海洋技术▏基于GIS的海洋地质数据集成管理与可视化 - 海底地质过程模拟工具

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“数字海底”是综合利用信息科学、网络技术及海洋地质等学科，把海洋地质调查采集到的海底海量数据，转换集成为可以反映海底表面及海底地下一定深度的各类地质现象（海底地形、地貌、地层分布特征等信息）及其属性的系统，该系统可以实现海底地质信息的资源共享及信息服务。

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目前，国内外对于“数字海底”的研究已经取得了一定的成果，主要集中在海底表层地形三维可视化建模方面。然而，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，单靠常规海洋地质调查获取的浅地层剖面图像以二维的形式表达测区的地层结构，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。为了更加直观的显示水下地层的分布特征情况，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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一、海洋地质数据集成管理

本文资料来自于2016年利用EdgeTech公司多波束测深系统、侧扫声呐系统、浅地层剖面仪试验演示获得的数据。水深数据由EdgeTech 6205多波束探测系统获得，通过后处理软件Caris HIPS对多波束数据进行条带编辑、子序编辑、潮位改正、数据融合，生成水深数字高程模型；侧扫数据由EdgeTech 6205侧扫声呐探测系统获得，通过后处理软件Caris SIPS对侧扫数据进行图像校正，生成镶嵌图；浅地层剖面数据由EdgeTech3300探测系统获得，采用后处理软件SonarWiz6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。

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。本文结合海底调查数据格式和后续开发平台需求，选择ESRI公司的Geodatabase地理空间数据库，建立海洋地质数据库，构建海底地貌-地形-地层一体化的空间数据模型。本文涉及到的海底空间数据（侧扫声呐、海底地形、三维地层）等数据，可利用ArcCatalog建立海域三维海底数据库，然后在Geodatabase中分别建立Feature Dataset、Raster Catalog：其中Feature Dataset用于管理矢量数据（多波束水深点、MultiPatch地层数据等），Raster Catalog用于管理栅格数据（侧扫声呐镶嵌图、水深地形图、地层解译界面图等）。

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二、GIS中海洋地质数据三维显示

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⒈海底地层三维建模

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陆地三维空间建模一般采用“钻孔-层面模型”方法，与陆地相比，海洋地理环境复杂多变，海上钻孔非常困难，成本极高。本文以浅地层剖面数据为源数据，基于ArcGIS10.0进行三维地层建模。对各层面的浅地层剖面数据进行“Kriging”插值生成地层界面，再根据得到的地层界面转换生成与其相对应的界面不规则三角网，然后利用“Extrude Between”工具对各个地层TIN面进行“面拉伸”，建立测区海底地层三维模型，实现地层单元模型的三维可视化，建模流程如图1所示。

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图1 三维海底地层建模流程

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⑴浅地层剖面数据处理。测区浅地层剖面数据处理时采用SonarWiz6软件，对每条测线的浅地层剖面图像进行解译，对各个地层界面进行数字化，然后导出为X、Y、Depth(m)格式的文本文件，将各个地层界面数据导出，整理为Excel表格数据，格式为（经度、纬度、水深）的形式，以便在GIS环境下基于真实的地理坐标反映测区海底各地层界面的空间分布情况。

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⑵地层界面空间插值。添加上述“.xls”表格数据，生成点要素矢量文件，然后利用3D Analyst Tools中的Raster Interpolation进行空间内插插值运算，设置相关的参数，生成地层界面数字高程模型。

⑶地层界面转为不规则三角网。使用3D Analyst Tool中的Raster to TIN来实现地层界面至不规则三角网的转换。操作过程中需要注意参数设置Z值容差的设置，Z值越小，转换生成的不规则三角网模型表面越光滑细腻，地形起伏形态越接近真实三维地物表面。

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⑷创建测区面要素范围。在ArcMap环境下根据测区真实的地理坐标，创建测区面要素多边形。

⑸测区要素拉伸。利用3D Analyst工具条中的Extrude Between实现地层单元的垂向拉伸。重复使用该工具条，得到相应的各个地层单元。⑹测区三维海底地层模型展示。在ArcGIS显示界面中，能够完整显示测区内各个海底地层单元，可以通过ArcGIS提供的工具条与图层控制窗口对每一个地层单元进行缩放、旋转，从而全方位、多角度的了解测区地层空间分布特征与地层之间的相互位置关系。 6 a' o4 X9 v' M' S7 C

⒉基于ArcGIS Engine的三维海底系统开发

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本文基于ESRI公司的二次开发平台ArcGIS Engine进行海域三维海底虚拟仿真系统平台的开发。ArcGIS Engine是ArcGIS软件包中的一套软件开发引擎，可以让程序员创建自定义的GIS桌面程序，拥有许多高级GIS功能。

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⑴三维海底虚拟仿真系统架构设计。三维海底虚拟仿真系统开发的总体思路是基于Geodatabase实现三维海底空间数据和属性数据的一体化管理；利用ArcGIS实现地形、地貌数据处理、三维海底地层的构建；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。

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本系统采用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。

⑵三维海底虚拟仿真系统功能设计。根据逐步求精的结构化系统设计原则，三维海底虚拟仿真系统应该具有界面友好、操作简单、运行效率高等特点，主要功能有：能够充分利用测区海域三维海底空间数据库中的海底数据，实现海底地层各单元显示、区域地质空间信息的三维可视化、能够快速获取区域地质综合信息，能够从整体上更加形象、直观地对测区海底三维空间信息进行全方位动态的浏览。三维海底虚拟仿真系统含有4个模块：图层控制、基本工具、分析工具、三维浏览。

一个完美的GIS三维系统，要求功能是多方面的，除了一些基本的GIS功能如图层放大、缩小、平移、数据导入、三维浏览、漫游、打开文件、保存文件等基本功能外，还需一些操作简单、布局视图直观的功能。文章基于测区真实的三维海底地理背景，开发出了多种系统功能，主要有二三维联动、地图识别、地层单元面积体积计算、三维动画三个比较有特色的系统功能。

⒊三维海底虚拟仿真系统实现

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⑴三维海底虚拟仿真系统主界面

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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，系统主界面如图2所示。

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图2 系统运行界面

⑵三维海底虚拟仿真系统主要功能

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①地貌、地形、地层的一体化显示。侧扫声呐地貌数据、多波束地形数据、浅地层剖面地层数据的三维一体化显示：系统连接到三维海底数据库以后，所有数据能够叠加显示在视图中央位置，对于地貌、水深DEM 数据，可以设置图层的Base Heights值，然后基于场景视图范围计算最佳的垂直拉伸系数，达到最好的地形起伏的效果，使海底地形地貌更加逼真，图3、图4所示。

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图3 水深DEM与地层叠加

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图4 侧扫声呐图像、水深DEM与地层的叠加

②二三维联动视图。系统界面是一个开发系统最直观的外部体现，GIS系统实际上是属于图形操作系统的一种。为了更好地基于真实的地理位置来模拟和表达测区具体位置与海底三维地质体，需要对海底地下实体从不同的角度、维度进行显示和分析，二三维联动视图正好能够解决这一问题。

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二三维联动视图是在二维的地图中显示三维实体所对应的具体地理位置，当三维实体位置变化时，二维地图也随之相应改变。

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③地图识别。三维地图识别是指获取地图上某一点处的所有图层信息。在ArcGIS Engine开发环境中要通过IHit3DSet和ISceneGraph接口编程实现。当鼠标点击地图上的某一点来获取三维海底图层信息时，系统可以直接把测区所集成管理的水深值、地层单元信息等，以对话框的形式直观的显示出来。

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④地层单元面积、体积计算。假设想知道地层单元U2的表面积和体积，只需输入地层单元U2所在图层控制窗口中的图层顺序值4即可，然后点击面积、体积开始计算，就能在右边的显示栏中出现计算结果。表面积、体积计算主要通过IVolume、IArea3D接口实现。

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⑤三维动画。三维动画是对一个图层或者多个图层的属性变化进行直观、可视化的三维展示。使用动画可以对图层的视角、文档属性的变化、地理位置的移动进行储存展示，以三维动画的形式呈现对象属性。在ArcGIS Engine开发环境下，需要通过BookMark3DClass类、IKeyframe接口、IAimationTrack接口和IAnimationTracks接口来实现。

系统创建三维动画是通过连续创建捕获三维视图，存储为关键帧实现的。捕获的三维视图是特定时间场景中的快照，将快照作为关键帧，通过创建一系列关键帧构建快照运动轨迹，从而形成连续的三维动画视频场景，实现海底多维地质信息在真三维环境下地形、地貌、地层空间分布特征全面、直观的表达。

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三、结束语

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“数字海底”是海洋地质学、地理信息系统、遥感、计算机等学科的融合，海底地质调查工作又是一项长期、综合的海洋调查活动。因此，“数字海底”、“数字海洋”的建设是一个漫长的过程，其中会面临诸多挑战。本文是GIS技术与海底地质调查技术进行的初步交叉研究，所建立的三维海底系统还不够完善，后序工作需要开展三维海底虚拟仿真系统的完善及地形、地貌、地层三维一体化研究。

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【作者简介】文/肖鹏李有桢王悦东刘斌李安龙，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，硕士，工程师，研究方向海底调查数据集成管理与可视化；通讯作者李安龙，教授，研究方向海洋工程地质调查和灾害地质评估；本文为基金项目，国家自然科学基金（41476069）；文章来自《测绘地理信息》（2019年第5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，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。

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