張 震，馬安青，焦俊超

（中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100）

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路的建設(shè)步伐和規(guī)模都迅速展開(kāi)，高速公路建設(shè)中的工程地質(zhì)信息在深度和廣度上都已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)大的規(guī)模，積累了大量的成果資料［1］。有效管理和利用這些成果資料對(duì)于減少重復(fù)工作進(jìn)而降低工程建設(shè)早期的勘察成本、實(shí)現(xiàn)節(jié)約型建設(shè)具有重要意義。工程地質(zhì)信息涉及到的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既有空間數(shù)據(jù)，又有屬性數(shù)據(jù)［2］，傳統(tǒng)信息管理系統(tǒng)已無(wú)法實(shí)現(xiàn)在空間地理信息基礎(chǔ)上的管理和分析功能。近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS）可以對(duì)地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，并具有強(qiáng)大的空間分析能力，目前已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)領(lǐng)域［3－5］。

ArcGIS是ESRI（美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所）推出的一套完整的GIS軟件產(chǎn)品，具有海量空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、編輯、分析等功能。通過(guò)它提供的ArcGIS Engine組件庫(kù)可創(chuàng)建完全脫離ArcGIS Desktop而運(yùn)行的GIS應(yīng)用程序，并且具有良好的系統(tǒng)集成性［6］。根據(jù)GIS的這些特點(diǎn)，本研究以ArcGIS Engine為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以山東省為例，在對(duì)山東省工程地質(zhì)資料整理、歸類的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了山東省高速公路工程地質(zhì)信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路工程地質(zhì)資料的查詢和管理，還實(shí)現(xiàn)了工程勘察信息中的鉆孔柱狀圖和剖面圖的自動(dòng)生成，并根據(jù)山東省不同功能地質(zhì)分區(qū)和地形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了公路沿線地基承載力和土石方開(kāi)挖量的自動(dòng)計(jì)算分析以及電子沙盤(pán)飛行觀測(cè)功能，從而為高速公路地質(zhì)信息管理、工程規(guī)劃決策提供可靠依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

系統(tǒng)以3S（即：遙感技術(shù)“Remote Sensing RS”、GIS、全球定位系統(tǒng)“Global Positioning System GPS”）技術(shù)為核心，采用所采集的鉆孔數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、巖性數(shù)據(jù)、地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、高速公路數(shù)據(jù)、地質(zhì)分區(qū)圖等數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過(guò)GIS系統(tǒng)對(duì)已有高速公路沿線的工程地質(zhì)資料進(jìn)行查詢、管理，并可輸入新資料以豐富現(xiàn)有資料。同時(shí)在選線設(shè)計(jì)階段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擬建高速公路沿線地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層、地貌、地表水、第四系地層以及不良地質(zhì)現(xiàn)象資料的查詢、分析以及沿線地形的三維瀏覽，并自動(dòng)根據(jù)設(shè)計(jì)線路所經(jīng)過(guò)的工程分區(qū)和地形分布確定地基承載力以及土石方開(kāi)挖量，同時(shí)又能根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)信息自動(dòng)繪制柱狀圖和剖面圖，為高速公路的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料和可靠依據(jù)。

1.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)采用原型法和面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)方法，充分考慮系統(tǒng)的完整性、靈活性、可擴(kuò)展性和安全性，基于 Visual Studio.net平臺(tái)上的 Visual Basic.NET語(yǔ)言和 ArcGIS Engine9.3進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Visual Basic.NET是一種功能強(qiáng)大的可視化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能，利用ADO.NET數(shù)據(jù)訪問(wèn)模型可以快速訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

考慮到時(shí)間要求、安全要求和開(kāi)發(fā)成本等因素，系統(tǒng)選擇Access作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。Access是Microsoft公司研發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，能滿足小型客戶／服務(wù)器解決方案的要求，組建客戶／服務(wù)器的應(yīng)用系統(tǒng)，幾乎包含了數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域的所有技術(shù)和內(nèi)容，而且它能與Visual Basic.NET實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合。

1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三層：數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)了大量的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分；邏輯層主要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯和與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互，是系統(tǒng)架構(gòu)中體現(xiàn)核心價(jià)值的部分；應(yīng)用層是系統(tǒng)的表現(xiàn)部分，實(shí)現(xiàn)直接與客戶交互。本系統(tǒng)提供文件管理、地圖工具、數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計(jì)、鉆孔柱狀圖和剖面圖生成、土石方量計(jì)算、地基承載力確定、電子沙盤(pán)、圖形編輯輸出、系統(tǒng)管理及維護(hù)、系統(tǒng)使用幫助等模塊。3層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的靈活性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性等重要特點(diǎn)，滿足綜合的發(fā)展趨勢(shì)，符合本系統(tǒng)的要求。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

空間數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)主要包括山東省行政區(qū)劃圖、山東省地質(zhì)構(gòu)造圖、山東省水文地質(zhì)圖、山東省巖性分布圖、山東省高速公路圖、山東省地質(zhì)災(zāi)害圖、山東省第四系地層圖、鉆孔空間分布圖。這些數(shù)據(jù)在ArcGIS 9.3軟件的ArcMap中進(jìn)行圖層處理與矢量化、圖形數(shù)據(jù)編輯、拓?fù)潢P(guān)系檢查、坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等工作，最后以ShapeFile格式存儲(chǔ)，以便于數(shù)據(jù)管理與查詢處理等工作。柵格數(shù)據(jù)包括山東省DEM圖、山東省遙感影像等，通過(guò)ArcMap的合成、配準(zhǔn)和裁剪等處理后存儲(chǔ)。

2.2 屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

屬性數(shù)據(jù)以兩種形式儲(chǔ)存：一是通過(guò)ArcGIS軟件內(nèi)置的圖層屬性表存儲(chǔ)，以＊.dbf格式存在，該存儲(chǔ)方式主要存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)的要素信息以及相關(guān)對(duì)象的描述；二是通過(guò)外接的Access數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，此種存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)了大量的鉆孔數(shù)據(jù)、土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)貫入數(shù)據(jù)等大量的工程地質(zhì)勘查資料，是屬性數(shù)據(jù)的主要存儲(chǔ)方式。以Access數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)ADO.NET技術(shù)在DataGridView中顯示，并提供將常用數(shù)據(jù)文件（如Excel表格、文本文件）導(dǎo)入到Access數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，方便了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

2.3 空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)是通過(guò)統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)碼連接的。在本系統(tǒng)中，Access數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表都是有關(guān)鉆孔的數(shù)據(jù)信息，在建立連接時(shí)只需把Access數(shù)據(jù)庫(kù)與鉆孔空間分布點(diǎn)狀圖層關(guān)聯(lián)起來(lái)，選用鉆孔號(hào)作為二者共同的標(biāo)識(shí)碼。在鉆孔空間分布點(diǎn)狀圖層的內(nèi)置屬性表中添加鉆孔號(hào)為屬性字段，然后通過(guò)該屬性字段與外部Access數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表建立連接。利用這種連接方式，不但有助于解決大量屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題，而且有利于提高屬性數(shù)據(jù)查詢的速度。

3 應(yīng)用功能開(kāi)發(fā)

3.1 鉆孔柱狀圖和剖面圖的自動(dòng)生成

鉆孔柱狀圖和剖面圖的繪制是系統(tǒng)通過(guò)讀取系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中的鉆孔數(shù)據(jù)信息自動(dòng)繪制而成的。鉆孔柱狀圖包括層號(hào)、層底標(biāo)高、層底深度、分層厚度、柱狀圖、巖性描述、標(biāo)貫深度、標(biāo)貫擊數(shù)等內(nèi)容，鉆孔柱狀圖的繪制就是把這些內(nèi)容全部繪制出來(lái)。通過(guò)分析鉆孔柱狀圖的構(gòu)成，把鉆孔柱狀圖分解為文本、線、矩形等要素，通過(guò)這些要素的組合顯示在地圖布局控件（PageLayoutControl）上。具體步驟是：首先利用線要素繪制出柱狀圖的表格部分，通過(guò)讀取鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)中分層信息，確定層數(shù)，再根據(jù)分層厚度確定每一層在圖中的高度自動(dòng)繪制出來(lái)一張表格，然后只要把柱狀圖符號(hào)和文字進(jìn)行填充進(jìn)去即可。其中柱狀圖符號(hào)使用ArcMap中的Style Manager模塊繪制并命名保存為geology符號(hào)庫(kù)里。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)獲得當(dāng)前層的巖性名稱后自動(dòng)調(diào)用geology符號(hào)庫(kù)里對(duì)應(yīng)的符號(hào)填充當(dāng)前層所在的單元格，同時(shí)把文字也自動(dòng)填充進(jìn)去。文字的大小則通過(guò)單元格的大小控制，最終鉆孔柱狀圖的效果如圖2所示。

剖面圖與柱狀圖類似，也是通過(guò)線、文本、多邊形等要素的組合最后顯示在地圖布局控件（PageLayout－Control）上。剖面圖繪制的關(guān)鍵就是如何進(jìn)行剖面圖線的連接。具體方法是：系統(tǒng)通過(guò)讀取鉆孔點(diǎn)的空間和屬性信息，確定鉆孔柱所在的位置以及長(zhǎng)度，各土層的位置也由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)高數(shù)據(jù)確定，然后要做的就是剖面線的自動(dòng)連接，其流程（見(jiàn)圖3）如下：

圖2 鉆孔柱狀圖Fig.2 The bore histogram

圖3 鉆孔剖面線自動(dòng)連線流程圖Fig.3 The profile line to be automatic connection flow chart

圖4 工程地質(zhì)剖面圖Fig.4 The engineering geologic profile

從第一個(gè)鉆孔開(kāi)始循環(huán)，每一次循環(huán)都需要2個(gè)鉆孔，剖面線實(shí)際上就是兩兩鉆孔進(jìn)行連線。（1）2個(gè)鉆孔首先頂端相連。（2）2個(gè)鉆孔分別從第一土層開(kāi)始進(jìn)行巖性判斷，如果巖性相同，2個(gè)鉆孔的對(duì)應(yīng)土層底端相連，下一循環(huán)兩鉆孔分別進(jìn)行到下一土層；如果巖性不相同，上1個(gè)鉆孔的對(duì)應(yīng)土層的底端與下一鉆孔對(duì)應(yīng)土層的頂端連線，下一循環(huán)上一鉆孔進(jìn)行到下一土層，下一鉆孔仍是該土層。（3）上述循環(huán)到上1個(gè)鉆孔的最后1個(gè)土層結(jié)束，如果此時(shí)下一鉆孔還有土層底端未參與連線，這些層的底端均與第一鉆孔底端連接。（4）連線完成后根據(jù)連線確定的四邊形填充對(duì)應(yīng)的巖性符號(hào)，最后效果如圖4所示。

3.2 土石方量的計(jì)算

土石方量的計(jì)算對(duì)工程費(fèi)用概算，方案選優(yōu)以及施工進(jìn)度的控制都能提供可靠依據(jù)。土石方量的計(jì)算就是確定同一地塊在填或挖前后的工程土方量。傳統(tǒng)土石方量的計(jì)算是采用格網(wǎng)法，而格網(wǎng)本身是由地面離散點(diǎn)通過(guò)插值得到的，所以精度無(wú)法保證［7］。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以直接利用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM）遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行土石方量的計(jì)算［8］。本研究利用山東省DEM遙感數(shù)據(jù)通過(guò)ArcGIS強(qiáng)大的空間分析能力進(jìn)行土石方量的計(jì)算，具體流程見(jiàn)圖5。首先根據(jù)帶地理坐標(biāo)和設(shè)計(jì)高程的縱斷面數(shù)據(jù)生成帶高程屬性的線狀shapeFile文件；然后輸入路寬，以路寬的一半為緩沖半徑生成緩沖面狀shapeFile，用此面狀shapeFile去裁剪山東省DEM圖得到原始柵格數(shù)據(jù)（beforeGeoDataset），并將面狀shape－File柵格化為新建柵格數(shù)據(jù)（afterGeoDataset），最后通過(guò)ArcEngine提供的IsurfaceOp接口中的CutFill（before－GeoDataset，afterGeoDataset，zFactor）方法生成填挖方柵格圖，再通過(guò)其屬性表利用IstatisticsResults計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果挖方量和填方量。

圖5 土石方量計(jì)算流程圖Fig.5 The calculation of earth volume flow chart

系統(tǒng)分別對(duì)省道208煙海線北段數(shù)據(jù)和省道209段數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果與后期初步設(shè)計(jì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出利用系統(tǒng)得出的結(jié)果與后期初步設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果是相近的，誤差滿足不大于10%的要求。

3.3 地基承載力的確定

系統(tǒng)根據(jù)單紅仙、陳勇等［9］所確定的山東省各研究亞區(qū)利用靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)確定土體承載力的經(jīng)驗(yàn)公式，利用VB.net開(kāi)發(fā)了地基承載力計(jì)算模型，用戶點(diǎn)擊查看未知點(diǎn)的地基承載力只需要輸入計(jì)算方法和其需要的計(jì)算參數(shù)（見(jiàn)表2），系統(tǒng)通過(guò)山東省地質(zhì)背景圖判斷其所在的研究亞區(qū)和巖性，然后直接代入經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。例如使用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的方法計(jì)算某鉆孔的地基承載力，用戶只需要用鼠標(biāo)在屏幕上點(diǎn)擊該點(diǎn)，然后在彈出的對(duì)話框中輸入表2對(duì)應(yīng)的參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)鉆孔所在研究亞區(qū)選取相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

表1 數(shù)據(jù)對(duì)比分析Table 1 The data comparative analysis

表2 地基承載力計(jì)算參數(shù)Table 2 The calculation parameters of the bearing capacity of foundation soil

3.4 電子沙盤(pán)

電子沙盤(pán)是以傳統(tǒng)沙盤(pán)堆制理論為依據(jù)，以地理信息數(shù)據(jù)作為形成地形的基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，自動(dòng)生成的形象逼真的地形立體透視圖。電子沙盤(pán)克服了傳統(tǒng)沙盤(pán)構(gòu)制速度慢，占地面積大，攜帶不方便，表現(xiàn)內(nèi)容單調(diào)且更新成本高等特點(diǎn)，己經(jīng)在城市建設(shè)、土地規(guī)劃、防汛指揮、工程施工、通信網(wǎng)絡(luò)、城市仿真等等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［10］。將數(shù)字高程模型和遙感影像圖導(dǎo)入到三維可視化平臺(tái)，完成兩種數(shù)據(jù)的疊加顯示，便可真實(shí)再現(xiàn)三維地形特征與地理要素。本系統(tǒng)采用ArcSence為三維可視化平臺(tái)，將山東省DEM圖與山東省遙感影像圖按著一定的原則經(jīng)行疊加構(gòu)成山東省三維地形圖，然后在Visual Studio.net平臺(tái)上利用ArcEngine組件開(kāi)發(fā)電子沙盤(pán)子系統(tǒng)（見(jiàn)圖6）。系統(tǒng)具有三維瀏覽、屬性查詢、按指定路徑飛行虛擬模擬、動(dòng)畫(huà)輸出等功能，為觀察者提供可供反復(fù)使用的真實(shí)、客觀、信息連續(xù)的宏觀分析地形、坡度、坡向、河流、水庫(kù)、城鎮(zhèn)及其它公路建設(shè)敏感環(huán)境要素分布情況。

4 結(jié)語(yǔ)

山東省高速公路工程地質(zhì)信息查詢系統(tǒng)是基于Visual Studio.net開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合 ArcGIS Engine組件進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，它充分利用了GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和空間分析能力，對(duì)高速公路工程地質(zhì)信息資源進(jìn)行系統(tǒng)管理和綜合利用。系統(tǒng)建立了空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了圖形與數(shù)據(jù)的結(jié)合，并根據(jù)需要進(jìn)行圖形與相關(guān)屬性信息的編輯、更新與聯(lián)動(dòng)查詢，為山東省高速公路的工程地質(zhì)信息管理和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；系統(tǒng)利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的鉆孔信息自動(dòng)生成鉆孔柱狀圖和剖面圖，減少了工程地質(zhì)人員的工作量，提高了工作效率；系統(tǒng)利用GIS強(qiáng)大的空間分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了擬建公路沿線地質(zhì)信息的收集和土石方量的自動(dòng)計(jì)算，為工程施工方案的確定提供科學(xué)依據(jù)；系統(tǒng)通過(guò)收集大量資料和試驗(yàn)的總結(jié)，建立了地基承載力計(jì)算模型，用戶只需按著提示輸入一定的參數(shù)即可進(jìn)行未知點(diǎn)的地基承載力計(jì)算，為高速公路的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用；系統(tǒng)還提供電子沙盤(pán)虛擬觀測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)了擬建公路沿線地理景觀三維飛行虛擬模擬，為觀測(cè)者提供高速公路沿線地物的宏觀分析。

圖6 電子沙盤(pán)系統(tǒng)Fig.6 The electronic sand table system

［1］ 馬安青，單紅仙，賈永剛，等.基于VB的山東省高速公路工程地質(zhì)信息查詢系統(tǒng)的建立［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2005，20（6）：620－624.

［2］ 朱發(fā)華，賀懷建，劉強(qiáng).基于GIS的工程地質(zhì)信息管理與三維可視化［J］.巖土力學(xué)，2009，30（S2）：404－413.

［3］ 張映雪，黃利芒.GIS技術(shù)在公路建設(shè)管理中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004，17（1）：90－93.

［4］ 包世泰，夏斌，蔣鵬，等.基于GIS的地質(zhì)勘察信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.地理與地理信息科學(xué)，2007，20（4）：31－35.

［5］ 胡婷.基于GIS的山東省高速公路工程地質(zhì)信息查詢系統(tǒng)［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2008.

［6］ 韓鵬，王泉，王鵬，等.地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)：ArcEngine方法［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

［7］ 陳黎陽(yáng).土方測(cè)量計(jì)算方法比較研究［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2010，33（5）：36－38.

［8］ 王先鵬，曹榮林.土方量計(jì)算的原理與方法及ArcGIS的應(yīng)用前景［J］.地理空間信息，2009，7（4）：139－141.

［9］ 陳勇.山東高速公路沿線區(qū)域地質(zhì)特征及典型地基土承載力確定研究［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2005.

［10］ 侯歡歡.基于ArcGIS的電子沙盤(pán)生成方法研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.