基于Model Builder的深海水道形態展示

譚玉婷?耿巧?鄭洪玉?池思越?張陽

摘 要：當前研究發現，深海水道中儲集著大量的油氣資源。但是，由于水道處于深海底部，不能直接觀察出水道的具體形態，因此對水道形態的展示成為深海油氣開發的一項基本工程。基于此，利用三維處理技術與ArcGIS Model Builder應用程序構建了深海水道制圖的復雜處理過程模型，并最終實現了數據的可視化表達。相對于傳統的處理方法，ArcGIS模型構建器大大簡化了數據處理及展示，對提升水道三維圖件制作的自動化和流程化水平具有一定的現實意義。

關鍵詞：Model Builder;水道形態;數字高程模型（DEM）;不規則三角網（TIN）

中圖分類號：P736.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）34-00-03

Deep-Sea Channel Morphology Display Based on Model Builder

TAN Yuting GENG Qiao ZHENG Hongyu CHI Siyue ZHANG Yang

（School of Geoscience and Technology， Southwest Petroleum University， Chengdu Sichuan 610500）

Abstract： The research found that a large number of oil and gas resources are stored in the deep-sea channels. Because the channels are at the bottom of the deep sea， it is difficult to directly observe the specific morphology of the channels. Therefore， the display of the morphology of the channels has become a basic project of deep-sea oil and gas development. Using 3D processing technology and ArcGIS Model Builder to construct the complex processing process model of deep-sea channel mapping， and finally realize the visual expression of data. Compared with traditional processing methods， ArcGIS Model Builder greatly simplifies data processing and presentation， which has certain practical significance for improving the automation and process level of channel 3D map making.

Keywords： Model Builder;channel morphology;Digital Elevation Model（DEM）;Triangulated Irregular Network（TIN）

深海水道是深水環境下油氣儲集的重要場所，近年來一直是深水油氣領域的研究熱點。隨著地球物理技術和深海鉆探技術的不斷發展，人們對深海沉積的認識逐漸加深[1]，促使多地的深海油氣勘探取得了一系列突破。最新的公開資料顯示，我國在南海海域發現的深海沉積油氣藏探明可采儲量達4.09×10t油當量[2]，使得南海成為油氣勘探的熱點地區之一，而深海油氣田很可能成為以后主要的油氣來源。

深海水道廣泛發育于陸坡、陸隆和深海平原，是深海沉積體系最主要的沉積物運移通道和粗粒碎屑沉積場所，也是陸架邊緣盆地主要的深海油氣儲層[3]。水道內部結構、流動路徑復雜，即使在很小的范圍內，其結構也是多變的。所以，如何準確地模擬水道內部深度和具體流向是一個值得思考的問題。

以地震數據提取的深海水道三維坐標點信息為基礎，采用三維地理信息技術，結合txt文本類型存儲的水道空間點位數據，基于ArcGIS Model Builder模型構建器，將深海水道形態刻畫為一個可方便展示的三維立體圖形。

1 研究思路與研究方法

1.1 研究思路

研究數據為地震三維點txt文本類型數據。該文本數據包括水道切片點的X、Y、Z坐標，其中X、Y為點位平面坐標，Z值為點位時深值。一方面，點位數據進行三維建模前，需要將時深值表示的Z值轉換為深海水道采樣點位的深度值，利用Excel表格將Z值乘以系數對數據進行深度轉換。另一方面，運用ArcGIS平臺軟件的三維模型構建技術不規則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN）和數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），結合數據流程處理技術Model Builder模型構建器，創建深海水道形態三維立體模型。

1.2 研究方法

1.2.1 三維地理模型構建方法TIN與DEM。數字地形的表達方式有等高線數據、不規則三角網和規則網格（Grid），共3類。等高線是平面二維線數據，TIN是三維表面數據，規則網格是柵格數據。本方法所使用的數據是三維表面數據，因此需要對數據創建TIN來表示水道形態。相比于創建格網數據，TIN可以減少數據冗余，計算效率具有優勢。

不規則三角網（TIN）是一種數字模型。其中，TIN文件可以是表達高程的數字模型，也可以是表達其他數據的數字模型。根據文本數據生成的水道TIN圖層是矢量數字高程模型，所提取的點數據是矢量，因此導入地理信息系統（Geographic Information System，GIS）軟件后點數據依然是矢量。將矢量的點高程數據轉換為面狀的高程。通過插值實現的高程數字模型也是矢量，也就是TIN模型。

為了能更好地展示水道形態，還可以將TIN轉柵格，即轉為DEM。數字高程模型（DEM）是通過一定范圍內的地表高程數據進行模擬分析，從而達成針對地表起伏變化的數字模擬，運用有序數量陣列來顯示地表高程的一種刻畫實體地面的模型[4]。TIN和DEM都可以觀察水道的內部結構和流動路徑，但相比于TIN，DEM展示的水道更能直觀觀察流動路徑，因此對TIN的轉柵格十分必要。

1.2.2 處理流程模型構建方法Model Builder。模型構建器（Model Builder）是ArcGIS提供的構造地理分析和處理工作流和腳本的圖形化數據建模工具，能夠集成3D、空間分析和地理統計等多種空間分析處理工具[5]。輸入數據、空間處理工具及輸出數據3部分構建了最基礎的Model Builder模型，而復雜的Model Builder模型則是基礎模型的不斷疊加組合。水道的展示使用多種地理處理工具，通過多步驟依次進行數據處理，最終得到水道圖件。通過ArcGIS提供的Model Builder進行數據處理建模，將各部分數據處理在模型圖表中進行連接，根據建好的模型逐步執行相關操作，從而實現工作流程的自動化與條理化[6]，為以后各類水道數據展示提供流程化模型工具。相比于傳統的單模型、單工具處理方法，它從操作的便捷化、時間成本的節約化等方面提高了工作效率。

2 三維水道模型構建與實現

2.1 數據處理流程

以DEM和TIN模型來展示水道內部結構和流動路徑，分析需要使用的數據處理工具，將其對應到ArcToolbox工具箱中的工具，按照流程逐個將工具拖入模型構建器進行數據輸入輸出設置。構建模型時，根據具體所需數據進行數據調整，包括數據處理與轉換，然后將各個步驟有序連接在一起，建立水道展示的流程模型，利用ArcGIS Model Builder工具完成建模。

針對研究所使用的深海水道地震數據，將預處理后的Excel表格數據進行XY事件圖層的創建，建立水道三維點數據圖層，然后將所得的數據圖層轉化為空間要素類shapefile文件。水道有X、Y、Z坐標，僅僅是一個三維空間點圖形，需要將點要素表示的shapefile文件進一步依據深度屬性值轉化為3D模型，生成水道3D圖層，并在此基礎上對水道3D圖層創建TIN，生成三維立體圖形，以展現深海水道的具體形態。整個數據處理的流程如圖1所示。

2.2 水道形態三維模型實現

2.2.1 三維TIN模型實現。創建TIN的方法有很多，ArcGIS中提供了3種創建TIN的方法，包括矢量數據創建TIN、基于柵格數據創建TIN和從地形數據集創建TIN。柵格表面轉換為TIN可以在地表建模中使用，或者用于簡化地表模型以進行顯示。地形數據集轉換為TIN，以便進行基于文件的小比例尺地表建模。因為本研究使用的數據是矢量數據，所以應該選擇矢量數據創建TIN，即用3D Analyst工具下的數據管理中的“創建TIN”工具創建水道的TIN圖層，如圖2所示。

2.2.2 三維TIN模型改進。從圖2可知，由于數據點的分布不均勻，整條水道的整體寬度不一致，即上方堤岸較寬，下方堤岸較窄。過寬的堤岸并不利于水道深度及形狀的展示，因此刪除水道后半部分多余的點。此外，水道的凹凸程度也不夠明顯，需要將深度Z值乘上系數拉伸表示，使水道本體的形狀看起來更加直觀，觀察效果也會更好。采用Model Builder進行模型建立，大大方便了后續工作，只需對預處理后的數據重新在所創建的流程模型上進行輸出，改進修正后的水道圖層就能再次展示出來。

2.2.3 三維DEM模型實現。在TIN模型的基礎上，可以進一步將所得到的TIN圖層轉換為DEM圖層，即在原有模型上增添一步TIN轉柵格就可以輸出DEM圖層，從而可以從更直觀的角度觀察水道的深度和流向。如圖3

所示，通過DEM圖層可以看出，本方法所使用的數據展示的水道是一個從上傾斜下來的水道，上部高程較大，下部高程較小，水道整個流向的曲折性和內部高低起伏不定的形態能較為清晰地展示出來。

3 結語

運用ArcGIS Model Builder構建了深海水道三維圖件制作的流程處理模型，將深海水道形態以可視化的方式直觀形象地展示出來，大大簡化了制圖中的數據處理和分析過程。將一系列復雜煩瑣的數據處理流程化，不僅降低了出錯率，也大大提高了處理效率。利用Model Builder建立模型，可以一鍵式快速完成對空間數據的分析處理，使得沒有經過GIS專業訓練的人員及其他領域的研究學者快速上手，輕松體驗到GIS給空間數據處理和分析帶來的便利[7]。總的來說，將GIS技術運用到深海水道圖件的制作，充分發揮了GIS在空間數據管理及分析方面的優勢[8]。通過Model Builder可以將深海水道三維地震點文本數據流程化地直觀展示出來，并能分析出水道的內部結構和流動路徑。

參考文獻：

[1]趙曉明，葛家旺，譚程鵬，等.深海水道儲層構型及其對同沉積構造響應機理的研究現狀與展望[J].中國海上油氣，2019（5）：76-87.

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[3]吳時國，秦蘊珊.南海北部陸坡深水沉積體系研究[J].沉積學報，2009（5）：922-930.

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