果數(shù)據(jù)的使用、學生在實習中的主體地位及其動手能力的強化，詳盡闡述了地質(zhì)剖面圖件的制作過程，其業(yè)務流程清晰且滿足實際應用要求，因而對學生制作野外地質(zhì)實習繪制剖面圖件進而研究地層歷史具有良好作用。

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[編輯]李啟棟

[引著格式]李功權(quán),甘樂,王鯨.ArcEngine輔助的野外剖面圖素描系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].長江大學學報(自科版)，2015,12(16)：25～28.

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)16-0025-04

[中圖分類號]TP391

[作者簡介]李功權(quán)(1971-)，男，博士，副教授，現(xiàn)主要從事地理信息系統(tǒng)方面的研究工作：E-mail:195648169@qq.com。 汪千松(1978-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事網(wǎng)絡信息安全與電子商務方面的教學與研究工作;E-mail:qswang@ahpu.edu.cn。

[基金項目]國家科技支撐計劃項目(2012BAB11B0503);湖北省高等學校教學研究項目(2014251)。 教育部人文社科規(guī)劃項目(13YJA630098)；安徽省高校省級自然科學研究項目(KJ2012B022)。

[收稿日期]2015-02-27 2015-02-27