劉 寧，孟若琳

(1. 山東川和信息科技有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

在工程建設(shè)、土地整治、露天礦開采等眾多領(lǐng)域均涉及土石方的計(jì)算[1]，其對(duì)工程投資會(huì)產(chǎn)生直接影響。現(xiàn)行的基本做法主要是基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)及鉆孔數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型[2]，并基于三維地質(zhì)模型進(jìn)行空間計(jì)算，得出土石方的數(shù)據(jù)[3]。三維地質(zhì)模型[4]數(shù)據(jù)源之一的鉆孔數(shù)據(jù)，主要是由地質(zhì)勘察方提供的CAD格式，而地層信息的提取是建立地質(zhì)模型的基礎(chǔ)工作，而地質(zhì)勘察鉆孔信息點(diǎn)多、面廣、量大，給地質(zhì)信息整理工作帶來較大困難[5]。傳統(tǒng)的地層信息提取方法是人工對(duì)照CAD圖紙，對(duì)各個(gè)標(biāo)注的地層信息逐一錄入，每一個(gè)地層點(diǎn)的信息類別在5個(gè)以上字段，一個(gè)項(xiàng)目需提取上千個(gè)地層點(diǎn)，而有些地層點(diǎn)還需進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，如高程坐標(biāo)的差值計(jì)算和平面坐標(biāo)的幾何計(jì)算，工作量十分龐大，且手算極易出錯(cuò)。地層信息提取準(zhǔn)確與否、提取周期長短成為制約建模精度和建模周期的一個(gè)重要因素，如何將這些地層信息準(zhǔn)確、快速地提取出來也成為地質(zhì)建模工作亟待解決的問題[6]。

為解決上述問題，本文提出一種基于AutoCAD平臺(tái)[7]的地層信息自動(dòng)提取方法，通過對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的全面分析，在AutoCAD平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種格式鉆孔數(shù)據(jù)的完整提取，并與數(shù)據(jù)庫對(duì)接。該方法不僅可以提高工作效率，還對(duì)提取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供有力保障，為在地層信息整理階段進(jìn)行數(shù)據(jù)提取提供一種科學(xué)、便利、有效的途徑。

1 研發(fā)思路

1.1 AutoCAD二次開發(fā)環(huán)境

AutoCAD不僅是一個(gè)主流的繪圖工具，還是一個(gè)具有高度開放式工作結(jié)構(gòu)的開發(fā)平臺(tái)，可通過其自身編程模塊與相關(guān)接口實(shí)現(xiàn)自定義功能。AutoCAD平臺(tái)的二次開發(fā)環(huán)境主要有4種：Visual LISP、VBA、ObjectARX和.NET。AutoCAD平臺(tái)自身帶有的VBA宏語言是微軟開發(fā)出來在相應(yīng)桌面應(yīng)用程序中執(zhí)行通用的自動(dòng)化(OLE)任務(wù)的編程語言，具有功能強(qiáng)大、適應(yīng)性強(qiáng)、開發(fā)速度快等特點(diǎn)。因此，本文選用VBA為開發(fā)環(huán)境[8]。

1.2 實(shí)現(xiàn)流程

基于AutoCAD平臺(tái)的二次開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 基于AutoCAD平臺(tái)的二次開發(fā)流程示意圖

本文以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)地層信息的自動(dòng)化搜索與提取為目標(biāo)，進(jìn)行地層信息自動(dòng)提取方法研究，其思路為：

首先，構(gòu)建一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的信息循環(huán)搜索模型。該模型一方面描述了地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)中各個(gè)信息要素的相互位置關(guān)系；另一方面為范圍信息搜索模型的建立提供必要的介質(zhì)條件。

其次，建立獨(dú)立的范圍信息搜索模型。范圍信息搜索模型是實(shí)現(xiàn)地層信息自動(dòng)化搜索與提取最直接的對(duì)象平臺(tái)。建立該模型需要針對(duì)既定的地質(zhì)勘察報(bào)告圖紙，根據(jù)特定信息的提取要求建立相應(yīng)邊界條件。

最后，將搜索結(jié)果納入數(shù)據(jù)庫，即完成地層信息的提取。

2 模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)邏輯模型

建立地層信息自動(dòng)提取數(shù)學(xué)邏輯模型，目標(biāo)函數(shù)為opt(Pm，Am，X(p1，p2，…，pn))，其中：

(1)

式中：Pm表示工作周期，其中，T表示工作工具；Am表示數(shù)據(jù)提取精度，其中，B表示模型中的邊界條件；X表示為提取數(shù)據(jù)所建立的模型，其中，X0表示全局搜索模型，Xr表示范圍搜索模型。

約束條件如下式所示：

(2)

式中：I表示地層信息自動(dòng)提取模型內(nèi)部環(huán)境約束，即搜索邊界條件，主要包括：各地層信息要素的相對(duì)位置M、高程坐標(biāo)和平面坐標(biāo)的計(jì)算參數(shù)R和用于區(qū)別不同圖紙的特定單元搜索圖元H；O表示地層信息自動(dòng)提取模型外部環(huán)境約束，主要包括：單元模型搜索范圍約束U、搜索對(duì)象數(shù)量約束Q和其他約束E。

2.2 模型間作用機(jī)制

信息循環(huán)搜索模型主要承擔(dān)尋找單元搜索模型和判斷搜索節(jié)點(diǎn)的工作，它為范圍信息搜索工作提供一次性的搜索框架；范圍信息搜索模型主要承擔(dān)目標(biāo)信息圖元的搜尋、識(shí)別和信息數(shù)據(jù)的提取工作，該模型具有高度的差異性，即每一類信息圖元的搜尋與識(shí)別方法都是獨(dú)立并固定的。

地層信息搜索與提取的關(guān)鍵步驟之一就是上述兩個(gè)模型之間的作用方式，通過信息循環(huán)搜索模型和范圍信息搜索模型的不斷相互協(xié)調(diào)與反饋，使模型目標(biāo)逐步收斂。信息循環(huán)搜索模型和范圍信息搜索模型之間的作用機(jī)制如圖2所示。

圖2 模型間作用機(jī)制示意圖

3 研究方法

地質(zhì)勘察方提供的地質(zhì)勘察報(bào)告分為兩種類型：鉆孔柱狀圖和工程地質(zhì)剖面圖，如表1和圖3所示。根據(jù)建立的信息自動(dòng)提取模型，分別對(duì)上述兩種類型的地層信息提取方法進(jìn)行研究。

表1 鉆孔柱狀圖示意圖

圖3 工程地質(zhì)剖面圖示意

3.1 鉆孔柱狀圖地層信息提取方法

鉆孔柱狀圖的格式相對(duì)統(tǒng)一，版式規(guī)整，因此采用統(tǒng)一的相對(duì)位置搜索與提取方法對(duì)地層信息進(jìn)行全局提取，具體方法如圖4所示。

圖4 鉆孔柱狀圖地層信息提取方法示意圖

第一步：建立搜索邊界條件

1)定義搜索的基點(diǎn)字段；

2)定義孔號(hào)、孔口標(biāo)高、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)的值對(duì)基點(diǎn)字段的相對(duì)位置；

3)建立數(shù)組，定義層號(hào)、層底標(biāo)高、層底深度、分層厚度的值的搜索范圍；

4)定義一個(gè)鉆孔柱狀圖的絕對(duì)大小。

第二步：進(jìn)行全局搜索

1)搜索基點(diǎn)字段；

2)按照邊界條件中定義的相對(duì)位置依次提取定義孔號(hào)、孔口標(biāo)高、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、層號(hào)、層底標(biāo)高、層底深度、分層厚度的值，進(jìn)入數(shù)組；

3)判斷是否為最后一個(gè)表，若否，返回1)步驟循環(huán)；若是，退出循環(huán)。

第三步：搜索結(jié)果導(dǎo)出

與Excel關(guān)聯(lián)，將搜索的結(jié)果數(shù)組全部導(dǎo)出至Excel表中。

3.2 工程地質(zhì)剖面圖地層信息提取方法

3.2.1 孔上地層信息提取方法

經(jīng)分析，工程地質(zhì)剖面圖格式較統(tǒng)一，但版式不太規(guī)整，采用非統(tǒng)一的相對(duì)位置提取方法對(duì)地層信息進(jìn)行全局提取，具體方法如圖5所示。

圖5 工程地質(zhì)剖面圖孔上地層信息提取方法示意圖

第一步：建立搜索邊界條件

1)定義搜索的基點(diǎn)字段；

2)定義孔口位置、孔號(hào)、孔口標(biāo)高的值對(duì)基點(diǎn)字段的相對(duì)位置；

3)建立數(shù)組，定義鉆孔上地質(zhì)分層點(diǎn)的搜索范圍；

4)建立數(shù)組，定義層底標(biāo)高相對(duì)地質(zhì)分層點(diǎn)的搜索范圍；

5)定義一個(gè)工程地質(zhì)剖面圖的絕對(duì)大小。

第二步：進(jìn)行全局搜索

1)搜索基點(diǎn)字段；

2)按照邊界條件中定義的相對(duì)位置依次提取定義孔號(hào)、孔口標(biāo)高、層底標(biāo)高，進(jìn)入數(shù)組；

3)判斷是否為最后一個(gè)表，若否，返回1)步驟；若是，退出循環(huán)。

第三步：搜索結(jié)果導(dǎo)出

與Excel關(guān)聯(lián)，將搜索的結(jié)果數(shù)組全部導(dǎo)出至Excel表中，其中層底深度、分層厚度的值由孔口標(biāo)高和層底標(biāo)高計(jì)算得來。

3.2.2 孔間地層信息提取方法

為適應(yīng)精細(xì)化建模的要求，建立地質(zhì)模型不僅需要鉆孔上的地層信息，也需要鉆孔之間的地層信息。而鉆孔之間的地層信息無法直接提取，需要先判斷是否是需要提取的地層分界點(diǎn)，若是，則進(jìn)行兩種坐標(biāo)計(jì)算，一是高程坐標(biāo)的差值計(jì)算，二是平面坐標(biāo)的幾何計(jì)算。

工程地質(zhì)剖面圖孔間地層信息坐標(biāo)計(jì)算方法示意圖如圖6所示。

圖6 工程地質(zhì)剖面圖孔間地層信息坐標(biāo)計(jì)算方法示意圖

3.2.3 自動(dòng)糾錯(cuò)方法

地質(zhì)勘查報(bào)告中通常會(huì)有繪圖錯(cuò)誤，主要為鉆孔之間的兩個(gè)或多個(gè)地層分界線未相交，而未相交的點(diǎn)無法從后臺(tái)程序提出。為解決該問題，在范圍信息搜索模型中以8個(gè)邊界條件建立容差，來找出并糾正繪圖錯(cuò)誤。具體步驟如下：

1)根據(jù)線條角度判斷是鉆孔樁線還是地質(zhì)層線；

2)根據(jù)地質(zhì)層線的頂點(diǎn)判斷地質(zhì)層線是否與鉆孔樁線相交；

3)若相交提取交點(diǎn)，若不相交則延長地質(zhì)層線至鉆孔樁線，提取交點(diǎn)；

4)判斷地質(zhì)層線是否為正確繪圖線；

5)提取地質(zhì)層正確繪圖線；

6)判斷地質(zhì)層線端點(diǎn)兩側(cè)是否有對(duì)應(yīng)的地質(zhì)層信息；

7)拾取有對(duì)應(yīng)地質(zhì)層信息的地質(zhì)層線；

8)重復(fù)以上步驟進(jìn)行二次過濾。

3.3 地層信息自動(dòng)提取流程

地層信息自動(dòng)提取流程如圖7所示。

圖7 地層信息自動(dòng)提取流程

4 模塊功能

地層信息自動(dòng)提取模塊有如下功能：

1)自動(dòng)提取鉆孔柱狀圖地層信息，包括孔號(hào)、孔口標(biāo)高、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、層號(hào)、層底標(biāo)高、層底深度、分層厚度等信息。

2)自動(dòng)提取工程地質(zhì)剖面圖中各鉆孔上的地層信息，包括孔號(hào)、孔口標(biāo)高、層底標(biāo)高、層底深度、分層厚度等信息。

3)自動(dòng)提取工程地質(zhì)剖面圖中各鉆孔之間的地層信息，包括分層點(diǎn)位置(即兩鉆孔的孔號(hào))、層底標(biāo)高、層底深度、分層厚度等信息。

4)對(duì)工程地質(zhì)剖面圖中的繪圖錯(cuò)誤進(jìn)行自動(dòng)糾錯(cuò)。

5 模塊應(yīng)用

將本模塊的研發(fā)成果應(yīng)用于某工程中，得到地層信息提取成果如表2、表3所示。與傳統(tǒng)人工判讀結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明利用本文所述方法提取的地層信息更完整、準(zhǔn)確。

表2 地層信息提取成果(孔上)

表3 地層信息提取成果(孔間)

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于AutoCAD二次開發(fā)的地層信息自動(dòng)提取方法，該方法克服了傳統(tǒng)提取方法精度低、周期長的不足，并為科學(xué)建立地質(zhì)模型提供了有效的技術(shù)支持?；谠摲椒?，進(jìn)行了地層信息自動(dòng)提取模塊的研發(fā)。該模塊在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用已取得了良好的應(yīng)用效果，驗(yàn)證了上述方法的優(yōu)越性。