基于Model Builder的深海水道形态展示

谭玉婷 耿巧 郑洪玉 池思越 张阳

摘 要：当前研究发现，深海水道中储集着大量的油气资源。但是，由于水道处于深海底部，不能直接观察出水道的具体形态，因此对水道形态的展示成为深海油气开发的一项基本工程。基于此，利用三维处理技术与ArcGIS Model Builder应用程序构建了深海水道制图的复杂处理过程模型，并最终实现了数据的可视化表达。相对于传统的处理方法，ArcGIS模型构建器大大简化了数据处理及展示，对提升水道三维图件制作的自动化和流程化水平具有一定的现实意义。

关键词：Model Builder;水道形态;数字高程模型（DEM）;不规则三角网（TIN）

中图分类号：P736.2 文献标识码：A 文章编号：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气储集的重要场所，近年来一直是深水油气领域的研究热点。随着地球物理技术和深海钻探技术的不断发展，人们对深海沉积的认识逐渐加深[1]，促使多地的深海油气勘探取得了一系列突破。最新的公开资料显示，我国在南海海域发现的深海沉积油气藏探明可采储量达4.09×10t油当量[2]，使得南海成为油气勘探的热点地区之一，而深海油气田很可能成为以后主要的油气来源。

深海水道广泛发育于陆坡、陆隆和深海平原，是深海沉积体系最主要的沉积物运移通道和粗粒碎屑沉积场所，也是陆架边缘盆地主要的深海油气储层[3]。水道内部结构、流动路径复杂，即使在很小的范围内，其结构也是多变的。所以，如何准确地模拟水道内部深度和具体流向是一个值得思考的问题。

以地震数据提取的深海水道三维坐标点信息为基础，采用三维地理信息技术，结合txt文本类型存储的水道空间点位数据，基于ArcGIS Model Builder模型构建器，将深海水道形态刻画为一个可方便展示的三维立体图形。

1 研究思路与研究方法

1.1 研究思路

研究数据为地震三维点txt文本类型数据。该文本数据包括水道切片点的X、Y、Z坐标，其中X、Y为点位平面坐标，Z值为点位时深值。一方面，点位数据进行三维建模前，需要将时深值表示的Z值转换为深海水道采样点位的深度值，利用Excel表格将Z值乘以系数对数据进行深度转换。另一方面，运用ArcGIS平台软件的三维模型构建技术不规则三角网（Triangulated Irregular Network，TIN）和数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），结合数据流程处理技术Model Builder模型构建器，创建深海水道形态三维立体模型。

1.2 研究方法

1.2.1 三维地理模型构建方法TIN与DEM。数字地形的表达方式有等高线数据、不规则三角网和规则网格（Grid），共3类。等高线是平面二维线数据，TIN是三维表面数据，规则网格是栅格数据。本方法所使用的数据是三维表面数据，因此需要对数据创建TIN来表示水道形态。相比于创建格网数据，TIN可以减少数据冗余，计算效率具有优势。

不规则三角网（TIN）是一种数字模型。其中，TIN文件可以是表达高程的数字模型，也可以是表达其他数据的数字模型。根据文本数据生成的水道TIN图层是矢量数字高程模型，所提取的点数据是矢量，因此导入地理信息系统（Geographic Information System，GIS）软件后点数据依然是矢量。将矢量的点高程数据转换为面状的高程。通过插值实现的高程数字模型也是矢量，也就是TIN模型。

为了能更好地展示水道形态，还可以将TIN转栅格，即转为DEM。数字高程模型（DEM）是通过一定范围内的地表高程数据进行模拟分析，从而达成针对地表起伏变化的数字模拟，运用有序数量阵列来显示地表高程的一种刻画实体地面的模型[4]。TIN和DEM都可以观察水道的内部结构和流动路径，但相比于TIN，DEM展示的水道更能直观观察流动路径，因此对TIN的转栅格十分必要。

1.2.2 处理流程模型构建方法Model Builder。模型构建器（Model Builder）是ArcGIS提供的构造地理分析和处理工作流和脚本的图形化数据建模工具，能够集成3D、空间分析和地理统计等多种空间分析处理工具[5]。输入数据、空间处理工具及输出数据3部分构建了最基础的Model Builder模型，而复杂的Model Builder模型则是基础模型的不断叠加组合。水道的展示使用多种地理处理工具，通过多步骤依次进行数据处理，最终得到水道图件。通过ArcGIS提供的Model Builder进行数据处理建模，将各部分数据处理在模型图表中进行连接，根据建好的模型逐步执行相关操作，从而实现工作流程的自动化与条理化[6]，为以后各类水道数据展示提供流程化模型工具。相比于传统的单模型、单工具处理方法，它从操作的便捷化、时间成本的节约化等方面提高了工作效率。

2 三维水道模型构建与实现

2.1 数据处理流程

以DEM和TIN模型来展示水道内部结构和流动路径，分析需要使用的数据处理工具，将其对应到ArcToolbox工具箱中的工具，按照流程逐个将工具拖入模型构建器进行数据输入输出设置。构建模型时，根据具体所需数据进行数据调整，包括数据处理与转换，然后将各个步骤有序连接在一起，建立水道展示的流程模型，利用ArcGIS Model Builder工具完成建模。

针对研究所使用的深海水道地震数据，将预处理后的Excel表格数据进行XY事件图层的创建，建立水道三维点数据图层，然后将所得的数据图层转化为空间要素类shapefile文件。水道有X、Y、Z坐标，仅仅是一个三维空间点图形，需要将点要素表示的shapefile文件进一步依据深度属性值转化为3D模型，生成水道3D图层，并在此基础上对水道3D图层创建TIN，生成三维立体图形，以展现深海水道的具体形态。整个数据处理的流程如图1所示。

2.2 水道形态三维模型实现

2.2.1 三维TIN模型实现。创建TIN的方法有很多，ArcGIS中提供了3种创建TIN的方法，包括矢量数据创建TIN、基于栅格数据创建TIN和从地形数据集创建TIN。栅格表面转换为TIN可以在地表建模中使用，或者用于简化地表模型以进行显示。地形数据集转换为TIN，以便进行基于文件的小比例尺地表建模。因为本研究使用的数据是矢量数据，所以应该选择矢量数据创建TIN，即用3D Analyst工具下的数据管理中的“创建TIN”工具创建水道的TIN图层，如图2所示。

2.2.2 三维TIN模型改进。从图2可知，由于数据点的分布不均匀，整条水道的整体宽度不一致，即上方堤岸较宽，下方堤岸较窄。过宽的堤岸并不利于水道深度及形状的展示，因此删除水道后半部分多余的点。此外，水道的凹凸程度也不够明显，需要将深度Z值乘上系数拉伸表示，使水道本体的形状看起来更加直观，观察效果也会更好。采用Model Builder进行模型建立，大大方便了后续工作，只需对预处理后的数据重新在所创建的流程模型上进行输出，改进修正后的水道图层就能再次展示出来。

2.2.3 三维DEM模型实现。在TIN模型的基础上，可以进一步将所得到的TIN图层转换为DEM图层，即在原有模型上增添一步TIN转栅格就可以输出DEM图层，从而可以从更直观的角度观察水道的深度和流向。如图3

所示，通过DEM图层可以看出，本方法所使用的数据展示的水道是一个从上倾斜下来的水道，上部高程较大，下部高程较小，水道整个流向的曲折性和内部高低起伏不定的形态能较为清晰地展示出来。

3 结语

运用ArcGIS Model Builder构建了深海水道三维图件制作的流程处理模型，将深海水道形态以可视化的方式直观形象地展示出来，大大简化了制图中的数据处理和分析过程。将一系列复杂烦琐的数据处理流程化，不仅降低了出错率，也大大提高了处理效率。利用Model Builder建立模型，可以一键式快速完成对空间数据的分析处理，使得没有经过GIS专业训练的人员及其他领域的研究学者快速上手，轻松体验到GIS给空间数据处理和分析带来的便利[7]。总的来说，将GIS技术运用到深海水道图件的制作，充分发挥了GIS在空间数据管理及分析方面的优势[8]。通过Model Builder可以将深海水道三维地震点文本数据流程化地直观展示出来，并能分析出水道的内部结构和流动路径。

参考文献：

[1]赵晓明，葛家旺，谭程鹏，等.深海水道储层构型及其对同沉积构造响应机理的研究现状与展望[J].中国海上油气，2019（5）：76-87.

[2]张强，吕福亮，贺晓苏，等.南海近5年油气勘探进展与启示[J].中国石油勘探，2018（1）：54-61.

[3]吴时国，秦蕴珊.南海北部陆坡深水沉积体系研究[J].沉积学报，2009（5）：922-930.

[4]佘思扬，周振豪，郑浩泽.基于DEM数据对粤北山区补充耕地撂荒成因的探究[J].现代农业科技，2021（20）：220-222.

[5]周春峰.浅谈基于ArcGIS的影像批量裁剪[J].北京測绘，2015（6）：136-137.

[6]师家珍，韩东明，汤豪.浅析ArcGIS Model Builder的应用[J].测绘技术装备，2015（4）：59-61.

[7]刘佳雨，杨武年，邓琮.基于ArcGIS Model Builder的生态区鸟类栖息地的选择[J].地理空间信息，2014（3）：115-117.

[8]柳林，陈黔，于永辉.基于Model Builder胶州湾海水养殖选址及综合利用决策支持模型研究[J].贵州师范大学学报（自然科学版），2015（3）：12-18.