钻孔柱状图中的岩性花纹填充技术.docx

钻孔柱状图中的岩性花纹填充技术汪佳佳屠文森肖亮(南京理工大学计算机科学与工程学院，南京 210094)摘 要 钻孔柱状图是 GIS( geographic information system) 中常用的辅助工具，绘制柱状图需要绘制岩性花纹，并且岩性花纹与岩性名称一一对应。主要针对钻孔柱状图的具体特点，提出一种新的矢量花纹填充方法，即将花纹以线的形式分解到填充 区域中，然后根据线的参数决定该段线是否绘制。同时针对地层岩性复杂性的特点，研究了复合矢量花纹填充算法，将比例 因子考虑到算法中，实现多个花纹填充问题。实验快速通过了紫金西北段矿区钻孔柱状图的绘制，充分证明了算法的高 效性。关键词 钻孔柱状图岩性图案 矢量复合花纹A中图法分类号TP391 41;文献标志码应的花纹)8绘制。本文提出了一种简单的填充任意形状花纹的方法。同时，由于地质的复杂性，常 常会出现在某一层岩层中存在多于一种的岩性种类，并且每一种岩性都占有着较高的成分而不能忽 略。因此，本文还讨论了复合花纹填充办法。钻孔柱状图是地质科研和生产报告中广泛应用的地质图件，它在内容上包括深度、岩性名称、岩性 描述、样品分析以及标示岩性种类的可伸缩的岩性 图例等各种复杂数据。在研究如何快速方便的自动 生成钻孔柱状图的过程中，如何实现根据岩性名称 填充岩性花纹是一个很难解决的问题，也是本文讨 论的主要内容。目前计算机图案填充大部分采用光栅式填充算 法，用得比较多的有种子填充法、扫描线填充算法等。但这些方法都存在着一些不足:其一是大幅面的图幅计算效率低，而且建立光栅图形文件占用存 储空间大; 其二是不便于不同比例尺的图幅的输出及其图幅的旋转;其三，光栅图形文件虽然色彩表演 丰富，但位图的放大失真又决定了该填充在应用上的局限性。考虑到钻孔柱状图的在三维空间上的放 大及旋转等应用，本文选择采用以矢量格式填充图例花纹14。曾有人提出一种矢量栅格混合填充算法5，在很大程度上改善了栅格结构分辨率低的缺点，但最 终图案还是栅格结构。现在的单纯的矢量填充算法有基于 Mesh 管理的闭合区域的填充算法6和交替 填充算法7。前者主要为面搜索法，在搜索面上填充颜色，并不能符合钻孔柱状图岩性花纹的需求。后者能基本满足岩性花纹的需求，但该方法只考虑 了直线类型的花纹绘制，没有考虑含有更多类型(如圆弧)的花纹(如编号 0303428 的晶洞花岗岩对矢量花纹填充算法基本原理采用的图案以 AutoDesk 公司的填充图案为规11 1则，将图案库中的图片以一定的规则写进文件，通过算法将这些文件以坐标点的形式记录下来。并且填 充到柱状图中的图案与岩性种类需要满足对应关系区域地质图例 GB 95899。填充图案文件的基本格式为:* pattern-name ，descriptionangle，x-origin，y-origin，delta-x，delta-y ，dash 1，dash 2， 其中:第一行为标题行，pattern-name 为图案名 称，方括号内 description 为 可 选 说 明，省 略 时 pat-tern-name 后不得有逗号。第二行为图案的描述行，可以有一行或多行。其含义:angle 为直线绘制的角度; x-origin，y-origin为填充直线族中的第一条直线所经过的点的 X、Y 轴坐标;delta-x 为直线族成员之间在直线方向上的 位移;delta-y 表示直线族成员之间的间距，也就是直 线间的垂直距离;dash-n 为一条直线的长度参数，可 取正、负值或为零，取正值表示该长度段为实线，取 负值表示该段为留空，取零则画点。若不含 dash-n， 则为实线。在本文中暂定由上诉定义产生的线的组合为单 位线。如图 1，单位线 CD 由单位线 AB 偏移所得，del-2014 年 5 月 6 日收到国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ05025004)资助第一作者简介:汪佳佳，女，硕士研究生。研究方向:计算机应用技术。E-mail:hswjj0925 163 com。28 期汪佳佳，等:钻孔柱状图中的岩性花纹填充技术243本算法的基本思想是首先找到与固定闭合区域相交的第一条和最后一条单位线，然后绘制两条线 之间的所有线。绘线时先处理单位线方向上的偏移 线，然后往某一个方向上绘制其他组的线。算法的 步骤如下:步骤 1读取一行单位线定义。步骤 2 建立单位线上的直线系方程。这里有 两种情况，一是当 angle 不为 90 或 270 时，直线斜 率存在，建立直线系方程为 y = kx + b + ct ( t 取整 数)。其中:k = tan(angle)，b = oy kox;c = deltay k deltax。二是当 angle 为 90 或 270 时，直线斜率不存 在，建立直线系方程为 y = b + ct( t 取整数)其中:b = ox，c = deltax。步骤 3求的直线系方程与闭合区域相交时的 t，取第一条和最后一条相交时的 t 为 Tmin 和 Tmax 。 例如，若 angle (0，90 (180，270，Tmin 和 Tmax 出现在图 3 中的 P0 和 P2 处，若 angle (90，180(270，360，Tmin 和 Tmax 出现在图 3 中的 P1和 P3 处。步骤 4计算 Tmin 时直线与闭合区域相交的两个交点 PIn 和 POut ，并令 t = Tmin 。图 1 花纹结构定义图Fig 1 The definition of Patternta-x 和 delta-y 由图 1 中标示，并且由图 1 可知单位线的长度参数有三个，dash-1 表示一条直线的长度， 符号为正，dash-2 表示预留空白的长度，符号位负， dash-3 为 0，表示一个点。则单位线的长度 Length =| dash-1 | + | dash-2 | + | dash-3 | 。单位线可在单位线上偏移，也可根据 delta-x 和 delta-y 的值偏移。经过多次偏移便可在固定区域内 形成花纹。如图 2 所示。步骤 5计算 t 时刻 PIn 和 POut 之间的单位线。图 2 花纹结构分解图Fig 2 The decomposition of pattern求出的第一条单位线从 Ps = PIn 处开始绘制，Ps 之前的部分不绘制;同理，最后一条单位线绘制到 Pe = POut1 2实现算法为上述的图案格式定义一个类，用面向对象的 方法解决填充问题。在类 Pattern 中 v _ LineLength 记录了每一个 dash 的值。totalLineLen 为之前描述 的 Length 值。class Patternstring patternName;float angle，ox，oy;float deltax，deltay; / / delta-x 和 delta-y 在 x，y 轴上的值vector float v_LineLength; / / 各个 dash 的值float totalLineLen; / / 一条单位线的长度Pattern() / / 默认构造函数patternName = ;v_LineLength clear(); citaAngle = ox = oy = 0 0; delta_x = delta_y = 0 0;totalLineLen = INT_MIN;处，P 后面的部分不绘制。P 和 P 之间每绘制一e条单位线后令 PInOut= P ，P = P +totalLineLen，直到seeeP P 时本次绘制结束。sOut步骤 6t = t + 1，若 tT，计算 t 时直线与闭max合区域相交时的两个交点 P 和 P ，转到步骤 5。InOut若 t Tmax ，转至步骤 7。步骤 7读取下一行单位线定义，转至步骤 2。若无下一行单位线，算法结束。程序实验与结果本算法 在 VS2010 和 Sql Server 平 台 下，运 用1 39，10OpenGL 绘制完成，图 4 到图 7 为南京市紫金西北段矿区岩性柱状图的绘制运行效果图。可见本算 法可以很好的运用到钻孔柱状图的绘制过程中，图6 和图 7 可充分的说明本算法能够绘制任意形状的 花纹，它保持了图形矢量结构的优势，无论放大到怎 样的比例都表现出很高的分辨率，充分的满足 GIS 以及钻孔柱状图的需求。244科学技术与 工 程14 卷图 7 角砾岩花纹Fig 7 The pattern of breccia现多种岩性的情况，根据区域地质图例，每一种岩性都有相对应的花纹样式，当出现多种岩性复合 时，却无法在区域地质图例中查询到想要的结 果。而本文也将讨论如何将不同比例的多个花纹填 充到同一个区域中。例如，60% 的花岗岩和 40% 的 砂岩混合在一起，得到的将是怎样的花纹(见图 8)。图 3 算法示意图Fig 3 The expression of algorithm图 4一根钻孔柱状图全局效果图图 8 复合花纹算法示意图Fig 8 The expression of composition patternFig 4 The global rendering of one histgrom本算法的基本思想是采用依次填充的办法，由于每种花纹所占比例不同，将比例作为填充时比例 因子考虑到填充过程中去，利用第一部分的填充算 法并做适当的改进。填充过程中，除第一个填充的 花纹外，后续花纹需要判断是否与前一次的花纹有 重合。由于单位线为直线方向，并且整个花纹是有 规律的出现，在判断花纹是否会重合时做了一定的 简化。首先，只判断不同花纹的两条单位线是否会重 合(即单位线相交等情况不做处理)，这里利用第一部分算法中 PIn 和 POut 是否相同，从而得出两条单位线是否重合;其次，为了减少计算，只判断前一部分的单位线是否重合。由于花纹本身的规律性，若两 个花纹的两条不同单位线在刚开始部分就有重合， 那么在整个复合花纹中重合的概率就会很大，同样 的，若两个花纹在刚开始部分没有重合，则在整个复 合花纹中重合的概率就会小很多。因此除最后一个 花纹外，其他花纹填充时需要保存每一对(PIn ，POut ) 的值。假设有 n 个不同的花纹等待复合填充，i 表示 第 i 个花纹，i_rate 表示第 i 个花纹的比例因子。算 法步骤如下:图 5 一根柱状图局部效果图Fig 5 The local rendering of one histgrom图 6 浆砌卵石花纹Fig 6 The pattern of wet massonry cobbles2复合矢量花纹填充算法由于地质的复杂性，常常会存在某一层岩层出步骤 1将 n 个花纹按比例因子从小到大排列，则排列后第 n 个花纹的比例最大，第 1 个花纹的28 期汪佳佳，等:钻孔柱状图中的岩性花纹填充技术245比例最小;步骤 2 采用第一部分的填充算法绘制第 n 个 花纹，并将填充过程中的(PIn ，Pout )存入数组;步骤 3 读取第 i 个花纹(i 初始时等于 1)的一 条单位线定义，对定义中的参数，angle 保持不变，其 他参数乘以(1 + i _ rate) 建立该条单位线的直线系 方程;步骤 4对第一部分的算法进行改进，计算当 t取值Tmin ，Tmin + 5区间的 5 个( PIn ，Pout )，判断与 其前 i 1 个花纹及第 n 个花纹的( PIn ，Pout ) 是否有相同，若不相同，将这 5 个( PIn ，Pout ) 存入数组并绘 制。若有相同，则修改该条单位线的参数，使得新的 ox = ox + 0 1 / k，oy = oy + 0 1 / k ( k 为该条单位线修 改的次数，初始化为 1 )，建立新的直线系方程。重 新执行步骤 4;步骤 5绘制第 i 个花纹该单位线 Tmin + 5 之后 的部分。然后读取下一条单位线定义，转至步骤 3。 当该花纹所有的单位线绘制完，转至步骤 6;步骤 6 i = i + 1，当 i = n，算法结束，否则转至 步骤 3。在步骤 4 中令 ox 和 oy 增加很小的量，并且随 着修改次数的增加，增加量减小。这样可使得结果 图中的花纹在视觉上可接受的范围内允许轻微的 走样。如图 9 和图 10 为采用复合填充算法得到的复 合花纹填充效果:图 10 80% 花岗岩和 20% 砂岩的复合花纹Fig 10 The composite pattern with eighty percent of the granite and twenty percent of the sandstone算法稍加改动，便能解决复杂地质体中的混合岩性问题，应用上具有很强的针对性。但本文进行的研 究也存在一些需要改进的地方，例如填充算法的色 彩表现单一，复合花纹中花纹之间的比例关系表现 不够精确，要使其具有更好的性能和得到更加广泛 的应用，还有许多工作要做。参 考 文 献倪玉山，林德生 扩充堆栈结构的种子点区域填充算法 复旦学报(自然科学版)，2000;39(1):99103Ni Yushan，Lin Desheng A new seed fill algorithm with extending the structure stack Journal of Fudan University ( Natural Science)，2000;39(1):99103任继成，刘慎权 区域填充扫描线算法的改进 计算机辅助设计 与图形学学报，1998;10(6):481486en Jicheng，Liu Shenquan Improvement of area filling scanline al-gorithm CAD CG，1998;10(6):481486ogers D F，Adams J A Mathematical elements for computer graph-ics McGraw-Hill Higher Education，1989:74101Foley J，Dama V Fundamental sof interactive computer graphicsAddison-Wesley，1992:2954朱家成，干幸林，吴冲龙，等 一种改进的矢量花纹填充方法 计 算机与数字工程，2012;40(3):9596，117Zhu Jiacheng，Gan Xinglin，Wu Chonglong，et al An improvedmethod of vector pattern filling Computer Digital Engineering，2012;40(3):9596，117黄 洲，凌咏红 一种通用矢量图形闭合区域填充算法 中国科 技论文在线，2009Huang Zhou，Ling Yonghong A general arithmetic to fill vector graph-ics with close region http: / / www paper edu cn，2009Zhang Xiaoxin，Yong Junhai，Gong Liehang，et al Alternate pattern fill Computational and Information Science，Springer Berlin Heidel- berg，2005:1127113389 G B 1 50000 区域地质图例 2000:248689 G B 1 50000 Geological symbols used for regionnal Geologicalmaps 2000:2486Wright Jr S，Lipchak B OpenGL 超级宝典 北京:人民邮电出 版社，2005:318712345图 960% 花岗岩和 40% 砂岩的复合花纹Fig 9 The composite pattern with sixty percent of the granite and fortypercent of the sandstone67结语本文中岩性填充技术是基于 AutoCAD 中对矢 量图的定义，利用数学的方法计算屏幕中各个点的 对应位置从而绘制出图案，有着其高效性以及适用 性强的有点。复合花纹填充算法在原先的矢量填充389246科 学 技术与 工 程14 卷Wright Jr S，Lipchak BTelecom Press，2005:3187OpenGL superBible Beijing: Post Edition) Beijing: Publishing House of Electronics Industry，2005:17518510 Donald M，Pauline Baker Computer graphics with OpenGL ( ThirdThe Lithologic Pattern Filling of Drilling HistogramWANG Jia-jia，TU Wen-sen，XIAO Liang(School of Computer Science and Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，P China)Abstract Drilling histogram is commonly used in GIS tools，and lithologic pattern is needded when drawing thehistogram Lithologic pattern is one to one correspondence with the lithologic name A new method of vector patternfill is mainly proposed aims at the characteristics of drilling histogram The pattern is decomposed into several type of lines，then drawing the line according to the parameters of the line At the same time，given to the complexity of layer，it also discusses a composite vector pattern filling algorithm which considers the scaling factor relationship be- tween patterns This algorithm can fill several patterns into one area The experimental result about the histogram of zijin northwest mine，is fully proved the high efficiency of the algorithmsKey words drilling histogramlithologic patternvectorcomposite pattern檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸( 上接第 234 页)Algorithm for Mining Frequent Episodes Based on the Prefix Shared TreeDING Yong1 ，ZHU Hui-sheng2 ，GAO Guang-yin1(Taizhou College of Science and Techno