岩土工程信息系统典型开发环境及其中的图形处理

提要:本文根据“北京工程地质信息系统”及“岩土工程信息来统”(该系统是以本文论及的典型开发环境开发的)1.0版的实际开发经验，对下列内容进行阐述:1.宕土工程信息系统的基本使用要求，并据此分析了目前开发该类系统所应使用的软硬件环境，使其具有最优的性能价格比;2.岩土工程信息来统中各类图形的基本使用要求和处理方法。

关键词：岩土工程，信息系统，开发

1岩土工程信息系统的作用

岩土工程勘察是城市基本建设的基础工作之一，在长期的勘察工作中，各单位都积累了一定数量的岩土工程勘察资料，在城市建设的勘察和科研工作中，这些资料具有极大的参考意义和重复使用价值。目前，资料文献的电子信息化管理已成为必然趋势，岩土工程信息处理得到越来越高的重视，利用计算机管理岩土工程信息资源已成为勘察行业的热点。岩土工程信息系统就是使用计算机管理和利用岩土工程信息资源。具体地讲，它至少应包括以下功能:
(1)利用数据库安全存储各类岩土工程勘察资料，即通过数据库设计，规格化勘察资料并实现最小冗余，还要对数据库提供必要的保护措施。我们的勘察资料按数据库的要求并不很规格，许多定量指标放在文字性描述中，这份勘察报告中表格内容与另一份报告中同一表格内容不一致，甚至还有纯文字报告等等。在数据库设计中，首先要将勘察报告规格化，形成数据库独立的数据项，经常一起使用的数据项组合起来，构成若干个独立的数据库类型。不同的数据库之间的联系要依靠其共同的数据项，要将这些共同的数据项减至最少—实现最小冗余。另外，如果任何一个用户都可以修改、删除数据库中的数据或向数据库中添加数据，则数据库必然错误百出;当系统断电时或系统出错时，若正在对数据库进行操作，如果没有保护措施，数据库会混乱，总之要对数据库提供必要的保护。
(2)输入或生成、修改、保存、显示和输出各类工程图件，包括地形图、建筑物与钻探点平面布置图、剖面图、柱状图、各种土层标高分区图等。对于地形图和建筑物与钻探点平面布置图，由于数捷驹牵中没有相应数据，故只能输入。其他图件因数据库中有相应的钻孔、地层数据，可按固定算法生成。对于输人或生成后的图形如不满意就要修改，假使生成的剖面图地层间的连线与经验不符，就要删去原有地层连线及上下填充图案(岩性图例)，并加人实际地层连线及上下岩性图案。输人或生成的图形可能以后还要用到，如建筑物与钻探点平面布置图，将来辅助出报告查询到此工程时，可能主持人会根据钻孔在场地的位置决定是否利用某些钻孔，所以要保存起来。所有图形、无论在输人、生成、修改还是提交给建设单位，都要可见。前者即在计算机屏幕上可见—显示，后者即在纸张上可见一一输出。
(3)实现对入库资料的任意查询，生成查询结果之图、表。工.程主持人想要从数据库中提取的数据千差万别。主持人A可能想查北京地区所有钻孔的坐标及老土标高以绘制北京地区老土标高等值图;主持人B可能想查某工程的所有数据，因其正在该工程附近勘察另一工程。因而，绝不能对一个查询要求编制一个查询程序，这就要求有一个通用的查询程序，它接收主持人的查询条件，然后将数据库中所有满足条件的数据提取出来，形成图或表供主持人选用。
(4)实现地形图的准确拼接和全范围的漫游操作，为任意指定范围内的查询提供直观的背景。主持人想要提取某些工程的数据时，可能不知道这些工程的编号，而只知道工程的大致地理位置，这就要求有一套全地区的地形图谁确地拼接在一起，供主持人游动查找相应的地理位置，.当找到相应的地理位置后，应允许主持人指定任意大小范围来查找其要找的工程。
(5)计算机辅助出岩土工程勘察报告，这是岩土工程信息系统的关键模块，也是最实用的模块。上述四大模块的功能几乎全部在此使用，而且还需要大量计算，生成算法及交互式文本、图形编辑功能。

2岩土工程信息系统典型开发环境

2.1硬件环境
从硬件造价、速度、容量、使用的广泛性、未来扩充或连网的难易程度及造价、售后服务是否方便以及在其上开发软件的造价等诸多方面考虑，主机应选择【BM386及以上系列或其兼容机。
(1)从硬件造价上讲，IBM386及以上系列或兼容机每台为2一5万元，而工作站每台一般在10万元以上(已淘汰产品例外)。
(2)从速度上讲，工作站优于IBM系列微机之处是图形处理，而岩土工程信息系统使用如此优越的图形功能实际上是浪费，微机图形功能完全满足要求。
(3)容量上，工作站比微机稍大，但有限。
(4)使用的广泛性。
(5)由于微机及其配件价格均较低，故未来扩充及连网的造价要比工作站便宜很多。
(6)由于微机使用广泛，售后服务相当方便。而工作站若硬件出现故障，往往要等数月才能解决。
(7)在微机上开发软件可大大降低造价。首先，汉化问题不用开发为难;其次，各种支撑软件应有尽有且极大多数无版权问题;再次，开发过程中若遇到难题，可找到许多书籍，可请教许多同行。但在工作站上开发软件则是另一番情景:汉化软件既便不用自己编制，也要重金购买。在开发过程中若遇到难题，更是孤立无援。
主机既定，配置要考虑
(1)硬盘容量视各单位资料需求量而定，不可忽视硬盘容量很大时对速度的影响，一般硬盘在100MB到300MB之间，最大不过50oMB。资料很多时可考虑使用文件服务器。
(2)主机主频当然是越大速度越快。
(3)内存大小一般不得低于4MB，内存越大速度越快。
(4)数字化仪和鼠标用于工程图件的输人和修改。
(5)为输出各类图表，至少应配备一台24针打印机。若需要还可配备绘图仪。(6)若需要处理地形图以满足漫游查询，则可配置扫描仪或扫描头+绘图仪。2.2软件环境
DOS系统在国内应用甚广，容易取得技术支持，且汉化版本较多也比较成熟，选择DOS系统为最佳方案。因为需要管理大硬盘，DOS版本应在3.31及以上。注意DOSS.O虽性能优越，功能强大，却有许多汉字操作系统在其上不能正确运行。考虑到岩土工程信息系统的多任务、多窗口、高速度、界面美观、处理各类图形及连网的可能性等要求，选择Windows作为软件支撑环境最恰当。首先，Windows界面美观，用户可编辑窗口式样、颜色配置等。其次，Windows利用快速上下文切换实现了多任务、多窗口。再次，Windows成功地引入动态链接库，因而实现了高速度、低容量。第四，Windows中有用来编写与设备无关的图形操作函数，这些函数产生的输出与光栅显示、各种型号的打印机的输出是兼容的。最后，Windows支持网络。Windows的以上特点，恰为岩土工程信息系统所用:在Windows下，开一窗口，运行地形图漫游程序，查到工程后，再开一窗口，显示出查到工程的主要信息，选择一个工程后，可同时运行交互式图形编辑程序、剖面图生成程序、报表生成程序等，以开若干窗口，显示平面图、剖面图、物理力学性质一览表等。Paradox的Engine是目前我们找到的仅有的一个支持Windows开发环境的关系型数据库管理数统的高级语言接口，而且在以下方面具有优越的性能:
(1)速度快，几乎是立即响应用户的查询。
(2)用途广泛，可应用于各个领域。
(3)容量满足岩土工程信息系统的要求。一个表可包含20亿条记录，每个记录最多可有4000个字符，每个表可有255项内容，每项最多可有255个字符。
(4)可连网。由于Paradox优越的性能，已在国外赢得了广大用户的好评。Windows和Paradox都提供了C语言接口，而且用C语言开发这两类软件也很方便，最好选择Microsoft6.0及以上版本作为开发语言。至于岩土工程信息系统的汉化问题，由于以Windows为支撑环境，所以只要Windows是汉化版本，问题就解决了。目前Windows汉化版本有几种，可以选择一种相对较好的版本。关于支撑软件，就我个人观点，Windows必将成为微机支撑软件的潮流。

3岩土工程信息系统典型开发环境中的图形处理

如前所述，岩土工程信息系统中要处理两类图形:一类是工程图件，如建筑物与钻探点平面布置图;另一类是作为查询背景的地形图。
3.1地形图处理
地形图作为查询背景，它是这样使用的，首先在屏幕上开一窗口，窗口内显示整个地区的地形图的一部分(整个地区的地形图由若千幅一定比例的地形图拼接而成，逻辑上它们构成一个整体，实际上仍然是单幅存放的)并且在图面上告之当前所在图幅号，主持人想查找的区域若不是窗口内所显示的地理位置，可通过鼠标或键盘移动地形图，进而找到相应地理位置，然后输人一个查询范围。.由此可见，地形图在使用上有以下特点:
(1)无需矢量化，只要能通过漫游看到场区附近地形地物即可。
(2)漫游过程中调度要快，否则会影响视觉效果。即当需要跨越图幅时，调度另一幅地形图显示到窗口的时间应尽量短。
(3)图幅之间的拼接要严密，否则地形地物分离，既不易观看又影响精度。
(4)总体讲，精度要求不高，查询时只要一个坐标的大致范围即可。由于以上特点，使用Windows位图处理地形图可满足应用要求。处理过程如下:
(1)将地形图经扫描设备扫描生成数据文件，扫描过程中，由于机械原因会产生变形，如用SCANCAD128扫描头扫描地形图将生成行程编码文件，扫描时要把地形图和扫描头装在绘图仪上，这样在绘图仪走纸时和扫描头走到左右两端时都有可能因纸张隆起或扫描头跳起而产生变形。
(2)将扫描生成的数据文件转化成Wind。-ws位图文件，这通常非常简单，只要了解两种文件格式，程序很容易编制。
(3)在扫描过程中，图纸不可能完全水平，都或多或少有一定的倾斜，所以需要开发一旋转程序，将位图旋转成水平的，应注意旋转过程中因计算误差产生的变形。由于位图是以象素坐标表示的(象素坐标均为整数)，而坐标旋转公式中要用到正弦、余弦函数，取整后必然产生误差。
(4)扫描时会有空白或无用区域扫入，要有一裁剪程序将无用区域剪掉。扫描中为保证不丢失信息，在确定扫描区域时，一般都比实际图面大一些，因而有空白或无用区域扫入，但在拼接图形时，这些空白区域必须去掉，否则地形地物拼接不上。
(5)由于扫描及旋转过程中会产生变形，所以要有一校正程序将图形校正成矩形。
(6)要准确拼接，每幅地形图要有一定大小，另外，Windows位图行宽必须是四字节的倍数，所以需要一个横纵向都能均匀抽取或添加象素的程序。每幅地形图质量不尽相同，为扫描出大致相同的效果，扫描时所定阀值各幅图不同，因而分辨率不同，导致每幅地形图象素数不同(不一样大)，要保证每幅地形图一样大小，象素数多的就要抽取，少的就要添加，同时不影响图件质量。
(7)由于漫游时地形图调度速度很重要，这就要求有个程序将一大位图切割成若干小位图。计算机从硬盘上读取数据的速度较慢，地形图是存在硬盘上的，北京地区的一幅万分之一的地形图大概需1.6MB，读取1.6MB数据在386微机上大概需6s。如果切为续块，每块为400KB，读取数据只需1.55。当然也不是分的块数越多越好，因为每幅图切割的块数越多，调度算法越复杂。
(8)全范围的漫游及逻辑拼接程序，该程序实现跨图幅拼接、漫游算法，使用户确定查询的地区范围并在数据库中查找相应地区内的所有勘察资料，在地形图上显示相应的工程位置及范围，列出查到的每份资料的摘要信息，为下一步详细查询每份资料准备数据。
3.2工程图件处理
我们以建筑物与钻探点平面布置图(以下简称平面图)为例来讨论工程图件的处理。平面图在使用上要求:
(1)必须是矢量图。首先将平面图输入到计算机中，输人过程中可能要做修改，而平面图反映在屏幕上是很小的，根本无法观看，必须放大，而点阵图放大以后是非常不美观的，因而只能是矢量的。
(2)必须用数字化仪输人。如果扫描生成点阵图再矢量化，众所周知，矢量化算法很不成熟。这就要求有一通用且高效的交互式图形编辑程序，该程序功能需包括:
(1)数字化仪通用接口。无论是什么数字化仪，它都要发送其上的输人设备的状态信息，包括设备当前的按键状态及其在数字化板上的坐标，可通过读串口读取并分离这些_信息(串口设置要一致)。
(2)任意的用户坐标系。由于输人图形过程中要读取钻孔坐标以备将来查询使用，且图件中的相对坐标系不可能与数字化仪坐标相吻合，所以图形编辑坐标系应由用户自行定义。平面图上本无坐标系，为了满足按范围查询(漫游查询)的要求，每个工程必须人为地设置一个坐标系—图件中的相对坐标系。
(3)绘制一般实体，包括点、线、圆、弧、样条、文本、尺寸线等工程常用且无需特殊处理的实体，应注意绘制文本需矢量字库。
(4)绘制特定实体—钻孔，绘制过程中要自动读取其坐标并存放起来。
(5)填充有界区域，如桩点为一填充圆。
(6)应支持多种背景颜色、线型、线宽、实体颜色以区分不同实体并美化视觉效果，应注意:Windows的线型只有当线宽为一个象素时才正确，故需特殊处理。
(7)支持分层结构，以备将来方便地提取信息。例如，若在输入时将所有钻孔置于第一层，这样只要打开第一层，就相当于提取所有钻孔。
(8)图形放大、缩小及移动功能以利于用户输人或修改时观察实体。
(9)删除、拷贝、移动实体及删除部分实体的功能。
(10)要有文件存贮与调用功能。
(11)图例的统一处理功能。工程平面图中有大量图例，如各种钻孔，若一个图例对应一个函数则会降低程序可读性并大大增加程序量，所以要有一套图例生成、提取、变换的算法。
(12)打印输出矢量图。由于Windows支持多种打印机，另外从造价和速度两方面考虑应使用打印机输出。绘图仪输出造价高且速度慢。

4结语

通过对岩上工程信息系统典型开发环境及其中的图形处理的探讨，我们相信，在不久将会产生一个通用的岩土工程信息系统商品化软件，该软件将加快岩土工程勘察行业科研和生产的现代化步伐。