CN112270029A - 一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法 - Google Patents

一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，包括以下步骤：将地质横断面拆分为三类数字化信息进行存储；拆分相交叉的地层线、透镜体形式的地层线，使每条地层线上下都存储唯一的地层属性；初始化垂直方向相邻的地层线地质属性；按照地层线地质属性的完整性将地层线归为三类；对未包含完整地层属性的地层线进行地层信息的属性传递；重复以上步骤，直至所有的地层线包含完整的地质信息；求解开挖地层区域面积。本发明基于形成的数字化地质横断面，提供一种基于微积分思想和条分法的计算开挖设计线与地面线之间不同地质类型的土石方面积的方法。本发明解决了复杂地质横断面开挖土石方难以程序化计算的问题。

Description

一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法
技术领域
本发明属于铁路、公路、市政、轻轨等交通运输领域，具体涉及一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法。
背景技术
在铁路和公路工程设计中，地质横断面是计算开挖土石方的重要参考依据，一般根据不同开挖等级属性来计算各地层的土石方开挖面积，通过横断面开挖面积乘以线路长度计算工程的开挖土石方数量。所以，地质横断面的土石方开挖面积是土石方设计计算的重点工作。
地质横断面通常包含断面里程、断面中心位置及高程、地面线、地层线以及地层信息。计算地质横断面的土石方面积的传统方法有两种：一是人工量取每个开挖区域面积，缺点是需要大量手动操作，效率极低；二是通过拾取不同区域的边界点，以节点积分法求每一区域面积，缺点是对于包含交叉线、透镜体等复杂地层线的地质情况，难易获取不同开挖区域的边界点，无法实现程序化。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法。
本发明的技术方案是：一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，包括以下步骤：
A.将地质横断面拆分为三类数字化信息进行存储，三类数字化信息分别为地面线类、地层线类、地层信息文字类；
B.拆分相交叉的地层线、透镜体形式的地层线，使每条地层线上部和下部都能存储唯一的地层属性；
C.根据地层信息文字中的内容和平面坐标，初始化垂直方向相邻的地层线地质属性；
D.按照地层线地质属性的完整性将地层线归为三类，即地层线上部和下部包含完整地质属性、地层线上部或下部包含地质属性、地层线上部和下部均无地质属性；
E.根据地层线的竖向相对关系，对未包含完整地层属性的地层线进行地层信息的属性传递；
F.重复以上步骤D和步骤E，直至所有的地层线包含完整的地质信息；
G.采用条分法，求解设计底线与地面线之间的开挖地层区域面积。
更进一步的，步骤A中地质横断面是由里程、中心点位置、中心点高程和二维的地面线、地层线、地层文字信息组成。
更进一步的，所述地面线转化为二维坐标点集构成地面线类对象进行存储；所述地层线转化为二维坐标点集构成地层线类对象进行存储，地层线的上、下部地层属性均为空；所述地层文字信息转化为插入点、地层信息文字构成地层信息类对象。
更进一步的，步骤B中拆分相交叉的地层线、透镜体形式的地层线，拆分后的地层线除去起终点外均不与其他地层线相交叉，地层线的上部、下部均可赋予唯一的地层属性。
更进一步的，步骤C根据地层信息类对象的插入点、地层信息文字，初始化垂直方向相邻的地层线的地质属性。
更进一步的，步骤E中根据地层线的竖向相对关系，对未包含完整地层属性的地层线进行地层信息的属性传递，具体是利用已包含完整地层属性、包含上部或者下部地层属性的地层线对未包含完整地层属性的地层线进行地层信息的属性传递。
更进一步的，步骤F中所有的地层线包含完整的地质信息，则地质横断面的数字化解析结束。
更进一步的，步骤G中计算开挖设计线与地面线之间的不同地层的开挖面积，再对相同地质属性的面积进行求和，最终计算得出开挖设计线与地面线之间的开挖土石方面积。
本发明的有益效果如下：
本发明对于包含任意交叉线、封闭区的复杂的地质横断面，提供一种数字化解析方法，可以将复杂地层线拆分为独立的地层线集，并通过竖向射线扫描地层线的方式进行地层线地质信息的属性传递，为所有的地层线赋予完整的上部和下部地质属性，构成数字化地质横断面对象。
本发明基于形成的数字化地质横断面，提供一种基于微积分思想和条分法的计算开挖设计线与地面线之间不同地质类型的土石方面积的方法。
本发明可以针对交通运输领域如铁路、公路、市政、轻轨等复杂地质横断面，进行地层信息解析，进一步实现复杂地质横断面的开挖土石方自动程序化计算。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明中一个地质横断面的示意图；
图3为本发明中一个地质横断面的地层线拆分示意图；
图4为本发明中一个地质横断面的地层线地质属性初始化示意图；
图5为本发明的一个地质横断面的地层线地质信息属性传递示意图；
图6为本发明的一个地质横断面的地层解析后的所有地层线包含完整地层属性的示意图；
图7为本发明的一个地质横断面的地层解析后利用条分法计算开挖土石方面积的示意图；
图8为本发明的一个地质横断面的地层解析后开挖土石方面积结束的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1～8所示，一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，包括如下步骤：
步骤A，将地质横断面拆分为三类数字化信息进行存储，即地面线类、地层线类、地层信息类，具体的：
A1.地质横断面一般包含中心里程、中心点高程、地面线、地层线、地层文字信息，以中心点的坐标为原点(0，0)、中心点高程为参考值建立局部坐标系。
A2.在局部坐标系中，地面线转化为二维坐标点集{Pn(xn,yn)}，为地面线类GroClass，一个横断面包含一个地面线类对象。
A3.每条地层线以局部坐标系为参照，转化为二维坐标点集{Pn(xn,yn)}，地层线增加编号属性和两个地质属性：上部地质属性、下部地质属性(属性默认为空)，构成地层线类GeoClass，一个横断面包含若干个地层线类对象，构成地层线对象集合。
A4.地层信息为字符形式的属性信息，以局部坐标系为参照，每个地层信息包含插入点Pin(xo,yo)、地层信息字符，构成地层信息类TextClass，一个横断面包含若干个地层信息类对象。
步骤B，拆分相交叉的地层线、透镜体形式的地层线，使每条地层线上部和下部都能存储唯一的地层属性，具体的：
B1.对地层线类对象集合进行遍历，每条地层线对象进行是否与其他地层线相交的判断，根据判断结果进行地层线拆分。
B1-1.某地层线对象与集合中的其他每一个地层线对象分别进行相交判断，若相交且交点与该地层线的起点和终点不重叠，则存储交点，构成交点集合{Pc(xc,yc)}。
B1-2.假设交点集合{Pc(xc,yc)}的元素个数为n，利用交点集合将该地层线拆分为n+1个新的地层线对象，其编号重新编排，上部和下部的地质属性仍默认为空，将原地层线对象从集合中删除，n+1个新地层线对象加入。
B2.重复上述B1-1和B1-2，对所有的地层线对象进行拆分处理。
B3.将地面线作为一个特殊的地层线重复(B1-1)和(B1-2)进行拆分处理，依据地面线转化为n个地层线对象。
B4.若地层线对象的起终点闭合时，根据地层线中的水平坐标最大和最小的两个点，将透镜体形式的地层线拆分为上下两条独立的地层线对象，新的地层线对象加入地层线对象集合，删除透镜体形式的地层线。
步骤C，根据地层信息文字中的内容和平面坐标，初始化垂直方向相邻的地层线地质属性，具体的：
C1.过地层信息对象的插入点Pin(xo,yo)做射线，计算射线与所有地层线的交点集{Pc},根据交点的Y坐标从大到小对交点集{Pc}和插入点Pin进行排序，临近插入点Pin的前一点所属地层线下部地层属性为该地层信息，临近插入点的后一点所属地层线的上部地层属性为该地层信息。
C2.遍历所有的地层信息对象，重复步骤C1对所有临近地层信息的地层线对象进行属性赋值。
步骤D，按照地层线地质属性的完整性将地层线归为3个集合：上部和下部包含完整地质属性的地层线集合{Geoai}、上部或下部包含地质属性的地层线集合{Geobi}、上部和下部均无地质属性的地层线集合{Geoci}。
步骤E，根据包含完整地质信息的地层线集合{Geoai}、包含上部或下部地质信息的地层线集合{Geobi}，对没有完整地质信息的地层线集合{Geobi}、{Geoci}进行地质属性传递，具体的：
E1.对于包含完整或者部分地质属性的地层线某个地层线Geoi对象，在其起点Xs坐标到终点Xe坐标的范围内以足够小的水平步长建立竖向射线集。
E2.根据射线的水平坐标大小，从左向右，计算某条射线与该地层线Geoi交点P、与其他地层线的交点集合{Pc}，根据交点的Y坐标从大到小对交点集{Pc}和P进行排序；
E2-1.当射线与该地层线Geoi的交点P的上部地质属性不为空时，判断P点上部相邻的交点Pc所属的地层线对象Geoi-1的下部属性是否为空：若为空，则将地层线Geoi的上部包含地质属性传递给地层线对象Geoi-1的下部属性；
E2-2.当射线与该地层线Geoi的交点P的下部地质属性不为空时，判断P点下部相邻的交点Pc所属的地层线对象Geoi+1的上部属性是否为空：若为空，则将地层线Geoi的下部包含地质属性传递给地层线对象Geoi+1的上部属性。
E3.遍历步骤E1中的所有竖向射线，重复步骤E2，将地层线Geoi的地质属性传递给其他地层线对象。
E4.遍历步骤E中地层线集合{Geoai}、地层线集合{Geobi}的所有地层线对象，重复步骤E1、E2、E3，通过已包含地质属性的地层线对其他地层线进行属性传递。
步骤F，重复步骤D和步骤E，直至所有的地层线包含完整的地质信息，地层解析工作结束。
步骤G，采用条分法，求解开挖设计线与地面线之间的开挖地层区域面积，具体的：
G1.根据开挖设计线的水平坐标范围(xmin,xmax)，自左向右建立竖向射线集，射线的间距取足够小步长Δx；
{X＝xi}(xmin≤xi≤xmax)(公式1)
G2.每条射线分别与开挖设计线、地面线求交点Pw、Pg，射线与所有地层线求交点构成交点集{Pci}，与地层线的交点包含该地层线的上部和下部地质属性信息；
G3-1.对所有的交点根据坐标Y从大到小进行排序，筛选出位于点Pw、点Pg之间的地层线交点{Poi}，由点Pw、点Pg与{Poi}构成新的集合{Pi}，对集合{Pi}根据点坐标Y值从大到小进行排序得到排序后的点集合{Pi}；
G3-2.点集合{Pi}中相邻点Pi、Pi+1(Pi的Y坐标大于Pi+1)的距离乘以步长Δx得出面积，该面积的土石方类型为点Pi的下部地质属性或点Pi+1的上部地质属性：
|Pi.y-Pi+1.y|*Δx (公式2)
G4重复步骤G2、G3，利用G1中所有的射线求出开挖设计线与地面线之间的地层线区域面积，根据土石方类型进行分类求和。
实施例
图1为本发明的方法流程图，说明本发明的一种基于属性传递和条分法的地质横断面解析和开挖土石方计算方法的基本处理步骤。
首先，以地质横断面的中心点位置、中心点高程、断面比例建立平面坐标系，中心点位置为原点(0，0)S101。
然后，以坐标系为参考，将地面线对象转化为点集合，存储于地面线类对象中；将地层线对象转化为点集合，存储于地层线类对象中；将地层信息的中心点转化为坐标点，与地层信息一起存储于地层信息对象中S102。
在此，所有的地层线类对象构成地层线集合，所有的地层信息类对象构成地层信息集合，地层线集合、地层信息集合、地面线类对象三者为地质横断面的数字化表示S102。
然后，判断每个地层线对象与其他地层线是否相交，并根据交点个数将一条地层线拆分为多条地层线；判断每条地层线是否闭合，根据其水平坐标的大小，将其拆分为上下两条地层线S103。
在此，根据地层线的相交情况和闭合情况，将地层线集合转化为新的地层线集合，新的地层线集合中每条地层线可以包含唯一的上部地质属性和下部地质属性。
然后，利用地层信息的中心点坐标与临近地层线的相对位置关系，初始化竖直方向相邻地层线的地质属性S104。
在此，与地层信息对象竖直方向相对应的地层线已包含地质属性。
然后，根据包含地质属性的完整性对地层线进行分类，将地层线分为已包含完整地质属性、包含上部或者下部地层信息信息属性、未包含地质属性三类；根据地层线的竖向相对关系，利用已包含完整地质属性、包含上部或者下部地层信息信息属性的地层线对未包含完整地质属性的地层线进行地层信息的属性传递，直到所有的地层线对象包含完整的地质属性S105。
在此，地层线集合中的每个地层线对象包含了上部地层信息、下部地层信息、二维坐标点集合等完整的数字化信息。
然后，利用条分法计算开挖设计线以上不同地层线间的土石方面积，相同地质属性的土石方面积进行累加S106。
在此，完成了地质横断面的数字化解析，并在解析成果的基础利用条分法计算得出了开挖土石方数量。
图2是表示一个包含交叉地层线、透镜体形式地层线的地质横断面的一例示意图，该例仅为说明一般性情况，没有特定的寓意。
在图2中，地质横断面包含：中心点位置、中心点高程、断面里程、1条地面线、8条地层线、9个地层信息，其中地层线中包含交叉地层线、透镜体形式地层线。
图3是表示一个包含交叉地层线、透镜体形式地层线的地质横断面进行地层线拆分的一例示意图，进行拆分的地质横断面为图2中提供的。
在图3中，1条地面线和8条地层线根据交叉情况、透镜体形式拆分为16条新的地层线对象，矩形方框为拆分点。新的地层线除起终点外不再与其他地层线有交叉关系，每条地层线的上部和下部可以附加唯一的地质属性。
图4是表示地质横断面拆分后得到的新的地层线对象集合的一例示意图，该图为图3中地层线进行编号后转化所得，编号仅为了区分地层线对象，无先后顺序。
在图4中，根据地层信息与地层线对象在平面内的竖向相邻关系，对地层线对象的上、下部地质属性进行初始化赋值，结果如下表所示：
Figure BDA0002760923950000101
Figure BDA0002760923950000111
根据地层信息进行地层线对象的地质属性赋值后，地层线集合根据地层信息的完整性分为：包含完整地层属性的地层线D1、D2、G2、G5、G11、G14，包含部分地层属性的地层线G3、G4、G7、G8、G9、G10、G13，不包含地层属性的地层线G1、G6、G12。
图5是表示地层线间根据竖向相邻关系，进行地质属性的传递的一例的图，该例中的地层线和地质属性由图4提供。
在图5中，利用含完整地层属性的地层线、包含部分地层属性的地层线与不包含完整地质属性的地层线在平面内的竖向相对关系，将地质属性传递给不包含完整地质属性的地层线；然后再根据地层信息的完整性对地层线进行分类，在进一步进行地质属性的传递，循环至所有地层线包含完整的上下部地质属性，循环结束。
在图5中，竖向箭头表示地层线的地层信息传递的方向。
图6是表示所有地层线已经包含完整的地质属性的一例示意图，该例是由图5中地层线的地层信息经过属性传递后提供。
在图6中，16条地层线均包含完整的上部地层信息、下部地层信息，如下表所示：
Figure BDA0002760923950000112
Figure BDA0002760923950000121
图7是表示利用条分法计算开挖设计线与地面线间的不同地层开挖土石方面积的一例示意图，该例是由图6中含完整地层信息的地质横断面与任意指定的开挖设计线所构成。
在图7中，竖向扫描射线与地面线、地层线、开挖设计线共有5个交点，根据交点的竖向坐标从大到小进行排序进行编号为P1～P5；相邻点之间对应的地质属性一致，根据点的距离即竖向坐标差的绝对值乘以扫描射线移动步长Δx，可以得出该步长范围内不同地层开挖面积：
地层信息Ⅰ的开挖面积：|P1.y-P2.y|*Δx；
地层信息Ⅱ的开挖面积：|P2.y-P3.y|*Δx；
地层信息Ⅴ的开挖面积：|P3.y-P4.y|*Δx；
地层信息Ⅲ的开挖面积：|P3.y-P4.y|*Δx。
图8是表示开挖设计线与地面线间的不同地层开挖土石方面积计算结果的一例示意图，该图是由图7的地质横断面与开挖设计线根据条分法计算所得。
在图8中，根据开挖设计线的水平坐标范围(xmin,xmax)，自左向右建立竖向射线集，射线的间距取足够小步长Δx,重复图7所示的不同地质属性的开挖面积计算，相同地质属性的面积进行求和，最终计算得出开挖设计线与地面线之间的开挖土石方面积：地层信息Ⅰ的开挖面积343.96、地层信息Ⅱ的开挖面积338.05、地层信息Ⅴ的开挖面积583.20、地层信息Ⅲ的开挖面积583.20。
本发明对于包含任意交叉线、封闭区的复杂的地质横断面，提供一种数字化解析方法，可以将复杂地层线拆分为独立的地层线集，并通过竖向射线扫描地层线的方式进行地层线地质信息的属性传递，为所有的地层线赋予完整的上部和下部地质属性，构成数字化地质横断面对象。
本发明基于形成的数字化地质横断面，提供一种基于微积分思想和条分法的计算开挖设计线与地面线之间不同地质类型的土石方面积的方法。
本发明可以针对交通运输领域如铁路、公路、市政、轻轨等复杂地质横断面，进行地层信息解析，进一步实现复杂地质横断面的开挖土石方自动程序化计算。

Claims (8)

1.一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(A)将地质横断面拆分为三类数字化信息进行存储，三类数字化信息分别为地面线类、地层线类、地层信息文字类；
(B)拆分相交叉的地层线、透镜体形式的地层线，使每条地层线上部和下部都能存储唯一的地层属性；
(C)根据地层信息文字中的内容和平面坐标，初始化垂直方向相邻的地层线地质属性；
(D)按照地层线地质属性的完整性将地层线归为三类，即地层线上部和下部包含完整地质属性、地层线上部或下部包含地质属性、地层线上部和下部均无地质属性；
(E)根据地层线的竖向相对关系，对未包含完整地层属性的地层线进行地层信息的属性传递；
(F)重复以上步骤D和步骤E，直至所有的地层线包含完整的地质信息；
(G)采用条分法，求解设计底线与地面线之间的开挖地层区域面积。
2.根据权利要求1所述的一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，其特征在于：步骤A中地质横断面是由里程、中心点位置、中心点高程和二维的地面线、地层线、地层文字信息组成。
3.根据权利要求2所述的一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，其特征在于：所述地面线转化为二维坐标点集构成地面线类对象进行存储；所述地层线转化为二维坐标点集构成地层线类对象进行存储，地层线的上、下部地层属性均为空；所述地层文字信息转化为插入点、地层信息文字构成地层信息类对象。
4.根据权利要求1所述的一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，其特征在于：步骤B中拆分相交叉的地层线、透镜体形式的地层线，拆分后的地层线除去起终点外均不与其他地层线相交叉，地层线的上部、下部均可赋予唯一的地层属性。
5.根据权利要求3所述的一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，其特征在于：步骤C根据地层信息类对象的插入点、地层信息文字，初始化垂直方向相邻的地层线的地质属性。
6.根据权利要求1所述的一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，其特征在于：步骤E中根据地层线的竖向相对关系，对未包含完整地层属性的地层线进行地层信息的属性传递，具体是利用已包含完整地层属性、包含上部或者下部地层属性的地层线对未包含完整地层属性的地层线进行地层信息的属性传递。
7.根据权利要求1所述的一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，其特征在于：步骤F中所有的地层线包含完整的地质信息，则地质横断面的数字化解析结束。
8.根据权利要求1所述的一种复杂地质横断面数字化解析和开挖土石方计算的方法，其特征在于：步骤G中计算开挖设计线与地面线之间的不同地层的开挖面积，再对相同地质属性的面积进行求和，最终计算得出开挖设计线与地面线之间的开挖土石方面积。
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