基于浅剖数据的三维海底地层模型构建*

李安龙， 肖　鹏， 杨肖迪， 罗小桥， 林　霖， 杨彦兴

(1.海底科学与探测技术教育部重点实验室， 山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋地球科学学院， 山东 青岛 266100；

3.中国石油集团工程技术研究院, 天津 300451)



基于浅剖数据的三维海底地层模型构建*

李安龙1,2， 肖鹏1，2， 杨肖迪1,2， 罗小桥3， 林霖1，2， 杨彦兴1，2

(1.海底科学与探测技术教育部重点实验室， 山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学海洋地球科学学院， 山东 青岛 266100；

3.中国石油集团工程技术研究院, 天津 300451)

摘要：本文以连续的浅剖数据为源数据，通过钻孔资料解译建立地层数据库，利用ArcGIS10.0的3D分析功能模块，建立了工作区的三维海底地层模型。该模型能够完整表达复杂地质体的各种地质构造，可从多个角度展现工作区海底地层的内部结构，不但实现了海底地质体的三维可视化，而且还可以进行屏幕信息查询。

关键词：浅剖数据源； ArcGIS10.0； 三维海底地层模型

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.

随着科学技术的进步和信息化产业的迅速发展，人们对获取隐蔽信息的要求越来越趋向于直观化与立体化，内部结构不易被肉眼看清的海洋水体及海底信息的透视化成为时代的要求。在中国日益重视海洋的今天，海洋信息的透视化已经成为国家的发展战略，“数字海底”应运而生[1]。“数字海底”是利用空间信息技术，基于真实的地理环境来直观的表达海底地形、地貌、地质构造以及海底以下一定深度地层分布特征情况的各类地质现象，并对海底的相关信息进行数据集成管理和综合应用的虚拟系统。“数字海底”建设过程中首先需要进行大量的海洋综合调查来获取海底信息。然而由于海洋地理环境的复杂性，目前海洋地质调查技术多数通过多波束、声呐、浅地层剖面仪等仪器获取数据，海底信息只是在二维环境下显示和分析海底地形、地貌、海底地层结构，原本属于三维海底地质体的完整信息只能分散在各个独立的二维图像中，很难了解海底地层的三维细节特征[2]。

为了更加直观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，建立三维海底地层非常重要，它可以让人们更加直观地了解沉积物的地下分布情况和几何形态，最大限度地增强地质分析的准确性,使之做出符合地质现象分布变化规律的工程设计与施工方案[3]。目前在三维地层建模研究上已取得了非常多的成果，如对建模软件的开发，国内外现一些大型分析软件，如MapInfo，ArcInfo，GeoSTAR，MapGIS和IMAGIS等，侧重于对地形地貌的三维模拟[4]；而对于层状地质体，夏艳华提出采用TIN体元构建三维地层模型[5]，朱良峰等提出用虚拟钻孔数据构建了三维地层模型[6]；郭艳军等同样基于钻孔数据和交叉折剖面约束建立了三维地层模型[7]等。工程钻探取样获取的钻孔数据可以很好地反映研究区地层的垂直分布状况，描述海底地层的内部构造。由于陆地施工方便，获取一个地区的钻孔信息非常容易。而离开陆地的海洋因其环境的复杂性，钻孔数据的获取却异常困难，成本极高。在有限经费的支持下，对一个区域的研究所获得的钻孔数量将很有限，覆盖密度较低。仅仅依靠这些少量离散的钻孔数据构建三维海底地层模型，得出的仿真三维地质体显然不能够完整的展示海底地层的内部结构。而浅地层剖面仪作为海洋地质调查的重要工具，可以连续高效、高精度对海底地层进行探测，能够以垂直纵向剖面图形反映地层的结构特征，记录观测海底地层剖面，结合地质解释，可以提取出详细连续的海底地层信息。因此，本文在综合前人建模方法的基础上，以连续的浅地层剖面数据为源数据，建立地层数据库，利用ArcGIS10.0三维可视化分析模块，快速地实现了海底三维地层结构模型的动态构建。

1数据获取与三维地层建模

三维海底地层虚拟建模主要包括两个部分：海底三维地层信息的采集和利用获取的数据进行三维建模。海底地层数据的获取和管理是构建三维海底地层模型的关键步骤。

1.1 数据获取

海底信息种类繁多,有些数据的采集相当不易。本文所研究的三维地层虚拟建模需要利用浅地层剖面仪来获取海底信息的坐标、地层深度。浅地层剖面仪是一种走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法，其工作原理如图1所示。

声波在不同介质层中传播时速度会有差异。浅地层剖面仪的震源(发射基阵)按一定时间间隔向下发射声波，声波穿过海水触及海底以后，一部分声波在分界面处发生反射并返回，被水听器(接收基阵)所接受；另一部分声波透射后沿着近视法线方向继续向下传播，在下一个分界面处再发生反射和透射，声波在地层传播过程中声能逐渐损失，直到损失耗尽为止[8-9]。

图1　浅地层剖面仪工作原理

声波的海底反射能量大小由反射系数R决定。反射系数R为：

式中：ρV称为声阻率；ρ1V1，ρ2V2分别表示上层、下层介质的密度和声速。简单地说，海底相邻两层存在一定声阻抗差，当2种地层介质的反射系数较大时，其两层的相邻界面就会有较强的声强，接收到的反射信号就比较强，在剖面仪终端显示器上会反映灰度较强的剖面的界面线。水听器基阵收到的反射信号携带了海底地层分界面的大量有用的地质信息，通过观测记录并分析海底沉积物对于声波的反射特性，可以了解沉积物的地质属性[10](见图2)。

(浅剖图像上显示存在三个反射界面，通过与该区钻孔对比发现，这三个界面分别是海底界面R0，第一层淤泥质粉质黏土的底界面R1，第二层粉质黏土的底界面R2。TherearethreereflectioninterfaceinSubbottomProfileimage,Drillingrevealedthestrataaredividedintotwolayers，Thatis,theseabottominterfaceR0,thebottominterfaceR1ofthefirstmuddyclaylayerandbottominterfaceR2ofSecondsiltyclaylayer.)

图2典型的浅剖反射界面

Fig.2Typicalsubbottomreflectioninterface

浅地层剖面仪与GPS配合调查可以获取大量的海底空间数据，如航迹线、定位数据、浅剖图像数据等，浅地层剖面仪数据处理时，使用专门的后处理软件，结合地质钻孔资料进行地质解译，对沉积地层图像进行数字化，资料处理过程中，会自动生成包括地理坐标、界面深度、沉积物类型等关键信息在内的地层信息数据。

1.2 基于浅剖数据的三维海底建模

通过对浅剖数据进行整理，可以获得海底地层的空间信息，这些数据以一定的格式输入ArcGIS软件后可以对其进行有效的管理、处理和分析，生成各沉积单元的等值线图，然后利用ArcGIS10.0的3D分析模块来建立三维海底地层模型，重现海底地形、地貌、地层分布特征情况。其主要流程如图3所示。

图3　三维海底地层建模流程

(1)浅剖数据整理

对浅地层剖面数据进行处理，获得海底表层与其它地层之间的信息，将其格式整理为(x,y,z)的形式，然后导出“.xls”表格数据。

(2)建立地层模型空间数据库

打开ArcScene 10.0，利用Data Management Tools中的Create File GDB模块创建地层模型空间数据库。地理数据库是一种面向对象的空间数据模型，可以有效的储存和管理浅地层剖面仪所获取的矢量数据(包括航迹线和定位数据)、栅格数据(即浅剖图像数据)、TIN、和投影信息等，它对于地质信息特征的表达更接近对现实世界的认识。地理数据库为ArcGIS更好地管理和使用多类型浅剖数据提供了数据接口和管理框架，它集成了所有在ArcGIS中可以使用的浅剖数据类型(如矢量、栅格、数据表格)及其显示、访问、储存、管理和处理的方法[11]。

(3)地层界面空间插值

添加“.xls”表格数据，生成为点要素的矢量文件，然后利用3D Analyst Tools中的Raster Interpolation(栅格插值)功能生成栅格地层界面数据。栅格插值提供了很多种插值方法，具体运用哪一种需要根据相关数据的需要选取合理的插值方法。对于地质体的数据插值一般采用克里金法，克里金法是基于测量点之间的统计关系的插值方法，不仅能够预测表面，而且可以对预测的准确性做出度量[6]。

(4)地层界面转为不规则三角网

地层界面转为不规则三角网可以通过使用3D Analyst Tool中的Raster to TIN来实现，处理过程期间需要注意设置Z Tolerence值，Z Tolerence值越小，表面越光滑细腻，三维显示时越接近真实表面。不规则三角网与栅格所表达的几何形态基本相同，但数据量相对较大。为了更好的显示研究区实际地层情况，一般将Z Tolerence设置为0。

(5)创建研究区地层多边形范围

打开ArcCatalog模块，新建要素多边形图层，将该图层添加到ArcMap中，打开编辑功能，在该图层上以研究区域地理坐标为基础建立要素多边形。要素多边形可以作为三维海底地层模型研究区范围，而且还可以通过添加字段从而来编辑多边形属性，描述海底地层的属性。我们可以绘制不同区域的几个多边形要素，来研究不同位置区域的海底地层分布情况。

(6)研究区要素拉伸

在ArcScene 10.0中添加研究区域要素多边形，利用3D Analyst工具条中的Extrude Between，将研究区多边形通过在2个不规则三角网(TIN)数据集间纵向拉伸生成3D要素类数据。根据地层顺序，重复使用此工具条，得到相应各地层单元数据。通过各个地层属性表编辑其地质属性。

(7)三维海底地层模型显现

通过上述操作，在ArcScene10.0显示界面中，可以自动生成各个海底地层单元模型，并且可以对其缩放、旋转、全方位、多角度了解地层分布情况。调整地层单元的属性可以使其更加具有立体层次感。

2应用实例

以青岛某海域工程地质调查为例，拟通过水深和浅地层调查获得该海底地层的空间分布状况，通过工程地质钻探获得该地层的物理力学性质和确定持力层，为海洋工程场址选择提供依据。研究区域位于水深在-12.3～-25.5 m之间，平均水深-18.0 m左右的黄海海域，面积为2.4 km2，调查时布设主测线7条，每条测线长度2 km，间距200 m，联络测线4条，间距500 m。浅地层调查仪器采用英国AAE公司CSP-D2400浅地层剖面仪，震源采用AA300电磁脉冲声源。AA300电磁脉冲声源在地层为淤泥、软黏土的状况下可穿透地层深度40～60 m，分辨率在20 cm以内，能达到调查的深度精度要求。钻孔资料显示，本区基岩面埋深0～8.0 m，基岩面以上地层分为二层，第一层为灰褐色淤泥质粉质黏土，流塑～软塑状态，厚0.0～3.4 m；第二层为粉质黏土，可塑状态，厚0.0～4.6 m；下伏基岩为中风化花岗岩。调查过程中采用尾拖方式，由于涨落潮和水听器在水面上的上下波动影响，剖面仪终端显示器显示的浅地层剖面图像中的水体厚度不是一个真实水深值。为了校正这些影响，在调查过程中同步进行单波束水深测量和在已知水准点进行验潮，将每一时刻的实测水深值校正到与浅剖定标同一时刻。资料处理时首先利用浅剖专用SonarWiz5后处理软件，根据钻孔深度与剖面深度对比结果将时间-距离换算成距离-距离曲线后输出至屏幕后直接进行屏幕数字化，获得打标点不同地层的厚度值，再与基于某一深度基准面的水深值相加，获取各个打标点的界面标高，建立地层信息数据文件(“.xls”格式)；第二步打开ArcScene 10.0，利用Data Management Tools中的Create File GDB模块创建地层模型空间数据库；第三步添加“.xls”表格数据，生成为点要素的矢量文件，然后利用3D Analyst Tools中的栅格插值功能生成栅格地层界面数据；第四步使用3D Analyst Tool中的Raster to TIN功能建立地层界面不规则三角网；第五步在ArcCatalog模块创建研究区地层多边形范围；第六步在ArcScene 10.0中添加研究区域要素多边形，利用3D Analyst工具条中的Extrude Between功能将研究区多边形通过在2个不规则三角网(TIN)数据集间拉伸生成3D要素数据，最后，在ArcScene 10.0显示界面，将自动生成海底地层单元模型(见图4)。

在图4中，黑线代表调查船在海面上所经过的航迹线，不同的色带和高差的视觉效果表示海底的起伏形态，海底表面下的色带表示海底地层的空间分布。从图4(a)以直观地看出调查区海底地形、第一层灰褐色淤泥质粉质黏土、第二层粉质黏土和基岩以及海底花岗岩侵入体礁石的空间分布情况。利用ArcScene 10.0界面中的旋转按纽，可以对图3和图4(a)进行缩放和旋转，得到全方位、多角度的地层分布情况(图4(b))。为了直观地显示地层的内部结构，我们对海底切片化分析，方法是在ArcScene 10.0中添加研究区域切片线要素，重复上述第六步，利用3D Analyst工具条中的Extrude Between功能将研究区线要素通过在两个不规则三角网(TIN)数据集间拉伸生成3D要素数据，分析结果如图4所示。能很直观看到地层的内部结构，真正实现了海底地层显示的三维可视化。

图4　海底地层模型

图5　海底地层内部的切片化分析

3结语

本文对海洋地质调查资料处理过程中应用GIS技术，提出包含调查航迹、海底地层和地层切片等多元信息表达的三维地层建模方法，实现了三维海底地层模型的构建。三维地层模型能够直观的显示地层分布情况及地质体内含的各种地质构造、地层分布情况和几何形态。对研究人员来说，该模型可以根据需要对各地层单元进行全方位、动态的分析，实现了海底地层的可视化。

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责任编辑徐环

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

中图法分类号：TM619

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)03-091-05

作者简介：李安龙(1972-)，男， 博士，副教授，从事海洋工程地质和灾害地质方向的研究与教学工作。E-mail:anlongli@ouc.edu.cn

收稿日期：2014-12-19；

修订日期：2015-03-30

基金项目：工业和信息化部《水下工程安全作业仿真测试装备研制及关键技术研究》项目资助

引用格式：李安龙， 肖鹏， 杨肖迪， 等. 基于浅剖数据的三维海底地层模型构建[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016, 46(3)： 91-95.

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