CN102103758B - 一种工程地质剖面图的计算机图形生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程地质剖面图的计算机图形生成方法。针对现有技术中对于较复杂的地层比对以及地层剖面线的连接主要依靠用户脑力分析与手工绘制的缺陷，本发明提供了一种利用计算机辅助实现的工程地质剖面图生成方法。本方法基于地层序列比对与Smith-Waterman序列比对算法两者的原理，在解决地层序列比对中地层相似度记分方法关键问题的基础上，具体采用Smith-Waterman算法解决地层序列比对的计算问题。本发明方法原理可靠，比对运算结果准确，并且能够很好解决地层缺失、尖灭、透镜体等特殊工况。由计算机直接生成工程地质剖面具有符合地质规律好、智能化、高效快速的特点，特别适用于工程领域的需要。

Description

一种工程地质剖面图的计算机图形生成方法

技术领域

本发明涉及一种工程地质剖面图生成方法，特别是涉及一种利用计算机辅助实现的工程地质剖面图生成方法，属于适用于特定功能的数字数据计算处理方法领域。

背景技术

工程地质剖面图是按一定的比例尺表示地质体在垂向剖面上的结构、构造及其相互关系的图件，是地质内容最基本的表示形式，其内容与精度关系到整个勘探成果的质量，直接影响到下一道工序。工程地质剖面图的制作工作量大、工作繁琐、重复过程多，目前多由计算机辅助完成。但当前业内主流的CAD系统仅能生成图框、图例和地质钻孔(或其它勘探手段的勘探点)等等，对于地层的比对以及地层剖面线的连接则主要依靠用户的脑力分析与手工绘制。部分CAD系统能对相对简单的剖面进行分析并产生正确的连层结果，但无法处理具有地层尖灭、透镜体等现象的复杂剖面。因此在计算机辅助的工程地质剖面图生成中，工程地质剖面图地层的自动连线一直是一个难以完全解决的技术问题，其根本问题在于现有计算机处理方法无法有效完成对地层信息的分析比对。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供利用计算机辅助实现的工程地质剖面图生成方法，该方法能够有效实现地层信息的分析比对，找出两个地层序列中的最优层样本匹配，并合理地连接地层剖面线。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种工程地质剖面图的计算机图形生成方法，首先在工程场地采集地层样本，其次根据工程场地相邻地点地层样本的地层序列比对找出比对地层序列中的最优地层样本匹配结果，再根据地层匹配结果绘制工程地质剖面图其特征在于：所述地层序列的比对采用Smith-Waterman序列比对算法。

上述方法中采用的Smith-Waterman序列比对算法是生物信息学中生物双序列比对算法中的基础算法。该算法本质是一种局部最优的动态规划算法，在识别局部相似性时，具有很高的灵敏度。双序列比对算法解决的技术问题是找出两条生物序列之间最大相似性匹配，可以简单地描述为把两条DNA或蛋白质序列上下罗列，然后依次比较它们在每一个位置上的相似情况，从而找出这两条序列间具有最大相似度的子序列片断。在工程地质剖面图的绘制中需要解决类似的序列比较问题——工程地质剖面图绘制的关键问题是如何进行地层剖面线的连接。在连接地层剖面线时，要根据钻孔地层是否是同一种地层决定剖面线如何连接。如果是相同地层，则把相同地层的顶(底)板相连接即构成地层剖面线，如果地层不相同，则在确定尖灭点后将尖灭点与尖灭层的顶(底)板相连构成地层剖面线。剖面线连接的基础便是通过不同地点的地层序列的比对寻找相同地层。进一步分析，在生物序列比对中，进行比对的两条生物序列是以其“同源性”为基础的，即原本相同的两条序列由于物种在漫长的进化过程中的变异使得两条序列间表现为整条序列之间的大体相似以及某些片段间的高度匹配性；在地层序列比对中，同一区域不同地点的两个地层序列其主沉积韵律一般是相同的，并且由于区域构造和沉积环境的变化，造成地层垂向序列普遍存在的等时变化，这使得同一区域或临近区域的地层序列也具有大体相似性以及某些片段间的高度匹配性。本技术方案正是基于生物序列比对与地层序列比对的共性，将一直都限于在生物信息学中生物序列比对的Smith-Waterman序列比对算法运用到工程地质剖面图的绘制中，用以解决地层序列比对算法的技术问题。

基于上述序列比对算法实施的钻孔地层序列间的匹配能够准确且方便地判断工程场地地层的连续与否，并能进一步根据工地质剖面线上相邻钻孔地层序列间的两两比对结果确定为地层尖灭或地层透镜体，由此能够很好地处理地质剖面图绘制中地层尖灭与透镜体等特殊工况。

尽管Smith-Waterman算法是专门针对双序列比对的计算方法，但是由于该算法的产生是针对于生物序列比对的需要，其应用也一直限于生物信息学中序列比对的领域，因此要把适用于生物序列比对的Smith-Waterman算法转用到工程地质剖面图的绘制中，还需要从地质领域的角度解决一些专业技术的问题。这些技术问题中最主要的是解决地层相似度的记分方法。Smith-Waterman算法主要分为计算得分矩阵与寻找最佳相似片段对两个步骤，第一个步骤需要首先解决包含需进行比对的地层序列中所有比对单位(即不同地层)在内的集合中任何元素或空符号两两之间的记分值。由于地层序列本身包含多项特征指标，比对的过程涉及到土层比对或岩层比对，不同比对过程中地层不同特征指标的重要性不同，因此需要首先确定不同比对过程参与比对记分的具体特征指标，及其具体记分值。同时还需要考虑地层尖灭、地层透镜体产生的空位的记分。另外，建立起的地层序列比对方法还需要实现与现有的地质工程常规软件、设备的衔接，以减少技术方案的应用成本。

上述方法可以按如下步骤实施：

步骤S1、钻孔采样：在工程场地现场按照勘察大纲用钻机钻孔采样，得到钻孔样本；步骤S2、建立钻孔数据库：建立钻孔数据库录入钻孔数据。钻孔数据包括钻孔坐标、分层信息、土层信息、室内和原位试验信息等必需反映在工程剖面上的信息，以及工程剖面线相关信息包括剖面线编号与剖面上的钻孔编号等；步骤S3、建立钻孔地层序列表：对每个钻孔样本的地层由上而下进行编号，相同的地层采用同样的编号，由此得到各钻孔的地层序列，以及包含所有在工程场地出现的地层的地层序列表；步骤S4、钻孔地层序列匹配：采用Smith-Waterman序列比对算法进行工程地质剖面线上两两相邻的两钻孔地层序列间的比对运算，得到两钻孔地层序列的最佳匹配，再依次进行工程地质剖面线上的所有相邻钻孔地层序列间的比对运算，得到工程地质剖面线上各个钻孔之间的地层最佳匹配序列；步骤S5、绘制工程地质剖面图：按照步骤S4得到的地层最佳匹配序列连接地层剖面线，并依制图规范完成工程地质剖面图中的所有信息标注。

上述方法中，步骤S3、建立钻孔地层序列表中，对每个钻孔样本的地层由上而下进行编号时可以采用3种方法之一：方法1，对每个钻孔样本地层从上至下连续编号，即①、②、③......；方法2，将土层、岩层分别连续编号，如土层1-1、1-2、1-3，岩层2-1、2-2、2-3；方法3，按土、石大类结合土层成因类型组合编号，如填土1、冲积粘土2-1、冲积粉质粘土2-2、冲积细砂2-3、残积可塑状粉质粘土3-1、残积硬塑状粉质粘土3-2，强风化花岗岩4-1、中等风化花岗岩4-2、微风花岗岩4-3。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)方法提供了工程地质剖面图绘制中地层序列比对的科学运算方法，比对运算结果准确，并且能够很好解决地层缺失、尖灭、透镜体等特殊工况；(2)由于地层序列的比对采用了数学运算方法，使得地层匹配的关键问题可以完成由计算机辅助完成，并且能够与业内常用软件系统无缝衔接，保证了工程地质剖面图的绘制可以通过计算机一体完成；(3)采用计算机运算生成图形使得工程地质剖面绘制工作具有符合地质规律好、智能化、高效快速的特点。

附图说明

图1是方法实施流程示意图。

图2是地层序列匹配的距离分数空间和选择匹配路径示例图。

图3是实施例一生成的工程地质剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1～图3所示，用本发明方法绘制某地工程场地工程地质剖面图，具体按照如下方案实施(图1所示为方法实施流程示意图)：

步骤S1、钻孔采样

在工程场地现场按照勘察大纲用XY-100型钻机钻孔采样，得到编号分别为BS269、BS270、BS271、BS272的四个钻孔样本。

步骤S2、建立钻孔数据库

采用业内常用的工程地质数据库管理信息系统软件建立钻孔数据库并录入钻孔数据，钻孔数据包括钻孔坐标、分层信息、土层信息、工程剖面线相关信息以及室内和原位试验信息等必需在反映工程剖面上的信息。

上述分层信息包括土层编号、层底深度等数据；土层信息包括地质时代、地质成因、土层名称、颜色、描述、湿度、可塑性、风化程度、破碎程度等数据；工程剖面线相关信息包括剖面线编号与该剖面上的钻孔编号等。

步骤S3、建立钻孔地层序列表

步骤S31、读取钻孔数据库

在AutoCAD中调用netload命令，加载采用C#在AutoCAD下编制的dll程序，首先读取步骤S2建立的钻孔数据库中工程剖面线相关信息，再依据钻孔编号读取对应的钻孔坐标、分层信息、土层信息、室内和原位试验等信息。

步骤S32、对钻孔样本地层编号

对每个钻孔样本的地层由上而下进行编号，相同的地层采用相同编号。按土、石大类结合土层成因类型组合编号，如填土1、冲积粘土2-1、冲积粉质粘土2-2、冲积细砂2-3、残积可塑状粉质粘土3-1、残积硬塑状粉质粘土3-2，强风化花岗岩4-1、中等风化花岗岩4-2、微风花岗岩4-3。编号后的钻孔地层序列再按照层序编号排序，层序编号＝主层编号×10+亚层编号，得到结果如表1所示钻孔地层序列表(示钻孔BS269、BS270)。

表1钻孔BS269、BS270地层序列表

步骤S33、获得钻孔地层序列表

遍历所有钻孔进行地层编号，由此得到各钻孔的地层序列，以及包含在工程场地出现的所有地层的集合即地层序列表，整理得到如表2所示的工程场地地层序列表。

表2工程场地地层序列表

步骤S4、钻孔地层序列匹配

采用Smith-Waterman序列比对算法进行工程地质剖面线上两两相邻的两钻孔地层序列间的匹配运算，得到钻孔地层序列间的最佳匹配结果。

步骤S41、生成各地层之间的记分矩阵

采用简单匹配距离(Simple matching distance)方法计算记分矩阵，采用式1计算记分矩阵ω(i，j)，得到表3所示记分矩阵。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}(i,j)=P\\ \mathrm{\ω}(i,j)=5\\ \mathrm{\ω}(i,-)=1\\ \mathrm{\ω}(-,j)=1\\ \mathrm{\ω}(-,-)=0\end{array}\right.$ 式1

式中，ω(i，j)——地层i与地层j的记分值；

P——在钻孔间土层比较中，P表示地质时代、地质成因、岩土名称、湿度、可塑性五项指标中相同的指标个数；在钻孔间岩层比较中，P表示地质时代、地质成因、岩土名称、风化程度、破碎程度五项指标中相同的指标个数；

如果地层i与地层j的编号相同，则ω(i，j)＝5；

“-”代表地层尖灭或透镜体时的空位，取记分值为1，两者都为空位取记分值为0。

表3地层序列记分矩阵ω(i，j)

	12	31	43	70	82	83	-
								12	5	1	1	2	0	0	0
31	1	5	1	1	0	0	0
								43	1	1	5	1	0	0	0
70	2	1	1	5	0	0	0
								82	0	0	0	0	5	1	0
83	0	0	0	0	1	5	0
								-	0	0	0	0	0	0	0

步骤S42、地层匹配运算

输入步骤S41得到的地层序列记分矩阵到Smith-Waterman算法中，依次输入工程地质剖面线上两两相邻的钻孔地层编号，依式2计算得分矩阵，得到如图2所示得分矩阵。

式2

式中，H(x，y)——两钻孔序列之间的得分矩阵；

i，j——地层层序编号；

m——第一钻孔的地层序列长度；

n——第二钻孔的地层序列长度；

ω(-，j_y)，ω(i_x，-)——地层尖灭或透镜体时得分值。

由得分矩阵中匹配路径逆序搜索得到两钻孔的匹配结果：

钻孔BS269地层层序编号＝[12][-][43][70][82][83]

钻孔BS270地层层序编号＝[12][31][43][-][82][83]

再依次进行工程地质剖面线上的所有相邻钻孔地层序列间的比对运算，得到工程地质剖面线上各个钻孔之间的地层最佳匹配序列。

步骤S5、绘制工程地质剖面图

步骤S51、连接地层连线

根据步骤S4得到匹配结果，采用C#驱动AutoCAD绘制地层[12][43][82][83]之间的地层连线。由于钻孔BS269地层序列中无地层[31]，所以确定地层[31]为尖灭或是透镜体，再根据钻孔BS270与BS271地层序列的比较结果，可以确定地层[31]为尖灭。由于地层[31]小于位于其后的地层[43]的地层序号且大于地层[12]的地层序号，因此采用左尖灭的处理方式。同理分析确定钻孔BS269中地层[70]采用右尖灭的处理方式。

步骤S52、完成工程地质剖面图

连接地质剖面线后，依工程地质制图规范完成工程地质剖面图中图框绘制以及其他细节部分，并以剖面线编号作为文件名保存，则生成相应的工程地质剖面图。生成的工程地质剖面图如图3所示。

实施例二

用本发明方法绘制某地工程场地工程地质剖面图，其与实施例一相同之处不再重复，其不同之处在于：

步骤S32、对钻孔样本地层编号

对每个钻孔样本的地层由上而下进行编号，相同的地层采用同样的编号。本实施例采用从上至下连续编号，即①、②、③......层。编号后的钻孔地层序列再按照地层编号大小进行排序得到钻孔地层序列表。

实施例三

用本发明方法绘制某地工程场地工程地质剖面图，其与实施例一相同之处不再重复，其不同之处在于：

步骤S32、对钻孔样本地层编号

对每个钻孔样本的地层由上而下进行编号，相同的地层采用同样的编号。本实施例采用将土层、岩层分别连续编号，如土层1-1、1-2、1-3，岩层2-1、2-2、2-3。

Claims (6)

1.一种工程地质剖面图的计算机图形生成方法，首先在工程场地采集地层样本，其次根据工程场地相邻地点地层样本的地层序列比对找出比对地层序列中的最优地层样本匹配结果，再根据地层匹配结果绘制工程地质剖面图其特征在于：所述地层序列的比对采用Smith–Waterman序列比对算法；Smith–Waterman序列比对采用式1计算记分矩阵ω(i,j)

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}(i,j)=P\\ \mathrm{\ω}(i,i)=5\\ \mathrm{\ω}(i,-)=1\\ \mathrm{\ω}(-,j)=1\\ \mathrm{\ω}(-,-)=0\end{array}\right.$ 式1

式中，ω(i,j)——地层i与地层j的记分值；

P——在钻孔间土层比较中，P表示地质时代、地质成因、岩土名称、湿度、可塑性五项指标相同的个数；在钻孔间岩层比较中，P表示地质时代、地质成因、岩土名称、风化程度、破碎程度五项指标相同的个数；

“—”——地层尖灭或透镜体时的空位；

依式2计算得分矩阵H(x,y)

式2

式中，H(x，y)——两钻孔序列之间的得分矩阵；

i,j——地层层序编号；

m——第一钻孔的地层序列长度；

n——第二钻孔的地层序列长度；

ω(-,j_y),ω(i_x,-)——地层尖灭或透镜体时得分值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：按照如下方案实施：

步骤S1、钻孔采样

在工程场地现场采样，得到钻孔样本；

步骤S2、建立钻孔数据库

建立钻孔数据库录入钻孔数据；

步骤S3、建立钻孔地层序列表

对每个钻孔样本的地层由上而下进行编号，相同的地层采用同样的编号，由此得到各钻孔的地层序列，以及包含在工程场地出现的所有地层的集合即地层序列表；

步骤S4、钻孔地层序列匹配

采用Smith–Waterman序列比对算法进行工程地质剖面线上两两相邻的钻孔地层序列间的比对运算，得到两钻孔地层序列的最佳匹配，再依次进行工程地质剖面线上的所有相邻钻孔地层序列间的比对运算，得到工程地质剖面线上各钻孔之间的地层最佳匹配序列；

步骤S5、绘制工程地质剖面图

按照步骤S4得到的地层最佳匹配序列连接地层剖面线，并依制图规范完成工程地质剖面图中的所有信息标注。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述地层由上而下编号的方法可以是如下三种方法之一：

方法一：对每个钻孔样本地层从上至下连续编号；

方法二：将土层、岩层分别连续编号；

方法三：按土、石大类结合土层成因类型组合编号。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S2、建立钻孔数据库中，钻孔数据包括钻孔坐标、分层信息、土层信息、室内和原位试验信息等必需反映在工程剖面上的信息，以及工程剖面线相关信息包括剖面线编号与剖面上的钻孔编号等；所述分层信息包括土层编号、层底深度等数据，所述土层信息包括地质时代、地质成因、土层名称、颜色、描述、湿度、可塑性、风化程度、破碎程度等数据。

5.根据权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于：所述地层序列间的比对运算通过在AutoCAD中调用netload命令加载采用C#在AutoCAD下编制的dll程序实现，工程地质剖面图由AutoCAD直接生成。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述钻孔数据库采用能够与AutoCAD配合使用的工程地质数据库管理信息系统软件建立。

Images