基于ArcGIS软件的油气资源与盆地评价工业制图技术与应用

汪永华，蔚远江,2*，温志新，宋成鹏，王兆明，吴珍珍

(1. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083; 2. 国家能源页岩气研发(实验)中心，北京 100083)

0 引 言

随着GIS、ArcGIS软件被广泛应用于油气行业、自然资源管理、地质调查等领域，周丹等提出了基于ArcGIS软件制作专题地图的关键步骤和编制方法，何文娜等基于ArcGIS软件开发了智绘地质软件，以地质大数据、专家系统、人工智能技术等为支撑的地质图智能编制技术取得突破性进展，引领了地质编图技术变革，有利于开启新一代交互式智能化编图的工作模式。

油气工业图件是油气勘查和科研成果的信息载体之一，要求达到油气行业勘探开发生产标准和精度，直观反映油气勘探开发现状、展示勘探开发成果和研究认识。近年来，ArcGIS软件制图技术凭借其强大的功能性和可操作性，并与知名研究机构IHS(IHS Markit Inc.)、Wood Mackenzie、CGG(Compagnie Générale de Géophysique)公司的商业油气数据库兼容，已成为世界知名石油公司必用的软件平台。中国油气工业制图和地质编图工作得到了较大发展，并在数据库建设、数字制图、GIS应用等方面已初具规模。但ArcGIS这一先进的地理信息系统制图软件应用于快速油气工业制图的报道并不多见。基于此，本文基于课题组在国家“十二五”计划以来积累的ArcGIS软件在全球含油气盆地资源研究中的应用，探讨了石油行业ArcGIS软件工业制图方法和技术经验，以数据成图为核心，创建了石油行业ArcGIS数据工业制图的主要流程并应用于编图实践，突破了传统的数据管理与制图方法，形成了对海量油气数据和图形信息的高效管理与快速工业制图，极大提高了效率，以期为科研人员开展相关研究提供参考。

1 油气工业制图优势

基于ArcGIS软件强大的空间分析和决策支持能力，ArcGIS软件油气工业制图具有五大优势：①精确定位空间信息，数据精度高；②海量处理与存储两大类数据，制图效率高；③空间数据库精确加载和管理，更新维护便捷；④规范化制作点线面标准符号，可重复使用；⑤图件标注与整饰灵活，操作方便快捷。

1.1 精确定位空间信息，数据精度高

使用Geodatabase(GDB)数据模型建立空间数据库，可形成带有属性信息的ArcGIS格式数据。其包含高精度属性信息，能对地理信息进行有效的管理分析，应用数字化的数据，实现了精确空间信息定位，有助于避免差错和提高制图精度。

1.2 海量处理与存储两大类数据，制图效率高

ArcGIS软件可以处理和储存两种数据，即矢量数据和栅格数据。矢量数据是指基于Geodatabase的对象数据模型，把空间数据和属性数据存储在唯一的系统中。栅格数据是指在栅格数据集中，每个像元都有一个值，用来表达所描绘的现象，如类别、高度、量级或光谱等。

通过Geodatabase存储技术建立无缝连接的空间数据库，克服了传统制图软件无法跨越的海量数据瓶颈问题，避免了图幅接边工作量；通过ArcGIS软件平台的SQL语句、配合字段计算器进行属性信息的成千上万数据筛选和简化工作，实现了批量筛选数据；应用ArcGIS软件制图模板技术定制好制图模板后，将数据导入，可大区域地图制图和批量分幅输出，极大提高了制图工作效率。

1.3 空间数据库精确加载和管理，更新维护便捷

ArcGIS软件性能和稳定性强大，利用数据库加载地理空间信息及相关数据成图，可以实现几十个图层一次处理。针对油气行业数据特点加载基础地理数据，对制图相关空间数据进行有效管理，并支持数据更新，更新空间数据即可生成最新图件。

同时，Geodatabase使用数据库管理系统(DBMS)对栅格数据集、矢量数据集、TIN数据集以及相关属性数据等进行存储和管理，并建立丰富的空间关系，可以清晰准确地反映现实空间对象信息。在ArcGIS软件中可方便准确地对地质图各要素进行增加、修改、删除、查询检索、数据统计及数据输出等经常性操作，高效地对地质图进行更新与安全管理，既便于资料保存和重复使用，也有利于系统进行便捷更新和维护。

1.4 规范化制作点线面标准符号，可重复使用

根据石油工业制图规范和图示图例标准，结合油气资源与盆地评价需求，在Stlye Manager中创建新的符号库文件，或打开已经存在的符号库，分别选择点、线、面的Simple等符号类型进行符号制作和组合，设计出油气工业图件中常用的符号(库)。其色标使用系统提供的C、M、Y、K比例进行调色，并在工作中长期积累和完善，形成了包含1 000多个基于ArcGIS软件的油气行业标准符号库，可以重复使用，有效提高制图效率。

1.5 图件标注与整饰灵活，操作方便快捷

ArcGIS数据将空间与属性分离，在地图投影和比例尺设定方面优势明显，可根据不同的出版尺寸、比例尺和不同目的等方便快捷地进行地图投影和比例尺设定，呈现出规范性好、显示性强、内容全面、信息丰富的特点。

带有属性信息的ArcGIS数据标注的选择性更灵活。ArcGIS软件提供了一套灵活的制图表达机制，支持多种类型地图符号库驱动技术，只需为图层配置合适的符号化方案，即刻就能更新符号样式，对各种符号、装饰可以做到全图一致。根据需要选择相应的油气田储量级别编码、等级或其组合，修改非常容易，这是常规数据(如CAD数据)难于做到的，而传统制图软件(如CorelDRAW)也无法一键实现。

2 油气工业制图技术流程及关键环节

ArcGIS软件油气工业制图技术流程及关键环节如图1所示。

图1 ArcGIS软件油气工业制图技术流程Fig.1 Technical Process of ArcGIS Oil and Gas Industry Mapping

2.1 制图工区与技术方案厘定

首先，根据项目需求确定油气工业制图工区，了解制图所需数据、参数和技术要求，收集相关资料。资料收集是整个ArcGIS软件油气工业制图的基础，重点需要收集编图区基础地质图、数据库、相关参考资料、技术标准等。原始数据收集包括调研数据来源、收集原始数据、收集基础地理数据等，其完整度与质量直接决定了编图成果的可靠性。

ArcGIS软件油气工业制图通常以盆地或区块为单位，以各种比例尺的矢量数据为主，以栅格等其他格式数据为辅。数据来源主要是购买的全球油气商业数据库、ArcGIS软件区域及本地空间数据库和Shapefile文件、文本格式的空间数据和属性数据，收集的油气区域地质成果数据，甚至部分栅格数据，包括地球物理软件导出的Polygon数据、其他坐标数据、CorelDRAW图、各类记录坐标的原始文档、油气商业数据、ArcGIS公开数据等。

ArcGIS格式数据包括井、三维地震、二维地震、重力-磁力-电法勘探测线、油气田、圈闭、区块边界、剖面线、断层、构造等值线、构造面、基础地理图层等图层信息列表，并添加井名等属性信息。模板文件包括ArcGIS制图符号库、图例库、图件模板、图层模板等。辅助制图要素主要是从CorelDRAW软件中导出的柱状图、剖面图等。

其次，要确定数据模型制图规范为核心的制图技术方案。针对不同地图的使用场景和地图面向对象，要设计出不同的地图版式和颜色模式。利用视觉对比度、质量、集中和平衡等理念，可使创建的地图在视觉上更具有吸引力。

2.2 制图数据准备

对收集的相关区域数据资料需分类整理与建档，放入数据库中；整理数据格式与归类，选择用于编图的底图资料等，方便后续制图过程中管理和调用数据。数据格式可以是Excel数据表、JPG和TIFF格式图件、SHP格式文件等。需要评估数据源和数据属性以确定适用性，基于地理范围和地图主题组织数据或者设置适用的坐标系统，通过多种综合数据的方法来简化数据，包括选择、简化、平滑、折叠和聚合等。

总之，制图数据准备要开展系列数据资料准备和整理，包括基础地理数据准备、数据格式转换、数据投影转换、数据整合、数据质量检查、数据入库等。数据转换、地图投影是ArcGIS软件全球油气工业制图的关键技术与制图环节。

2.2.1 数据转换技术

将全球油气工业图件编制所需各类型原始文件数据(地球物理软件导出的格式数据、文本文件、Excel文件)转换为ArcGIS空间数据。其中，地球物理软件(LandMark、GeoFrame、GeoEast、Discovery等)导出的Polygon数据、其他坐标数据、CorelDRAW文件、基础地理数据、油气商业数据、自定义文本数据、自定义表格数据等，分别为Polygon、测线、等值线、GRID等多源多格式的数据，需转换为ArcGIS格式数据并规范入库。

制图中通常会遇到大量Excel文件(xls或xlsx格式)数据，由Excel数据表转换成ArcGIS数据，本文摸索出5种具体方法：①具有空间坐标数据的Excel数据表，通过添加(,)数据坐标，转换成ArcGIS数据；②运用ArcGIS软件ArcToolbox工具箱中“转换工具”菜单下的“Excel转表”，转换成ArcGIS数据；③当数据无空间坐标值时，可查找到具体的点坐标值，制作成Excel数据表，再转换成ArcGIS数据；④当已有1张ArcGIS数据表，另有数据量大、无空间坐标值、但有相同盆地名称或者油气田名称(相同名称不能重复)的Excel分析表时，可以用数据“连接”对话框中“某一表的属性”，通过相同的“字段名称”把2张数据属性表连接，从而将Excel分析表数据转换成ArcGIS数据；⑤当已有1张ArcGIS数据表，另有数据量大、无空间坐标值、也无相同盆地名称或者油气田字段名称的Excel分析表时，可以用数据“连接”对话框中“基于空间位置的另一图层的数据”，通过相同的“空间位置”把2张数据属性表连接，从而将Excel分析表数据转换成ArcGIS数据。

2.2.2 地图投影技术

采用不同的投影系统(等面积、等体积投影)时，地图显示的大小、面积、形状会有不同。在地图制作时，如果跨越的范围较大，为了满足制图面积、形状要素固定的要求，必须根据实际的需要选择特定的地图投影。例如，全球油气工业图件一般采用UGS_WGS_84投影，在ArcGIS软件中设定投影参数和投影方式即可，这也是ArcGIS数据的优势之一。

在编制专题图的过程中，要根据制图范围和区域具体情况选择特定的地图投影。ArcGIS软件自带有5 000余种投影，非常易于选择适合制图工区的投影，设定投影方式和坐标系即可，数据亦可实现动态投影。

2.3 制图信息提取与ArcGIS数据筛选

根据制图需求分析ArcGIS数据，必须能够根据制图主题和需求，充分利用ArcGIS软件中“定义查询”功能编写SQL语句进行数据的筛选，以满足制图要求。一是ArcGIS数据信息提取，分析空间属性数据(包括ArcGIS数据来源的各类坐标记录原始文档、油气商业数据库、公开ArcGIS空间属性数据)，筛选出研究区范围内的制图数据；二是栅格数据信息提取，分析栅格数据(包括收集补充制图工区的相关文献、文字及图片资料)，形成制图需要的有用信息数据。

位图图片资料经过ArcGIS空间校正，可提取形成ArcGIS矢量化数据。具体方法是：先将(扫描或电子的)位图图片进行水平校正、清晰处理后，加载到ArcGIS软件中；在ArcGIS软件的“空间校正”模块下，从位图上寻找村庄、城市、河流、行政区边界等控制点；在ArcGIS软件的点、线、面图层上，找到与位图一一对应的村庄、城市、河流、行政区边界等控制点，完成校正；最后进行矢量化，提取制图相关信息数据。

2.4 制图数据处理与地图综合

制图数据处理的核心对象为空间几何数据、属性数据及相关支撑数据(如地质年代)，主要包括数据处理和接缝处理工作。数据处理一是将坐标数据转换为ArcGIS数据，CorelDRAW空间位置校正为ArcGIS数据，统一坐标系，检查整理属性数据，从CorelDRAW图中提取柱状图和剖面图等；二是对井、二维地震测线、三维地震测线、油气田、圈闭等要素进行编辑和图面检查，方便编图时进行位置调整。

以往LandMark、CorelDRAW软件等的制图数据中，油气田、圈闭、构造单元、沉积相边界等图层在原始手工勾绘放大后会接缝明显。在ArcGIS软件中接缝处理后，不同比例尺下的ArcGIS格式数据相邻关系变成了数据图层相邻部分自动接边，不再出现接缝问题。

当制作大比例尺地图时，需要包含该比例尺下的详细细节；而同样的数据在小比例尺下查看时，因太过详细反而使地图变得凌乱繁杂。这就要求制图者采用一个或多个综合数据的方法来简化地图。综合数据简化地图的方法包括矢量化、数据编辑、ArcGIS符号化、符号优化与渲染、规范化等。通过数据处理操作，要达到数据类型和内容合适、空间坐标系匹配和数据位置调整后的位置正确、拓普处理后的边界吻合等要求。

2.5 地图配图与图件整饰

地图配图与图件整饰是通过制图表达来达到精细化专业制图的过程，包括地图配色美化，添加图名、图例、比例尺、指北针、制图单位、文本标注等整饰工作。

该流程重点使用的制图表达基于一种灵活的、规则的结构，允许制图者在地理数据库要素类中直接存储符号。制图表达通过执行系列的操作增强制图效果，包括：使用高级符号编辑工具创建自定义符号；控制多边形要素内的填充符号接触或沿多边形边界裁剪；应用几何效果提高地图表现，提高要素的易读性，比如河流渐变、油气矿权区阴影等特殊效果；通过增强符号表明要素关系，比如创建一个油气区带或地下油气管道；移动符号不影响底层数据的完整性和要素几何；将点要素类的制图表达标记符号与某条线对齐，比如油区断裂符号沿着断裂方向对齐。该流程中，注记方式、整饰要素是ArcGIS软件全球油气工业制图的关键技术与制图环节。

2.5.1 注记方式

ArcGIS软件提供3种工具标注要素，可依据全球油气工业制图的需要选择。一是标注(Label)动态形式作为一个图层属性存储，缩放后按照当前地图比例尺下的最佳位置重新绘制标注。二是注记(Annotation)标记类型要素，可以作为地图的图形或Geodatabase的要素被储存，每个注记文本可以单独编辑，它的大小相对地图上的其他要素保持不变；使用注记时，当前的比例尺将被作为参考比例尺，注记要素总是用参考比例尺规定的尺寸显示。三是Text工具标注，用于标注简洁、灵活的要素。

2.5.2 整饰要素

ArcGIS软件中最常用的符号有点符号(Marker Symbol)、线符号(Line Symbol)、面符号(Fill Symbol)、文本符号(Text Symbol)。作为一个通用的ArcGIS软件平台，点、线、面符号库针对油气工业制图的专业性不太强，缺少许多油气行业常用的专业符号。中国石油天然气行业目前执行《石油天然气地质编图规范及图式》(SY/T 5615—2004)、《石油地质岩石名称及颜色代码》(SY/T 5751—2002)等行业标准，规定了石油天然气地质专业各类图件的分类、图元的分类和代码、投影系统、高程系统和坐标系统，编制规范，图件格式和图元图示。

基于前述包含1 000多个基于ArcGIS软件的油气行业标准符号库，可以利用方便读图和用图的某些要素进行黄金比例搭配，包括图名、注记、文本、图廓线、图例、指北针、比例尺、经纬网、地图资料说明，以及图内各种文字、数字注记等。

2.6 制图质量检查

制图质量检查主要进行制图检查(检查制图数据偏移量、接边等的合理性)、数据导入检查(保证导入数据字段、规则等的正确性)、自定义问题数据检查(标识有疑问的数据)、成果数据检查(保证成果数据的完整性、必要性，以符合入库要求)，要建立数据检查日志，了解质量检查的详细信息。如果有错误则不合格，返回“制图信息提取与ArcGIS数据筛选”，开始再次查找错误原因。

通过多种属性数据与空间数据的分析，处理各类面要素(地质体为主)、线要素(地质界线为主)、点要素(复杂注记为主)，即可完成基础图件和油气工业图件主题内容的编制。

2.7 输出打印与图件保存

通过质量检查合格后，可以PDF、AI、EPS、JPEG、PNG、TIFF等格式导出图件，或打印成果图件，同时打包、保存所有成果数据(图)，保存为MPK格式文件。

MPK文件针对每个唯一数据源都会在合并文件夹中创建一个文件地理数据库，因此，MPK文件在任何一台计算机上用ArcToolbox工具箱解压缩数据包打开成果数据图，不会存在丢失成果数据、改变颜色渲染、文字乱码等问题。要注意检查、保持原成果数据图中所有数据投影及样式的一致性，以便将来只要有更新的钻井、油气田、区块等数据，就可在底图基础数据不变的基础上制作出一幅新的数据成果图，成图快捷，节省了大量的人力物力，提高了油气工业制图的效率。

3 油气工业制图实践与成果示例

课题组自国家“十一五”计划以来持续承担国家油气重大专项“全球油气资源评价与选区选带研究”等及中国石油天然气集团公司相关课题，笔者根据负责的ArcGIS油气工业制图技术及应用研究，编制完成了相关专题图件数百幅，有效支撑了中国石油全球油气资源评价与选区选带、国外含油气盆地评价与区块招投标、相关国家和大区油气生产开发评价、全球油气勘探开发形势及油公司动态研究等工作。

3.1 全球被动大陆边缘盆地类型与油气分布图

(1)制图工区与方案确定。根据所承担的国家油气重大专项“全球重点领域油气地质与富集规律研究”的项目需求，制图工区为全球重点领域含油气盆地，编制“全球被动大陆边缘盆地类型与油气分布图”的数据来源于前述商业数据库，以最大幅面展示全球所有被动大陆边缘盆地重点含油气盆地为制图方案。

(2)制图数据准备。一是基础地理数据准备，包括现代水系、陆地、海洋、洋中脊、城市、国家边界等；二是专题图数据准备，有盆地、剖面、油气田、区块、钻井等；三是各大区盆地资料整理，数据合并、整合；四是检查盆地、油气田数据有无错误字段，若有错误，则需修正；五是数据投影转换，全球含油气盆地工业制图适用于GCS_WGS_1984投影，ArcGIS软件5 000多种投影中自带该投影系统，通过输入ArcGIS软件投影查询码WKID:4326，就可成功调用该投影；六是建立专题数据库，把以上整理的数据导入文件数据库Geodatabase中，以备使用。

(3)制图信息提取与数据筛选。本专题制图不涉及栅格数据，主要提取数据库中需要的ArcGIS数据信息进行加载，如现代水系、盆地、油气田、洋中脊、国家边界等。通过ArcGIS软件中“定义查询”功能编写SQL语句筛选出所有被动陆缘盆地及分布在被动陆缘盆地上的油气田。以“非洲被动大陆边缘盆地分布”信息提取为例，需首先筛选出非洲盆地，再筛选出类型为被动大陆边缘的盆地。打开ArcGIS数据中的“盆地”数据表，通过右键点击图层属性，用“定义查询”中的SQL语句：“REGION_NM”=‘非洲’AND “Type” LIKE‘被动大陆边缘’，编辑“大区”字段的“非洲”，语句验证正确后继续筛选“盆地类别”字段的“被动大陆边缘盆地”，语句验证正确后筛选出符合“非洲被动大陆边缘盆地”条件的所有数据(图2)。依照上述方法，分别筛选出其他各大洲为被动大陆边缘的盆地，构成全球被动大陆边缘盆地类型分布的雏形图件。

(4)矢量数据处理与地图综合。按照地质研究，被动大陆边缘盆地细分为7个亚类(反转改造型、转换坳陷型、拉张坳陷型、含盐断坳型、无盐断坳型、断陷型、三角洲改造型)。针对被动大陆边缘盆地数据，按盆地亚类字段处理为7个类型，对上述7个类型逐一按照油气行业标准进行颜色渲染。油气数据同在一张数据表中，也按照同样方法分成两类进行颜色渲染。

(5)地图配图与图件整饰。添加比例尺、图例、图名，标注大洋名称及地理地质信息于适当位置等。

(6)制图质量检查。制图质量检查的作用在于，使读者易于理解专题图内的要素，不产生歧义。一是检查盆地类型是否正确、油气田是否遗漏等问题。二是检查图面是否美观，要求符合油气制图规范。如果制图检查不合格，马上重新加载并检查盆地、油气田数据等问题。

(7)输出打印与图件保存。通过质量检查合格后，可以PDF格式输出、打印成果图件，同时打包、保存所有的成果数据，保存为MPK格式文件。

最终，结合被动大陆边缘盆地分类研究成果，运用上述ArcGIS制图技术流程和关键技术方法，编制形成了全球被动大陆边缘盆地类型及其油气分布图(图3)。

3.2 加拿大阿尔伯塔盆地致密气储层参数与可采资源量分布图

根据所承担国家油气重大专项“全球重点地区非常规油气资源整体评价”的项目需求，结合加拿大阿尔伯塔盆地致密气地质条件研究成果，项目组编制了空间插值法非常规油气资源量计算插件，运用上述ArcGIS制图技术流程和关键技术方法，编制形成了阿尔伯塔盆地致密气藏含气饱和度、储层厚度、储层孔隙度参数与可采资源量平面分布图(图4)。

图2 ArcGIS数据筛选中的SQL语句筛选对话框和验证操作界面Fig.2 SQL Statement Filtering Dialog Box and Verification Operation Interface in ArcGIS Data Filtering

图3 全球被动大陆边缘盆地类型及其油气分布Fig.3 Distribution of Global Passive Continental Margin Basin Types and Their Oil & Gas

图4 加拿大阿尔伯塔盆地致密气储层参数与可采资源量分布Fig.4 Parameters and Recoverable Resources Distributions of Tight Gas Reservoir in Alberta Basin, Canada

3.3 小 结

ArcGIS软件油气工业制图特点包括：一是注重于地下地质条件/信息的表达，更为突出油气田/区块/盆地地质内容的编绘，对地表地理条件/信息的制图表达不作为关键内容；二是更多立足于全球视野、大区级别、盆地单元的ArcGIS软件制图，往往比例尺较小，反映地质内容更为宏观，对制图地质细节的把控误差可以忽略不计；三是制图数据主要来源于商业数据库，数据精度高，任意比例尺下图件缩放不存在接缝问题，仅有少量资料图片经空间校对、矢量化后的ArcGIS数据成图中偶有接缝，但容错率在误差许可范围内。

长期的ArcGIS软件油气工业制图实践表明，ArcGIS软件是开展全球含油气盆地地质条件研究、资源潜力评价、有利区超前优选不可或缺的软件制图应用平台。ArcGIS软件油气工业制图技术节省了大量的人力物力，提高了油气工业制图的效率，助力着中国石油全球油气业务的发展。

4 结 语

(1)与常用油气地质制图软件相比，ArcGIS软件用于油气工业制图具有精确定位空间信息、海量处理与存储、更新维护便捷、重复使用标准化符号、图件标注与整饰灵活方便等五大优势，可与商业油气数据库兼容。ArcGIS软件油气工业制图技术实现了海量油气数据和图形信息的快速工业制图与高效管理，极大地提高了工作效率。

(2)ArcGIS软件油气工业制图技术流程总体包括7个步骤，分别为制图工区与技术方案厘定、制图数据准备、制图信息提取与ArcGIS数据筛选、制图数据处理与地图综合、地图配图与图件整饰、制图质量检查、输出打印与图件保存。制图关键技术包括ArcGIS数据筛选、地图投影、数据转换方法和符号定制等，可为类似的国内外ArcGIS油气工业图件编制和研究提供可资借鉴的技术方法。

(3)基于实例发现，ArcGIS软件油气工业制图呈现重点突出油气地质信息表达、反映宏观地质内容为主、制图数据精度很高三大特点和方便高效实用的效果。

(4)综观当前，ESRI公司推出了在线编图系统ArcGIS Online、One Geology提供在线地质图制作，加拿大地质调查局研发了基于ArcGIS软件的GeoScaler地质图缩编软件，中国地质调查局研发了智能化程度较高的地质调查综合智能编图专业应用软件——“智绘地质iMapower”，制图功能及制图表达取得了突出进展，初步形成了地质图智能化编图技术与服务体系。展望未来，基于ArcGIS技术的数字油田和数字油藏建设，地质编图软件的智能化、定制化、在线化及自动化将成为热门研究方向，ArcGIS软件将在各类油气专题图件高效率编制乃至自动绘制、栅格数据体和矢量数据体空间分析与勘探开发辅助决策、多源信息集成管理等方面有更深入研究，发挥更重要作用。