海底地质过程模拟软件 -如何探测海底地形的方法

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作为“数字地球”的一部分，“数字海底”海洋信息化建设正在逐步深入推进，人们对于基于海底地理信息进行海底数据三维可视化表达的需求显著增加。“数字海底”是综合利用信息科学技术、网络技术、海底调查技术等，把海洋地质调查采集到的海底海量数据，转换集成为海底表面及海底地下一定深度的各类地质现象（地形、地貌、地层等）及其属性的系统，该系统能够存储管理、显示海底多源异构的海量数据，可以快速、实时反映海底地形、地貌、地层分布特征等相关信息，实现海底地质信息的资源共享及信息服务，为海洋科学研究和决策规划等工作提供一种可视化表达和分析手段。

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“数字海底”的建设首先要进行大量的海洋综合地质调查，当前，海洋地质调查主要手段包括：侧扫声呐扫描技术、多波束测深技术、浅地层剖面测量技术、表层取样和柱状取样等，分别用于获取特定研究区域内的海底地貌、地形、地层分布以及表层沉积物等。长期的海洋地质调查积累了海量、多源、异构的海洋数据，这些彼此相关而且能够共同描述测区海底地上、地下空间信息的数据，由于采集过程和处理方式的不同，使的获取到的海底信息形成了一个个彼此相互独立的海底数据集，研究人员在处理这些海洋地质调查数据时，主要集中在二维环境下（浅地层剖面图等）按照水平、垂直或一定方向的切面来分析、显示三维海底信息，原本属于三维海底地质体的完整信息被分散在各个独立的二维图像中，很难了解到海底三维地质体的具体细节特征。因此，如何有效地组织管理进而高效动态可视化表达这些海底数据，使的人们能够对海底地质信息进行更加直观的认识和分析，一直是众多专家学者研究的热点。

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目前国内外“数字海洋”、“数字海底”的研究大多倾向于海空、海洋水体以及海底表层的研究，海底地貌、地形、地层的集成管理与可视化研究较少。鉴于此，本文以埕北海域为研究对象,在海底数据集成管理、可视化表达方法等方面进行了研究。

一

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、研究方法与技术路线

海洋地质调查所获取的多源、异构海底空间数据，从根本上说属于地理空间数据的范畴。随着GIS行业在现实生活应用中的不断深入，GIS在“数字海洋”、“数字海底”、“海洋地理信息系统（MGIS）”等方面的应用也在不断提升，基于地理信息系统进行三维、动态海底信息的可视化表达与研究具有明显的优势，GIS的优点就在于能够基于真实的地理位置，把这些不同类型但又相互关联、共同描述海底空间的地质信息有效组织管理起来，进行综合分析研究，实现地形、地貌、地层所组成的三维空间数据的综合可视化，可以有效的提高海底数据的利用率和可视化表达。

针对海底数据复杂性、海量性等特点，本文选用ESRI公司ArcMap10.0建立三维海底数据库，存储管理研究区表层沉积物、地形、地层、钻孔数据等海底数据；调用GIS地理空间数据库数据来构建三维海底模型，实现海量、多源、异构数据的集成管理和海底地上地下空间数据集成建模；选择ArcGIS Engine 10.0作为开发所需的GIS软件，掌握ArcGIS Engine（AE）组件库中各个类、接口的用法和应用情况，在Visual Studio2010开发环境中调用ArcGIS Engine10.0组件，利用C#语言进行三维海底系统的开发，在一个完整的海洋三维地理空间场景中实现埕北海域内表层沉积物、地形、地层、钻孔数据的一致性可视化表达。技术路线图1所示。

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图1 技术路线图

二

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、GIS中海底数据储存管理与建模

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⒈研究区数据类型

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⑴水深地形

使用多波束采集获得研究区水深数据，初始格式为.xtf，然后通过后处理软件Caris对多波束数据进行条带编辑、子序编辑、潮位、声速改正、数据融合等步骤，生成水深地形图（tiff格式），如图2所示。研究区水深处于1～18m范围之间，地形特征为西南高、东北低，水深等值线基本与海岸线走向一致。

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图2 研究区水深、表层沉积物分布图

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⑵表层沉积物

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通过底质采样器获取每一站位的表层沉积物，采集到的样品数据经过在实验室进行粒度分析、软件模拟分布，结果显示：研究区域表层沉积物主要为淤泥质粉质粘土、淤泥、粉土、粉质粘土四种类型，其中主要由粉土和粉质粘土组成，只有小面积的淤泥质粉质粘土和淤泥分布，见图2。

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⑶浅地层剖面及工程地质钻孔

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图3所示为6条浅地层剖面数据测线及5个工程地质钻孔站点位置。通过柱状取样器获得的钻孔资料需要在实验室进行土工分析获取其物理性质、力学性质及沉积层信息。浅地层剖面数据最初格式为.jsf，其后处理需要结合上述钻孔资料，采用后处理软件SonarWiz对每条测线的浅地层剖面图像进行解译分析，对各个地层界面进行数字化。

图3 研究区钻孔及浅地层剖面位置图

结果显示：测区地层反射界面结构清晰，能够反映海底界面以下40m以内沉积地层的大致分布特征，从上往下依次可连续追踪R0、R1、R2、R3四个主要的层序反射界面。图4为测区内CX5测线的浅地层剖面图像解译结果。

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图4  测线CX5浅地层剖面图像

⒉研究区浅层数据的集成管理

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海底调查数据的主体是空间数据，属于地理空间数据范畴，针对这种情况，本文结合系统源数据格式和开发平台需求后，选择ESRI公司的Geodatabase数据库，建立了埕岛海区三维海底数据库。

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本文涉及到的海底空间数据（表层沉积物、海底地形、地层、地质钻孔）等数据，利用ArcCatalog建立埕北海域三维海底数据库，然后在Geodatabase中分别新建Feature Dataset、Raster Catalog数据集，其中Feature Dataset用于管理矢量数据（水深点数据、钻孔点数据、表层沉积物面数据等），Raster Catalog用于管理栅格数据（水深地形图、地层解译界面图、DEM等）。如图5所示，为本文所建立的埕北海域三维海底数据库，在其中设立表层沉积物数据集、工程地质钻孔数据集、海底地形数据集、三维海底地层数据集，用于存储本文研究区域内所涉及到的所有数据。按照这种层次型的数据对象模式来组织管理空间数据不仅能够充分利用Geodatabase的空间数据管理功能，而且可以较好的管理研究区域内所涵盖的全部数据。

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图5 埕北海域三维海底数据库

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⒊研究区域地层的三维建模

海底地层是具有时空效应的多维空间实体，是以三维地质体的形式出现，单靠浅地层剖面图像以二维的形式表达研究区域的地层结构，显然不能全面、准确地反映研究区域内海底三维地层的空间分布特征和变化趋势。为了更加直观显示研究区域水下地的分布特征情况，尤其是在海底这一特殊而复杂地质环境下，建立三维海底地层模型非常重要。

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传统陆地地层三维建模一般采用“钻孔-层面模型”方法，钻孔资料可以直接反映采样点的地层分布状况，准确详细的描述海底地层内部构造特征。然而，与陆地野外工作相比，海洋复杂多变的地理环境，海上钻孔工作的进行非常困难，成本极高，所以在经费预算有限的前提下，获取研究区域内的钻孔数量相对较少，覆盖密度低，仅仅根据这些少量的钻孔资料构建海底地层三维空间模型不能够准确的反映海底地层的构造特征。浅地层剖面仪作为海洋地质调查的重要工具，已经被广泛应用于海洋地质调查、海底资源勘探开发，浅地层剖面能够连续高效、高精度对海底进行探测，通过记录观测海底地层剖面，结合地质解释，可以获取研究区详细的海底地层信息。因此，解译后的浅地层剖面数据可以作为三维地层建模的源数据。

本文基于ArcGIS10.0三维地质建模技术，结合钻孔资料对原始的浅地层剖面数据进行处理后，对各层面的浅地层剖面数据进行“Kriging”插值生成地层单元界面，再根据得到的地层单元界面转换生成其对应的界面TIN（不规则三角网），然后利用“Extrude Between”工具对各个地层TIN面进行“面拉伸”，建立研究区域地层三维模型，实现了地层单元模型的三维可视化，其建模流程见图6。

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图6 三维海底地层建模流程

在ArcGIS显示界面中，可以自动显示研究区各个海底地层单元模型，并且可以对其进行缩放、旋转，全方位、多角度了解研究区域地层空间分布特征情况（图7）。也可以通过调整地层单元的属性使其更加具有立体层次感。

 a 侧视图

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 b 后视图

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图7 三维海底地层模型

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⒋三维钻孔模型构建流程

钻孔三维建模同样可以采用上诉地层建模方法进行纵向拉伸来实现，生成三维钻孔柱状模型，方法步骤与地层建模相类似。其建模思路为：利用ArcGIS读取整理后的钻孔数据表，获取数据表中钻孔的X、Y、Z地理坐标生成钻孔点要素，利用3D Analyst工具条中的Extrude Between实现地层界面之间钻孔的垂向拉伸，生成以圆柱体形状模拟出的三维钻孔模型，修改各层位钻孔颜色以区别其属性特征，然后在Scene场景整体显示。

可以利用钻孔柱状图与生成的三维钻孔模型进行比对校验。符合要求后，在Scene场景中，通过修改钻孔单元颜色来区分钻孔层位地质结构，实现各个钻孔属性数据的三维可视化，见图8。

图8 三维海底钻孔模型

三

、基于ArcGIS Engine的三维海底系统开发

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⒈系统设计

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本文基于ESRI公司的二次开发平台ArcGIS Engine进行埕北海域三维海底虚拟仿真系统平台的开发。三维海底虚拟仿真系统开发的总体思路是基于Geodatabase实现三维空间数据和属性数据的一体化管理；利用ArcGIS实现数据处理、三维海底地层的建模；利用ArcGIS Engine开发包中的类序所提供的接口实现数据库连接，利用类库中提供的可视化控件实现二、三维场景的驱动。系统采用C/S模式，在Visual Studio2010的环境下，基于ArcGIS Engine10.0的二次开发组件包，利用C#语言进行三维海底虚拟仿真系统的开发。

系统采用C/S模式，整个系统采用微软推荐的逻辑－分层式结构，即表现层、业务层、数据层。表现层是指用户所接触的层，即操作界面。业务层是指整个系统的业务逻辑，将表现层和数据层连接起来。数据层主要部署在服务器上，主要存放多源的海洋数据、基础地形数据等。系统架构图如图9所示。

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图9 系统架构图

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⒉系统实现

系统主界面主要由菜单栏、工具栏、图层控制窗口、二维地图显示控制区、三维地图显示区、状态栏六部分组成，系统主界面见图10。

图10 系统运行界面

主要功能有：二三维联动视图、地图识别、三维动画、地层单元面积、体积计算等功能。系统能够快速获取研究区内各种浅地层空间地质信息，初步实现了表层沉积物、海底地形、地层信息、钻孔数据的二三维可视化。

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四

、结论

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论文所建立的埕北三维海底空间数据库，可以较好地集成管理研究区域内所获取的海底数据；设计开发的埕北三维海底虚拟仿真系统能够获取研究区内各种浅地层空间地质信息，初步实现了海底表层沉积物、海底地形、地层信息、钻孔数据的二三维可视化。研究成果对于海底数据的储存管理、三维建模、二三维一体可视化以及“数字海底”的建设，具有一定的实用价值。后续的研究工作将进行三维海底虚拟仿真系统的不断完善及海底重力、磁力等海底调查数据的集成管理与可视化。

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END

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【作者简介】文/肖鹏 王悦东 李安龙，分别来自北京劳雷海洋仪器有限公司和中国海洋大学海洋地球科学学院。第一作者肖鹏，1988出生，男，硕士，北京劳雷海洋仪器有限公司，工程师，主要从事海底调查数据集成管理与可视化研究；通讯作者李安龙，中国海洋大学海洋地球科学学院，教授，主要研究海洋工程地质及灾害评估。文章来自《海洋信息》（2020年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，本文由作者授权发布。

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