基于GIS的城市工程地质系列专题图编制方法研究

广东地质2007年3月GUANGDONGGEOLOGY第22卷基于GIS的城市工程地质系列专题图编制方法研究汤连生1张鹏程2，3廖化荣2（1中山大学地球科学系，广州510275；2中山大学应用力学与工程学系，广州510275；3广州市城市规划勘测设计研究院，广州510060）摘要从GIS的角度出发，详细介绍了城市工程地质勘察图如钻孔平面位置图、柱状图、剖面图、等值线图、工程地质分区图以及三维地层显示图等图件的编制方法及算法，在城市现有的工程地质勘察资料的基础上，探讨了城市环境工程地质图编制的原理、方法以及步骤，具有较强的工程实用性和可操作性，为城市地质调查过程中基础及专题图件的编制提供了重要的指导和借鉴。关键词GIS工程地质专题图方法GIS是一种具有采集空间数据,并存储、管理、分析与表现(制图输出)空间信息的计算机系统,采用GIS技术高效管理具有空间分布特征的工程地质原始数据及其制图输出成为可能。将GIS技术应用于工程地质信息管理和制图输出是近几年来工程地质勘察行业的热点和发展趋势。工程地质制图是地质勘察重要的信息输出和表现方式，也是工程地质用户最关心的功能。由于CAD注重图形表达、编辑能力强，而GIS注重图形和属性及其关系的管理。将GIS应用于工程地质制图，关键要实现分析应用结果或原始数据可视化表达与编辑，如复杂地层的填充、地质符号与线型表达、图面整饰、注记和页面输出等关键问题。此外，利用GIS强大的空间分析功能可实现各种地质专题图与城市土地布局利用规划地块的空间叠加，生成城市土地工程能力评价系列图件[1,2]。1工程地质勘察图件编制方法城市工程地质专题图包括钻孔平面位置图、钻孔柱状图、剖面图、等值线图（埋深、标高、厚度、地下水位等）、工程地质分区图或不良地质现象分布图、三维地层剖面图、以及其他城市其他专题图等。下面从GIS角度出发，详细介绍各专题图的编制方法。1.1钻孔平面位置图生成钻孔平面图是根据用户指定的工作范围线生成钻孔平面位置图，当用户输入工作范本文2006年11月收到。2广东地质第22卷围线时，根据成图比例尺，输出钻孔平面图。钻孔平面图的图面整饰要符合地质专业的要求，钻孔边要注记孔号、钻孔深度、孔口标高、地下水位埋深等，此外可叠加城市大比例尺基础地形图。具体方法如下：1）开始→2）用鼠标输入工作范围线→3）输入成图比例尺→4）获取钻孔坐标等信息→5）绘钻孔平面图→6）结束。1.2钻孔柱状图柱状图是根据钻孔分层、原位测试数据以相对规范的图表表现勘察点垂直方向上的地层分布及其岩土力学特征，包括钻孔柱状图、静力触探试验成果图、十字板剪切试验成果图、动力触探试验成果图等几种。生成柱状图是根据用户所选择的钻孔，访问钻孔数据库表，并分别获得钻孔所属工程的数据信息，以及钻孔基本数据、钻孔分层数据、岩土样数据、标贯试验数据，然后根据提取的数据自动生成钻孔柱状图，并通过图名和钻孔图形挂接，以方便柱状图的查询和管理。具体方法如下：1）开始→2）调用菜单“生成柱状图”命令→3）用鼠标选择钻孔→根据选择的钻孔，由数据库读取该钻孔对应的工程属性信息、钻孔基本数据、钻孔分层数据、岩土样数据及标贯实验数据→4）打开新图，确定图形路径和名称→5）计算出柱状图的合适比例，一般地层宽度为2cm，长度以A4纸为准→6）由比例尺及钻孔分层数据绘制柱状图→7）编辑、整饰并保存→结束。1.3地质剖面图工程地质剖面图是根据剖面线上所有钻孔的分层特征及原位试验数据，生成的垂直断面图件，它可直观地显示出场区某一方向上地层、构造、矿体变化和矿床成矿规律等[3]。生成剖面图是根据用户指定的钻孔生成剖面线，根据钻孔的分层数据，生成符合工程地质专业要求的地质剖面图，对所生成的剖面图生动挂接到相应的剖面线上。具体方法如下：1）开始→2）用户用鼠标选择钻孔→3）获取钻孔基本数据、分层数据等信息→4）重复第2）、3），直到需要的钻孔全部选完→5）根据2）、3）、4）获得的数据，绘出剖面线→6）建立新图形，并给定剖面图图名→7）建立剖面线与文件名的连接关系→8）根据钻孔的分层数据，计算相应的分层范围线→9）用图例符号填充分层范围线→10）标注孔号、层号、深度等数据→11）图面整饰→12）保存剖面图→13）结束。1.4等值线图等值线图是利用勘察孔分层数据得到某一地层的厚度、层底或层顶深度等特征，进行空间插值计算，生成特征值相等的连续的点，自动连成光滑的曲线,以表现地层的厚度、深度、标高等分布等情况。等值线图包括厚度、深度、标高等3大类。等值线图的生成需要一定的算法：用钻孔点作为三角形顶点，自动构成泰森多边形；在三角形边上根据顶面埋深或厚度内插等值点；寻找等值线起始点，追踪等值点；找出等值线上的合适部位注记等值线的值；连接等值点，用三点迭代（或五点迭代）方法光滑等值线。具体过程如下：1）开始→2）输入工作范围线，选定钻孔→3）选择岩土层类型及等值线第1期汤连生,等：基于GIS的城市工程地质系列专题图编制方法研究3类型→4）生成计算绘制等值线所需钻孔数据→5）计算绘制等值线→6）图形整饰→7）保存等值线图→8）结束。1.5工程地质分区图工程地质分区评价是对整备地块的工程适用性及其工程力学特征做出定性、定量的判断，目的在于为城市规划设计布局时对不同工程地质环境地段的开发、利用、保护和改造提供理想模式，为此，需逐一研究场地的工程地质条件和环境工程地质问题，划分区、段，再研究各区段的综合特征，评价不同区、段工程地质环境优劣及对主要工程类型的适宜程度。工程地质分区是一项复杂的智能化过程，首先应对该区影响建（构）筑工程基础选型和总造价的各要素进行综合分析，确定主次和分区的基本原则，再结合区域水文、地理背景特征，划分工程地质区、亚区、段；不同级别区段划分的依据和各因素之间的联系可人为确定，即主要因素并不是大区划分的根据，不能简单、机械地套用上述格式。工程地质分区说明表具有典型性和代表性，是对区段工程地质特征的综合评价，阐述地层结构特征、工程岩体类型、工程地质问题、结合建筑（构筑）工程岩土改良措施等。根据用户指定的闭合多边形及拟选用的概念模型，对有关参数加以具体量化，系统自动检索、识别钻孔信息资料，人工辅助生成区域工程地质综合分区图和区段工程地质特征说明。其中，工程地质分区概念模型的建立是工程地质分区图编制的重要前提，以广州市为例：广州市区范围以内地貌单元相对较简单，不同地貌单元反映不同的工程地质条件，是一级分区的主要依据；基岩岩性不同，工程岩体类型、工程地质特征存在显著差异，如：生物化学沉积石灰岩类，岩溶发育，孔洞结构复杂，地基稳定性差，不适宜建设重大建筑；岩浆岩（花岗岩）、变质岩类，差异风化明显，残积土层较厚，稳定中微风化基岩埋深较大，对基础选型、施工不利；碎屑岩类遍布广州市区，顶面埋深相对较浅，是较良好的地基持力层，但存在软硬互层结构现象；因此，基岩类型是亚区（二级分区）划分的主要依据，在单一地貌单元区则是一级分区的主要依据；基岩力学性质较好，是目前建筑（构筑）工程主要桩端持力层，顶面埋深、层面起伏状态及基岩上覆第四纪松软土层厚度、剖面结构类型直接影响基础选型、施工和造价，是工程地质地段（三级分区）划分的依据。1.6三维地层剖面图工程地质三维建模与可视化是应用计算机图形学和图像处理技术，是将工程地质勘测数据和工程地质岩土体力学数值模拟分析的计算结果转换为图形图像在计算机屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术[4,5]。复杂地质体中的各类地质信息都可以被看作是三维空间的函数，利用各种野外勘测数据分别建立相应的曲面拟合函数，进而利用计算机建立三维地质模型，逼真反映地质结构全貌，达到直观地表达地质信息的分布规律、提高对于地质规律的认识、指导地质工程项目的勘测施工的目的。因此，工程地质三维建模与可视化研究有其重要的理论和现实意义。开发地层三维模型显示软件需要解决以下3个关键问题：①空间地层数据的描述和表示方法；②地层模型的空间分布的预测；③如何利用三维显示技术进行图形的三维显示。空间地层数据的描述和表示：已有的地层数据记录仅有钻孔地层记录，钻孔之间出现的4广东地质第22卷层位，各层的厚度、埋深，需要预测。整个地层的数据就用网格化之后的数据来代表地层的数据，即用离散化之后的模型来代替选定的区块的地质模型。划分网格的原则是，网格不能过细，过细工作量大、占用内存大、处理速度慢；网络划分过大过粗精度不够，代表不了地层模型，同时网格还要方便数据的处理，并适应三维模型显示时读取数据的需要，同时要考虑能否完全代替地层模型。本系统采用的网格系统为：平面上采用规则的网格，X，Y方向分别采用等间距步长（如图），在纵向上采用不规则的网格划分；因规则网络占用的内存空间大，不利于三维模型的连接。纵向上按各层在纵向上出现的顺序进行排列、记录，每一个层都有一个顶深和一底深，一网络的四个角点在纵向上都划分为不同的层，各层均有一定的厚度和顶深及底深，四个角点纵上出现的各层及各层的厚度和深度不一定相同，那么预测选定区块的地层厚度和深厚就是据已知钻孔数据预测不同网格的角点在纵向上出现的层位顺序及各层厚度和深度，然后记录下这些地层数据，以便作三维地层显示时利用。地层模型的空间分布的预测：网格处的层出现及纵向上的分布顺序可以用最近的钻孔来代替，然后用虚拟钻孔来调整，先通过插值计算稳定层的深度，再计算负标识的层的深度，然后把第二遍求的值在尖灭处进行归一化，并作为信息点，再重新计算，得出最终数据模型，该过程涉及近点距离平方倒数加权算法、空间插值等算法。地层三维模型的显示：①面体的绘制，地层三维模型是由多个体和面组成的，只需把各网格相同的连接标识的多边形连接起来，就可以显示出地层的三维模型；②光照处理，给定顺时针的3个方向，然后做叉积运算，求得矢量便于该点的法向，P处法线向由周围4个面计算的法线的平均值，同时要给出光照模型和材料；③基坑和切面的绘制，通过计算多面体和切面形成的多边形，之后重画多边形即可以画出基坑和切面，需要用到平面方程和线与点的关系；④三维图形的旋转放大缩小，通过改变三维变换矩阵的值便可以实现图形的三维旋转和图形的放大。2环境工程地质图的编制及方法2.1概念、内容及目的城市环境工程地质图是全面、综合地表现研究区内环境工程地质条件的空间分布和环境工程地质问题预测与评价结果的主要形式,是编制合理的城市建设规划的主要根据之一。其目的有：①将环境工程地质的研究成果反映在图上,比较容易地建立起一个空间分布的概念,为城市的合理规划及工程建设的合理布局提供环境工程地质方面的科学依据；②将工程与环境相互作用产生的环境工程地质问题及分布状况准确地表现在图上,为城市工程地质环境的科学管理与保护提供依据。环境工程地质图有3种基本类型:①背景图，反映制图区域一般地形地貌因素与基本特征；②专题图，突出反映环境工程地质的某一、二个主要因素,借以反映要素的质量、数量特征和制图区域的地质特征的相互联系,以及反映那些与环境预测和评价有关的重要参数和成果；③综合图，反映城市环境工程地质各重大因素之间的相互联系和总貌,具有明确的工程目的和实用内容。第1期汤连生,等：基于GIS的城市工程地质系列专题图编制方法研究52.2编制方法及步骤(1)搜集基础图件与基础资料。环境工程地质编图是建立在工程地质分析基础上,充分搜集各类地质图、地质构造图、区域工程地质图、航卫片资料及城市工程地质勘察资料,建立包括各土层分布特征在内的城市地质环境的工程地质分析模型,即规律的认识是保证图系内容准确的关键。(2)野外调查。编图过程中对搞不清的工程地质问题,应进行必要的物化探、钻探及有关试验,同时,还要重视城市地貌的研究。(3)编制工程地质专题图。这是一些反映城市工程地质条件特点的各种专题图,是简单明了的方法来表达单一分类的岩土单元、地下水类型、地形、地球动力地质作用现象及其分布和变化以及在整个图幅面积上的性质,这些图件有钻孔平面图、柱状图、剖面图、等值线图等工程地质勘察图件。(4)编制环境工程地质预测图与评价图。在上述工作的基础上,进行环境工程地质预测图和评价图的编制