李安龍， 肖　鵬， 楊肖迪， 羅小橋， 林　霖， 楊彥興

(1.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室， 山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院， 山東 青島 266100；

3.中國石油集團工程技術(shù)研究院, 天津 300451)

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基于淺剖數(shù)據(jù)的三維海底地層模型構(gòu)建*

李安龍1,2， 肖鵬1，2， 楊肖迪1,2， 羅小橋3， 林霖1，2， 楊彥興1，2

(1.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室， 山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院， 山東 青島 266100；

3.中國石油集團工程技術(shù)研究院, 天津 300451)

摘要：本文以連續(xù)的淺剖數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)，通過鉆孔資料解譯建立地層數(shù)據(jù)庫，利用ArcGIS10.0的3D分析功能模塊，建立了工作區(qū)的三維海底地層模型。該模型能夠完整表達復(fù)雜地質(zhì)體的各種地質(zhì)構(gòu)造，可從多個角度展現(xiàn)工作區(qū)海底地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不但實現(xiàn)了海底地質(zhì)體的三維可視化，而且還可以進行屏幕信息查詢。

關(guān)鍵詞：淺剖數(shù)據(jù)源； ArcGIS10.0； 三維海底地層模型

LI An-Long, XIAO Peng, YANG Xiao-Di, et al. Reconstruction of 3D seabed strata model based on sub-bottom profile data[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(3)： 91-95.

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和信息化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，人們對獲取隱蔽信息的要求越來越趨向于直觀化與立體化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易被肉眼看清的海洋水體及海底信息的透視化成為時代的要求。在中國日益重視海洋的今天，海洋信息的透視化已經(jīng)成為國家的發(fā)展戰(zhàn)略，“數(shù)字海底”應(yīng)運而生[1]?！皵?shù)字海底”是利用空間信息技術(shù)，基于真實的地理環(huán)境來直觀的表達海底地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造以及海底以下一定深度地層分布特征情況的各類地質(zhì)現(xiàn)象，并對海底的相關(guān)信息進行數(shù)據(jù)集成管理和綜合應(yīng)用的虛擬系統(tǒng)?！皵?shù)字海底”建設(shè)過程中首先需要進行大量的海洋綜合調(diào)查來獲取海底信息。然而由于海洋地理環(huán)境的復(fù)雜性，目前海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)多數(shù)通過多波束、聲吶、淺地層剖面儀等儀器獲取數(shù)據(jù)，海底信息只是在二維環(huán)境下顯示和分析海底地形、地貌、海底地層結(jié)構(gòu)，原本屬于三維海底地質(zhì)體的完整信息只能分散在各個獨立的二維圖像中，很難了解海底地層的三維細節(jié)特征[2]。

為了更加直觀顯示水下地層的分布特征情況，尤其是在海底這一特殊而復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，建立三維海底地層非常重要，它可以讓人們更加直觀地了解沉積物的地下分布情況和幾何形態(tài)，最大限度地增強地質(zhì)分析的準確性,使之做出符合地質(zhì)現(xiàn)象分布變化規(guī)律的工程設(shè)計與施工方案[3]。目前在三維地層建模研究上已取得了非常多的成果，如對建模軟件的開發(fā)，國內(nèi)外現(xiàn)一些大型分析軟件，如MapInfo，ArcInfo，GeoSTAR，MapGIS和IMAGIS等，側(cè)重于對地形地貌的三維模擬[4]；而對于層狀地質(zhì)體，夏艷華提出采用TIN體元構(gòu)建三維地層模型[5]，朱良峰等提出用虛擬鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建了三維地層模型[6]；郭艷軍等同樣基于鉆孔數(shù)據(jù)和交叉折剖面約束建立了三維地層模型[7]等。工程鉆探取樣獲取的鉆孔數(shù)據(jù)可以很好地反映研究區(qū)地層的垂直分布狀況，描述海底地層的內(nèi)部構(gòu)造。由于陸地施工方便，獲取一個地區(qū)的鉆孔信息非常容易。而離開陸地的海洋因其環(huán)境的復(fù)雜性，鉆孔數(shù)據(jù)的獲取卻異常困難，成本極高。在有限經(jīng)費的支持下，對一個區(qū)域的研究所獲得的鉆孔數(shù)量將很有限，覆蓋密度較低。僅僅依靠這些少量離散的鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建三維海底地層模型，得出的仿真三維地質(zhì)體顯然不能夠完整的展示海底地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而淺地層剖面儀作為海洋地質(zhì)調(diào)查的重要工具，可以連續(xù)高效、高精度對海底地層進行探測，能夠以垂直縱向剖面圖形反映地層的結(jié)構(gòu)特征，記錄觀測海底地層剖面，結(jié)合地質(zhì)解釋，可以提取出詳細連續(xù)的海底地層信息。因此，本文在綜合前人建模方法的基礎(chǔ)上，以連續(xù)的淺地層剖面數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)，建立地層數(shù)據(jù)庫，利用ArcGIS10.0三維可視化分析模塊，快速地實現(xiàn)了海底三維地層結(jié)構(gòu)模型的動態(tài)構(gòu)建。

1數(shù)據(jù)獲取與三維地層建模

三維海底地層虛擬建模主要包括兩個部分：海底三維地層信息的采集和利用獲取的數(shù)據(jù)進行三維建模。海底地層數(shù)據(jù)的獲取和管理是構(gòu)建三維海底地層模型的關(guān)鍵步驟。

1.1 數(shù)據(jù)獲取

海底信息種類繁多,有些數(shù)據(jù)的采集相當(dāng)不易。本文所研究的三維地層虛擬建模需要利用淺地層剖面儀來獲取海底信息的坐標、地層深度。淺地層剖面儀是一種走航式探測水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法，其工作原理如圖1所示。

聲波在不同介質(zhì)層中傳播時速度會有差異。淺地層剖面儀的震源(發(fā)射基陣)按一定時間間隔向下發(fā)射聲波，聲波穿過海水觸及海底以后，一部分聲波在分界面處發(fā)生反射并返回，被水聽器(接收基陣)所接受；另一部分聲波透射后沿著近視法線方向繼續(xù)向下傳播，在下一個分界面處再發(fā)生反射和透射，聲波在地層傳播過程中聲能逐漸損失，直到損失耗盡為止[8-9]。

圖1　淺地層剖面儀工作原理

聲波的海底反射能量大小由反射系數(shù)R決定。反射系數(shù)R為：

式中：ρV稱為聲阻率；ρ1V1，ρ2V2分別表示上層、下層介質(zhì)的密度和聲速。簡單地說，海底相鄰兩層存在一定聲阻抗差，當(dāng)2種地層介質(zhì)的反射系數(shù)較大時，其兩層的相鄰界面就會有較強的聲強，接收到的反射信號就比較強，在剖面儀終端顯示器上會反映灰度較強的剖面的界面線。水聽器基陣收到的反射信號攜帶了海底地層分界面的大量有用的地質(zhì)信息，通過觀測記錄并分析海底沉積物對于聲波的反射特性，可以了解沉積物的地質(zhì)屬性[10](見圖2)。

(淺剖圖像上顯示存在三個反射界面，通過與該區(qū)鉆孔對比發(fā)現(xiàn)，這三個界面分別是海底界面R0，第一層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的底界面R1，第二層粉質(zhì)黏土的底界面R2。TherearethreereflectioninterfaceinSubbottomProfileimage,Drillingrevealedthestrataaredividedintotwolayers，Thatis,theseabottominterfaceR0,thebottominterfaceR1ofthefirstmuddyclaylayerandbottominterfaceR2ofSecondsiltyclaylayer.)

圖2典型的淺剖反射界面

Fig.2Typicalsubbottomreflectioninterface

淺地層剖面儀與GPS配合調(diào)查可以獲取大量的海底空間數(shù)據(jù)，如航跡線、定位數(shù)據(jù)、淺剖圖像數(shù)據(jù)等，淺地層剖面儀數(shù)據(jù)處理時，使用專門的后處理軟件，結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料進行地質(zhì)解譯，對沉積地層圖像進行數(shù)字化，資料處理過程中，會自動生成包括地理坐標、界面深度、沉積物類型等關(guān)鍵信息在內(nèi)的地層信息數(shù)據(jù)。

1.2 基于淺剖數(shù)據(jù)的三維海底建模

通過對淺剖數(shù)據(jù)進行整理，可以獲得海底地層的空間信息，這些數(shù)據(jù)以一定的格式輸入ArcGIS軟件后可以對其進行有效的管理、處理和分析，生成各沉積單元的等值線圖，然后利用ArcGIS10.0的3D分析模塊來建立三維海底地層模型，重現(xiàn)海底地形、地貌、地層分布特征情況。其主要流程如圖3所示。

圖3　三維海底地層建模流程

(1)淺剖數(shù)據(jù)整理

對淺地層剖面數(shù)據(jù)進行處理，獲得海底表層與其它地層之間的信息，將其格式整理為(x,y,z)的形式，然后導(dǎo)出“.xls”表格數(shù)據(jù)。

(2)建立地層模型空間數(shù)據(jù)庫

打開ArcScene 10.0，利用Data Management Tools中的Create File GDB模塊創(chuàng)建地層模型空間數(shù)據(jù)庫。地理數(shù)據(jù)庫是一種面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型，可以有效的儲存和管理淺地層剖面儀所獲取的矢量數(shù)據(jù)(包括航跡線和定位數(shù)據(jù))、柵格數(shù)據(jù)(即淺剖圖像數(shù)據(jù))、TIN、和投影信息等，它對于地質(zhì)信息特征的表達更接近對現(xiàn)實世界的認識。地理數(shù)據(jù)庫為ArcGIS更好地管理和使用多類型淺剖數(shù)據(jù)提供了數(shù)據(jù)接口和管理框架，它集成了所有在ArcGIS中可以使用的淺剖數(shù)據(jù)類型(如矢量、柵格、數(shù)據(jù)表格)及其顯示、訪問、儲存、管理和處理的方法[11]。

(3)地層界面空間插值

添加“.xls”表格數(shù)據(jù)，生成為點要素的矢量文件，然后利用3D Analyst Tools中的Raster Interpolation(柵格插值)功能生成柵格地層界面數(shù)據(jù)。柵格插值提供了很多種插值方法，具體運用哪一種需要根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的需要選取合理的插值方法。對于地質(zhì)體的數(shù)據(jù)插值一般采用克里金法，克里金法是基于測量點之間的統(tǒng)計關(guān)系的插值方法，不僅能夠預(yù)測表面，而且可以對預(yù)測的準確性做出度量[6]。

(4)地層界面轉(zhuǎn)為不規(guī)則三角網(wǎng)

地層界面轉(zhuǎn)為不規(guī)則三角網(wǎng)可以通過使用3D Analyst Tool中的Raster to TIN來實現(xiàn)，處理過程期間需要注意設(shè)置Z Tolerence值，Z Tolerence值越小，表面越光滑細膩，三維顯示時越接近真實表面。不規(guī)則三角網(wǎng)與柵格所表達的幾何形態(tài)基本相同，但數(shù)據(jù)量相對較大。為了更好的顯示研究區(qū)實際地層情況，一般將Z Tolerence設(shè)置為0。

(5)創(chuàng)建研究區(qū)地層多邊形范圍

打開ArcCatalog模塊，新建要素多邊形圖層，將該圖層添加到ArcMap中，打開編輯功能，在該圖層上以研究區(qū)域地理坐標為基礎(chǔ)建立要素多邊形。要素多邊形可以作為三維海底地層模型研究區(qū)范圍，而且還可以通過添加字段從而來編輯多邊形屬性，描述海底地層的屬性。我們可以繪制不同區(qū)域的幾個多邊形要素，來研究不同位置區(qū)域的海底地層分布情況。

(6)研究區(qū)要素拉伸

在ArcScene 10.0中添加研究區(qū)域要素多邊形，利用3D Analyst工具條中的Extrude Between，將研究區(qū)多邊形通過在2個不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)數(shù)據(jù)集間縱向拉伸生成3D要素類數(shù)據(jù)。根據(jù)地層順序，重復(fù)使用此工具條，得到相應(yīng)各地層單元數(shù)據(jù)。通過各個地層屬性表編輯其地質(zhì)屬性。

(7)三維海底地層模型顯現(xiàn)

通過上述操作，在ArcScene10.0顯示界面中，可以自動生成各個海底地層單元模型，并且可以對其縮放、旋轉(zhuǎn)、全方位、多角度了解地層分布情況。調(diào)整地層單元的屬性可以使其更加具有立體層次感。

2應(yīng)用實例

以青島某海域工程地質(zhì)調(diào)查為例，擬通過水深和淺地層調(diào)查獲得該海底地層的空間分布狀況，通過工程地質(zhì)鉆探獲得該地層的物理力學(xué)性質(zhì)和確定持力層，為海洋工程場址選擇提供依據(jù)。研究區(qū)域位于水深在-12.3～-25.5 m之間，平均水深-18.0 m左右的黃海海域，面積為2.4 km2，調(diào)查時布設(shè)主測線7條，每條測線長度2 km，間距200 m，聯(lián)絡(luò)測線4條，間距500 m。淺地層調(diào)查儀器采用英國AAE公司CSP-D2400淺地層剖面儀，震源采用AA300電磁脈沖聲源。AA300電磁脈沖聲源在地層為淤泥、軟黏土的狀況下可穿透地層深度40～60 m，分辨率在20 cm以內(nèi)，能達到調(diào)查的深度精度要求。鉆孔資料顯示，本區(qū)基巖面埋深0～8.0 m，基巖面以上地層分為二層，第一層為灰褐色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑～軟塑狀態(tài)，厚0.0～3.4 m；第二層為粉質(zhì)黏土，可塑狀態(tài)，厚0.0～4.6 m；下伏基巖為中風(fēng)化花崗巖。調(diào)查過程中采用尾拖方式，由于漲落潮和水聽器在水面上的上下波動影響，剖面儀終端顯示器顯示的淺地層剖面圖像中的水體厚度不是一個真實水深值。為了校正這些影響，在調(diào)查過程中同步進行單波束水深測量和在已知水準點進行驗潮，將每一時刻的實測水深值校正到與淺剖定標同一時刻。資料處理時首先利用淺剖專用SonarWiz5后處理軟件，根據(jù)鉆孔深度與剖面深度對比結(jié)果將時間-距離換算成距離-距離曲線后輸出至屏幕后直接進行屏幕數(shù)字化，獲得打標點不同地層的厚度值，再與基于某一深度基準面的水深值相加，獲取各個打標點的界面標高，建立地層信息數(shù)據(jù)文件(“.xls”格式)；第二步打開ArcScene 10.0，利用Data Management Tools中的Create File GDB模塊創(chuàng)建地層模型空間數(shù)據(jù)庫；第三步添加“.xls”表格數(shù)據(jù)，生成為點要素的矢量文件，然后利用3D Analyst Tools中的柵格插值功能生成柵格地層界面數(shù)據(jù)；第四步使用3D Analyst Tool中的Raster to TIN功能建立地層界面不規(guī)則三角網(wǎng)；第五步在ArcCatalog模塊創(chuàng)建研究區(qū)地層多邊形范圍；第六步在ArcScene 10.0中添加研究區(qū)域要素多邊形，利用3D Analyst工具條中的Extrude Between功能將研究區(qū)多邊形通過在2個不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)數(shù)據(jù)集間拉伸生成3D要素數(shù)據(jù)，最后，在ArcScene 10.0顯示界面，將自動生成海底地層單元模型(見圖4)。

在圖4中，黑線代表調(diào)查船在海面上所經(jīng)過的航跡線，不同的色帶和高差的視覺效果表示海底的起伏形態(tài)，海底表面下的色帶表示海底地層的空間分布。從圖4(a)以直觀地看出調(diào)查區(qū)海底地形、第一層灰褐色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、第二層粉質(zhì)黏土和基巖以及海底花崗巖侵入體礁石的空間分布情況。利用ArcScene 10.0界面中的旋轉(zhuǎn)按紐，可以對圖3和圖4(a)進行縮放和旋轉(zhuǎn)，得到全方位、多角度的地層分布情況(圖4(b))。為了直觀地顯示地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們對海底切片化分析，方法是在ArcScene 10.0中添加研究區(qū)域切片線要素，重復(fù)上述第六步，利用3D Analyst工具條中的Extrude Between功能將研究區(qū)線要素通過在兩個不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)數(shù)據(jù)集間拉伸生成3D要素數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如圖4所示。能很直觀看到地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，真正實現(xiàn)了海底地層顯示的三維可視化。

圖4　海底地層模型

圖5　海底地層內(nèi)部的切片化分析

3結(jié)語

本文對海洋地質(zhì)調(diào)查資料處理過程中應(yīng)用GIS技術(shù)，提出包含調(diào)查航跡、海底地層和地層切片等多元信息表達的三維地層建模方法，實現(xiàn)了三維海底地層模型的構(gòu)建。三維地層模型能夠直觀的顯示地層分布情況及地質(zhì)體內(nèi)含的各種地質(zhì)構(gòu)造、地層分布情況和幾何形態(tài)。對研究人員來說，該模型可以根據(jù)需要對各地層單元進行全方位、動態(tài)的分析，實現(xiàn)了海底地層的可視化。

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責(zé)任編輯徐環(huán)

Reconstruction of 3D Seabed Strata Model Based on Sub-Bottom Profile Data

LI An-Long1,2， XIAO Peng1,2， YANG Xiao-Di1,2， LUO Xiao-Qiao3， LIN Lin1,2， YANG Yan-Xing1,2

(1.The Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Qingdao 266100, China； 2.College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 3.CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China)

Abstract:It is very urgent to show visual sea-bottom information with the deeper development of marine science because of the complexity of marine geological condition and latent characteristic of information under seabed. The 3D seabed strata model can help people to understand intuitively the complex seabed stratigraphic structure and the space distribution of strata in the study area, which is of great significance for Marine geological survey and ocean engineering construction. In this paper, the 3D seabed stratum model is established by using 3D Analysis module of the powerful ArcGIS10.0 based on the sequent sub-bottom profile data. This model can exhibit the internal structure of the survey area strata from different profile and attain 3D visualization of the sea-bottom geological body and carry out information finding.

Key words:sub-bottom profile data source； ArcGIS 10.0； 3D seabedstrata model

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140422

中圖法分類號：TM619

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)03-091-05

作者簡介：李安龍(1972-)，男， 博士，副教授，從事海洋工程地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)方向的研究與教學(xué)工作。E-mail:anlongli@ouc.edu.cn

收稿日期：2014-12-19；

修訂日期：2015-03-30

基金項目：工業(yè)和信息化部《水下工程安全作業(yè)仿真測試裝備研制及關(guān)鍵技術(shù)研究》項目資助

引用格式：李安龍， 肖鵬， 楊肖迪， 等. 基于淺剖數(shù)據(jù)的三維海底地層模型構(gòu)建[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2016, 46(3)： 91-95.

Supported by the Project on the Key Technology and Development of Simulation Test Equipment for Underwater Engineering Safety Operation