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博士论文 基于微机的三维地震数据可视化技术研究 摘要 地震勘探经历从二维、三维到如今的四维地震，这对地震勘探数据的传统二 维解释方法提出了挑战，明显的不足就是没有充分利用三维或四维数据体所包含 的信息，丢失了大量有用信息，造成对地质结构及岩性的误判，即解释的效率不 高。因而，三维及四维地震数据的真三维解释就显得尤为重要，而这主要依赖于 数据场可视化技术和虚拟现实等技术在地震勘探数据解释中的应用。 本文依据九十年代兴起的可视化方法和虚拟现实技术，对三维地震数据体进 行图形化显示，直观、形象地呈现地质体的分布和结构特征。从数据体的分类、 可视化模型、层位分割和可视化方法等方面作了详细论述，最后，依据上述方法 建立了一套基于p c 的地震勘探数据可视化解释系统。 层位的分割是地质结构及岩性分析的主要工作。根据体素间的连通关系，提 出了基于种子点的分割方法，这是一种粗略的分割方法。有时需要精确地分割出 层位或特殊地震相，为此，提出了基于局部信息的区域增长方法，以提高层位的 分割精度。根据地震勘探数据的固有特点，论述了几种致性判别函数，总的来 说，对几类一致性判别函数定义的要求是：如果分割的精度要求高，则速度慢： 反之，速度要求快则分割的精度就会相应下降。对于特殊地震耜，如三角洲，古 河道，则利用“中心体素”法，将三维分割简化为二维分割，提高了整个分割速 度。 在可视化过程中，数据的分类和可视化模型是实现可视化的关键，本文利用 了一种称之为变密度粒子模型。数据体中体素的亮度与此体素的属性值有关，如 振幅值和相干系数。不同属性值用几类伪彩色来表示，也可以用灰度级表示。而 不透明度的设置则是最为困难的问题，因为事先是无法知道感兴趣的地质体的振 幅构成情况。为此，提出一种基于双向域的设置方法，即图象空间和转换函数空 间相互对照的设置方法，从而能够很快地绘制出感兴趣的地质体，克服了现有的 设置一一绘制一一设置的不断尝试的转换函数定义方法。 现有的各类可视化方法，一般都是基于医学图象数据的，其数据量相对较小， 内部结构相对固定，而且可以将整个数据体根据几个主要灰度级分成有限几类。 地震数据体内部一般是不固定的，事先无法分类，这就使得现有的可视化方法对 于地震数据来说基本上不再适用，需要加以简化，以满足地震数据解释的交互性 要求。文中分析了四类主要的可视化方法，从各自的特点看，只有基于纹理的绘 制方法基本满足交互要求，但其对硬件依赖程度较高，对于一般基于微机的图形 卡无法实现或绘制速度较慢，这是由于一般的图形卡显存较小的缘故，针对这一 不足，本文提出了等值体素绘制方法，此方法将体素与o p e n g l 的点元一一对应 摘要 博士论文 起来，使得体绘制变成为面绘制，因而绘制速度较快，但缺点就是清晰度不够。 对于地震数据解释来说，基本上能够满足要求。 基于以上方法，本文建立了基于微机的地震数据可视化解释系统，并根据立 体显示原理，实现y - - 维图形的立体显示，从而更直观地判断各类地质体的空间 关系。系统能够将传统的切片显示与直接体绘制结合起来，并对相干体进行可视 化，能够分割各类复杂断层，以及一些非构造特征，如三角洲的提取与三维显示， 以及其属性分布等。 关键词：地震勘探，真三维解释，数据场可视化，虚拟现实 l l 博士论文基于微机的三维地震数据可视化技术研究 a b s t r a c t s e i s m i cs u r v e yg o e st h r o u g h2 da n d3 d ，u pt on o w ，4 ds u r v e ym e t h o d s t h i sp r o g r e s sh a sp u tf o r w a r dc h a l l e n g e st ot h et r a d i t i o n a l2 ds e i s m i c i n t e r p r e t a t i o n ，w h i c hd i dn o tm a k et h eb e s to f i n f o r m a t i o no f3 do r4 d s e i s m i cd a t as e t s ， s oo l d i n t e r p r e t a t i o n m e t h o d sm u s tl e a dt om a k e m i s t a k e so fa n a l y z i n g a n d d e c i d i n g r o c k p r o p e r t i e s a n ds u b s u r f a c e s t r u c t u r e s ，t h a ti s ，o l di n t e r p r e t a t i o nm e t h o d sa r en o te f f e c t i v e s ot h e t r u e3 di n t e r p r e t a t i o no fs e i s m i cd a t ai si m p o r t a n t ，w h i c hd e p e n d so nt h e v i r t u a lr e a l i t ya n ds c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s t h i s p a p e rd i s c u s s e s t h e r e n d e r i n go fs e i s m i c d a t au s i n gv i r t u a l r e a l i t ya n ds c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s t h e s et e c h n o l o g i e s c a n d i s p l a y d i s t r i b u t i o n sa n df e a t u r e so fs u b s u r f a c e h o r i z o n s v e r y s t r a i g h t l y w ep a r t i c u l a r l y d i s c u s st h ec l a s s i f i c a t i o no fd a t as e t s ， m o d e lo fv i s u a l i z a t i o n ，h o r i z o ns e g m e n t a t i o na n dv i s u a l i z a t i o nm e t h o d s ， b a s e do nd i s c u s s i o na b o v e ，f i n a l l yw ec o n s t i t u t eap c b a s e ds e i s m i cd a t a i n t e r p r e t a t i o ns y s t e m h o r i z o ns e g m e n t a t i o n i st h e k e ys t e p o f a n a l y z i n g s u b s u r f a c e s t r u c t u r e sa n dr o c kp r o p e r t i e s a c c o r d i n gt ol i n k sa m o n gv o x e l s ，w eg i v e ab a s e d s e e ds e g m e n t a t i o nm e t h o d ，w h i c hi s ak i n do fr u d es e g m e n t a t i o n m e t h o d i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fs e g m e n t a t i o n ，w em a k em o s t u s eo ft h e l o c a li n f o r m a t i o n o fav o x e la n d g i v er e g i o n g r o w i n g s e 卫m e n t a t i o nb a s e do nt h e1 0 c a li n f o r m a t i o n d e p e n d i n go nt h eb u i i t i n f e a t u r e so fs e i s m i cd a t a ，w ea l s od i s c u s sd e f i n i t i o n so ft h ec o n s i s t e n t f u n c t i o no fs e g m e n t a t i o n f o rs e g m e n t a t i o no fs p e c i a ls e i s m i ce v e n t s ，w e b r i n gf o r w a r d t h e “c e n t e r v o x e l ”m e t h o d ，w h i c hs i m p l i f i e s t h e3 d s e g m e n t a t i o n si n t o2 ds e g m e n t a t i o n s ，a d v a n c e st h es p e e d o fs e g m e n t a t i o n d u r i n gt h ev i s u a l i z a t i o n ，t h ec l a s s i f i c a t i o na n d v i s u a l i z a t i o nm o d e l i sv e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r w eu s et h ev a r i a b l e d e n s i t ye m i t t e r m o d e l v o x e l s i n t e n s i t i e sa r e r e l a t i v et ov a l u e so fv o x e l s p r o p e r t y ，f o r e x a m p l e t h ea m p l i t u d ea n dc o e f f i c i e n t t h e s ep r o p e r t i e sc a n b ed i s p l a y e d u s i n gd i f f e r e n tc o l o r so rg r a yl e v e l s d e f i n i t i o n o ft h et r a n s f e rf u n c t i o n o fo d a c i t vi sm o s td i f f i c u l t ，b e c a u s ew ek n o wn o t h i n ga b o u tt h e s e i s m i c d a t ab e f o r er e n d e r i n g i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，w eg i v eat r a n s f e r 1 i i 摘要 博士论文 f u n c t i o nd e f i n i t i o nm e t h o d ：d u a ld o m a i n t r a n s f e rf u n c t i o nd e f i n i t i o n w h i c ho v e r c o m e st h et r y i n ga n dr e n d e r i n ga n dt r y i n gd e f i n i t i o nm e t h o d s d is a d v a n t a g e n o wm o s to fr e n d e r i n gm e t h o d sa r eb a s e do nm e d i c a l d a t a ，w h i c ha r e s m a l la n dr e l a t i v e l yf i x e df e a t u r e so fh u m i nb o d y b u ts e i s m i cd a t ai s v e r yl a r g e ，f e a t u r e so fs u b s u r f a c e a r en o tk n o w n f i r s t l y a n d v e r y i r r e g u l a r ，t h e s ed i f f e r e n c e sm a k er e n d e r i n gm e t h o d sb a s e do nm e d i c a ld a t a a r en o ta d a p t e dt os e i s m i cd a t a s ow en e e dt os i m p l i f yo l dr e n d e r i n g m e t h o d so rg i v ean e wk i n do fr e n d e r i n gm e t h o d s t h i sp a p e rd i s c u s s e sf o u r m a i n r e n d e r i n g m e t h o d s ： r a yc a s t i n g ，s p l a t t i n g ， s h e a r w a r p a n d t e x t u r e b a s e d r e n d e r i n g ，b ya n a l y z i n g w ec o n c l u d et h a t o n l y t h e t e x t u r e b a s e dr e n d e r i n ga l g o r i t h mi sf i tf o rt h ev i s u a l i z a t i o no fs e i s m i c d a t a ，w h i c hm a k e st h ei n t e r a c t i v er e n d e r i n gt r u e b u tt h et e x t u r e b a s e d r e n d e r i n ga l g o r i t h mi sm o s td e p e n d e n to nt h ec a p a c i t i e so fg r a p h i c a lc a r d ， s ow e b r i n g f o r w a r dan e w r e n d e r i n ga l g o r i t h m i s o v a l u e v o x e l p r o j e c t i o na l g o r i t h m ( i v p ) ，w h i c hc a nb eu s e do np c ，d o e sn o td e p e n do n g r a p h i c a lc a r d t h i sa l g o r i t h mm a k e sav o x e lc o r r e s p o n d i n gt ot h eo p e n g l p o i n te l e m e n t ，s ov o l u m er e n d e r i n gi ss i m p l i f i e di n t os u r f a c er e n d e r i n g ， b u tt h em a i n d i s a d v a n t a g e i st h e 1 0 wd e f i n i t i o n a sf a ra st h e v i s u m i z a t i o no fs e i s m i cd a t ai sc o n c e r n e d ，t h i sd e f i n i t i o ni se n o u g h f i n a l l y ，ap cb a s e ds e i s m i cd a t ai n t e r p r e t a t i o ns y s t e mi sr e a l i z e d w ea l s og i v es t e r e od i s p l a yo fs e i s m i cd a t a ，w h i c hm a k e si n t e r p r e t e r s s t r a i g h t l yd e c i d es u b s u r f a c es p a t i a lr e l a t i o n s t h i ss y s t e ma l s oc o m b i n e s t r a d i t i o n a l2 ds e c t i o n si n t e r p r e t a t i o nw i t h3 dv o l u m er e n d e r i n g t h e c o h e r e n c ec u b ei sa l s ov i s u a l i z e d ，s ow ec a na n a l y z e da n dd e c i d ec o m p l e x f a u l t sa n do t h e rn o n c o n s t r u c t i o n a le v e n t s ，f o re x a m p l e ，c h a n n e l sa n d f a n d e lt a s k e y w o r d s ：s e i s m i es u r v e y ，t r u e 3 d i n t e r p r e t a t i o n ， s c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n ，v i r t u a lr e a l i t y i v 1 绪论 1 1 引言 地震勘探从3 0 年代的二维地震、8 0 年代的三维地震，到现今的四维地震及 多类型属性数据体，人们能够得到和利用的信息越来越丰富。随着各种勘探开发 技术的不断进步，各探区勘探精度的不断提高，效益优先原则的不断强化，三维 地震资料在钻井前的解释成为能够解决各种地质问题的有效手段。然而，由于种 种原因，人们只能利用一幅幅地震剖面( 主测线和联络测线) 以及水平时间切片来 显示三维数据。地震剖面是一种二维图象，可表示为a = f ( x ，力或a = f ( y ，水 平切片也是一种二维图象，可表示为a = 厂o ，力，地质解释人员依据这些二维图 象来推测和想象地下地层的空间形态和结构。图1 1 1 是某海底的一幅地震剖面， 从图中可以清楚地看出地下岩层的起伏形态。 图1 1 1 某海底的第2 0 0 测线的地震剖面 对于庞大的三维数据体，即使将每一条剖面和水平切片都显示出来，一个三 维体的完整信息也是分散在各个独立的二维图象中，很难综合起来进行分析判 断，观察起来也不直观，不能从三维的角度整体上观察和分析地质体的空间形态。 在实际工作中不可能对每幅剖面和切片都进行观察，常常是将剖面抽稀，仅对部 分剖面和水平时间切片进行解释，即只利用了一小部分信息，大部分信息没得到 利用，这是一种信息的巨大浪费，其结果是不可避免地会漏失或忽略大量的小油 田。另外由于缺少中间过渡信息，在二维剖面的解释过程中常常会出现断层组合 不合理，同相轴难以分割和对比等情况，往往需要反复修改，解释效率很低。多 年以前人们就认识到了这个问题，并指出了三维数据三维解释的出路。 综上所述，传统的地震资料解释工作流程存在以下弊端： 第1 页 第一章绪论博士论文 ( 1 ) 解释方法对信息的利用率较低，而三维数据体中蕴藏着丰富的三维地质 信息： ( 2 ) 工作效率低，解释成果精度不高，断层分割的可靠性低： ( 3 ) 在复杂地质条件下，传统的储盖层解释方法难以获得对地质体正确的宏 观与微观认识。 在计算机图形学基础上发展起来的科学计算可视化技术及虚拟现实技术，为 三维地震数据的全三维解释提供了技术上的支持，二十世纪九十年代以来，国外 就开展了三维地震数据的可视化研究，在实践和应用中取得了明显的效果，引起 了人们的极大兴趣，目前三维地震数据场的可视化技术还在继续发展之中，并已 成为石油勘探中的一个研究热点。 1 2 地震数据全三维解释 所谓的全三维解释就是利用全部的信息和可视化技术对三维空间的几何形 态、储集参数等所有特性进行交互解释。从常规的三维地震的解释流程看，主要 包括：层位标定、层位分割、断层解释、编制构造图( 时间或深度) 、复杂地质 特征识别与分割以及储层特性预测等【l 】【2 1 。全三维解释的主要步骤如下所述。 ( 1 ) 层位标定 地震反射层位的标定是三维地震解释的第一步，它根据测井数据制作合成地 震记录，使它逼近井旁地震记录，从而进行相关标定。在全三维解释中，主要强 调生成记录在三维空间上的变化，也就是要考虑合成地震记录在不同深度以及不 同井位上的变化。因此，在制作合成记录过程中，针对不同的井，要用各自的声 波和各自的速度制作合成地震记录，并在不同的时间段内，不断调整子波极性与 主频，制作时变子波合成地震记录，使合成记录尽量逼近井旁地震道，而后，不 断调整增益值，与井旁地震道反复对比，进行标定。与常规标定相比，这种标定 主要突出了“精细”= 字，它尽可能利用了各口弗的测井数据，考虑到合成地震 记录的纵横向变化，而所用的制作合成地震记录的技术与常规解释并无二样。 ( 2 ) 层位分割 在三维空间，对层位进行分割和拾取，而不是在二维剖面上。在现有的计算 机资源及技术条件下，要实现这种分割，只有通过某种相关算法作自动或半自动 分割。目前，已经实现了层位的三维空间半自动分割，另外还开发出面块切片技 术等。 ( 3 ) 断层解释 在二维剖面上进行断层解释效率低，精度也不高，另外，解释结果很大程度 上取决于解释人员的经验，有较大的随意性，而全三维解释是在三维空间里直接 第2 页 博士论文 基于微机的三维地震数据可视化技术研究 解释断层，分析其组合的合理性。随着可视化技术、相干体技术的发展，这一设 想已得到实现。 ( 4 ) 编制构造图 目前已开发出构造曲面图法以及各种切片作图法，其可视化程度己相当高。 以及各种经过直接体可视化而形成的地质构造图，从图中能够清晰地观察到感兴 趣的地质及储层特性与分布。 ( 5 ) 复杂地质特征识别与分割 ( 6 ) 储层特性预测 从层位标定、层位分割、断层解释、编制构造图、复杂地质特征识别与分割 到储层特性预测，三维可视化始终贯穿整个过程。可以说，三维可视化是全三维 解释的基础和核心。 1 3 地震数据全三维解释技术 从现阶段国内外石油和软件公司的技术发展情况看，用于全三维解释的主要 技术方法包括：层位自动或半自动分割技术、面块切片技术、相干体技术、三维 可视化技术、虚拟现实技术以及地震属性技术等。 1 3 1 层位半自动分割技术 层位半自动分割技术主要是基于相关算法，编成软件后，通过一些选项来执 行，它们包括 3 1 ： ( 1 ) 极性( 波峰，波谷) 。即在开展分割之前，首先根据三维地震数据的品质， 确定要分割的同相轴的极性。 ( 2 ) s c o r e 值。s c o r e 值是用来控制分割质量的，它表示种子点与分割目的点振 幅的最小值与最大值之比的百分数。 ( 3 ) 时窗。一般取地震波视周期的一半。 ( 4 ) s n a p 参数控制。般选用“删去不能快速闭合点”方式，使不能很好分 割的地方不予以分割，以便寻找断层。 ( 5 ) 平面平滑。一般平面上采用小平滑因子进行平滑为宜。 层位自动或半自动分割技术的下一步发展方向是解决低信噪比以及目标反 射层连续性差的剖面的自动分割问题，在目前这种技术环境下，其发展有赖于神 经网络，模式识别等智能化技术的进步。 1 3 2 面块切片技术 面块切片技术是通过拾取一个簿时窗内的数据体，以某种显示方式，用颜色 来表示界面反射波的时间或振幅，并把其它信号统一处理成背景色，然后把这一 第3 页 第一章绪论 博士论文 数据体纵向压成一张切片，这就形成了具有空间信息的面块切片。对这类切片的 解释就相当于对一个簿的三维数据体作解释。面块切片的判别和显示主要包括以 下几步： ( 1 ) 针对目标层的反射波形选择面块切片的显示极性。 ( 2 ) 针对地层倾角的变化选择面块切片的显示厚度。 ( 3 ) 面块切片的解释。 面块切片解释的改进之处是以多条等值线的曲面闭合代替常规2 d 解释中的 点闭合，保证三个方向完全闭合，提高了解释效率，但它仍然没有摆脱2 d 解释 中时间切片的思路，另外，显示的结果仍是比较抽象，不直观。 在资料质量较好的地区，面块切片技术的解释效率与自动分割技术相差无 几，比常规解释要好得多。然而，在资料质量较差( 信噪比低、断点模糊等) 的 情况下，断层和层位的解释精度仍取决于解释人员的解释经验。 1 3 3 相干体技术 对于相邻地震道，由于激发、接收条件相近，反射波在横向均匀地层中的传 播路经也很接近，所以同一反射层反射波的反射走势十分接近，且极性、振幅、 相位也都一致，而当地下有断层、地层边界等突变时，则相邻地震道之间的反射 波在旅行时，振幅、频率及相位等方面都发生不同程度的变化。相干体技术就是 基于这一原理。它是在偏移后的三维数据体中利用相关系数算法对每一道每一样 点求得与周围数据的相干性，形成一个表征相干性的三维数据体，即用一个时窗 计算时窗之内的数据相干性，把这一结果赋予时窗中心样点。计算相关系数的常 规公式为h ： k = t + nj2 g k h k + d 西( f ，d 。) = 若等警l 一 g ；日；+ d 。 k - t n i2 式中：垂为相干系数，d 为倾角，f 为时间，g ，日为地震道数据对。其中倾角的 大小不好给定，因为它受方位的影响。因此，在计算地震相干数据体时，主要确 定二个参数，即相干道数和相干时窗。 相干体技术是一种较好的断层解释方法，用相干体法进行断层解释过程分以 下六步： ( 1 ) 计算相干体： ( 2 ) 用水平剖面切割相干体： ( 3 ) 在相干体的水平切片上寻找断层； ( 4 ) 立体显示相干体的边缘； 第4 页 博士论文 基于微机的三维地震数据可视化技术研究 ( 5 ) 把计算的相千体写成解释系统认可的地震数据体文件； ( 6 ) 在相干体数据上分割断层面，并人工修改。 常规断层解释是由垂直面到时间切片，且地震反射层位解释与断层解释必须 同时进行，而相干体解释是时间切片到垂直剖面，它是一种效率和精度都较高的 解释方法。近几年来，相干体技术已在油气勘探生产领域得到了广泛的应用，并 取得了很好的效果，尤其是在断层解释中。 1 3 4 三维数据场可视化技术 可视化技术是8 0 年代中期诞生的一门综合计算机数据处理、图形图象、显 示和辅助设计等技术的崭新交叉学科。该技术因其能把描述物理现象的数据转化 为图形、图象，并运用颜色、透视、动画和观察视点实时改变的视觉表现形式， 使人们能够观察到不可见的对象，洞察事物内部结构，因而在许多行业得到广泛 应用。目前可视化技术正以前所未有的速度渗透到数据处理和解释的各个环节， 形成了一股可视化技术应用的热潮。 可视化技术可分为面可视化 5 1 4 】和直接体可视化【”圳】。面可视化就是先对单 独的地层和断层作图，然后在3 d 空间中作为一个3 d 模型对它们进行集中解释。 数据只代表了3 d 数据体的一部分，面可视化是常规解释生成的逻辑结果。体可 视化以完全不同的数据属性一透明度为基础，是3 d 地震数据解释中主要的概 念变化。 在以体素为基础的直接体可视化d p 3 2 3 3 , 3 4 】，每一个数据采样点被转换成一个 体素。每一个体素有一个对应于原始3 d 数据体的值，个r g b 色彩值以及可 被用来标定数据透明度的暗度变量，因此，每一个地震道被转换成一个体素道。 把数据定标为8 位数串，并显示为表示体素值分布直方图。应在详细的可视 化之前检查诸如相位、频率和地震信号特征等数据参数，这对于指导透明度的应 用和设计，针对特殊解释问题的可视化策略是至关重要的。 目前，地震数据可视化工作可以归之为以下三个方面： ( 1 ) 资料显示： ( 2 ) 用解释结果进行地质3 d 模拟； ( 3 ) 地质和地球物理过程的仿真模拟。 1 3 5 虚拟现实技术 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 是一种新型的3 d 解释环境和技术”1 ，它是计算 机产生的，有多感官信息的，可实时跟踪用户的一种解释环境。可视化技术是构 造我们原来看不见的图象，用图形表示的数据，而虚拟现实技术是一种能响应用 户动作，能实时三维绘图以及让用户有沉浸感的显示环境。 第5 页 第一章绪论 只要地质、地球物理、油藏工程等不同科学的数据都输入一个公共的项目数 据库和一个共享的地质模型，且使用的软件平台也是一体化的，那么不同专业的 技术人员就可共享一个3 d 解释环境，通过共享的数据相互对话，交互作业，以 相互借鉴和印证，从而快速地作出准确判断和相应的解释。 虚拟现实在油气勘探中应用的总体结构如图1 _ 3 1 所示，其中v r 工具是一 组操作v r 数据的算法以及与算法有关的参数编辑器。目前用于油气勘探和开发 的v r 工具包括数据体窗口工具、切片工具、数据体整体工具、界面工具、轨迹 工具、索引工具和光栅工具等。 显 人 勘 预 为 示 机 接 刃 探 处 数 技口 工 数 理 据 术 技 具 据 术 图1 3 1 虚拟现实系统结构示意图 1 3 6 三维地震属性技术 对地震数据进行解释目的就是从地震数据中分割更多的信息，并利用这些信 息解释地下构造、地层和岩性特征，而生成地震属性是获取所需信息的一条重要 捷径。因此，长期以来地震属性技术一直是地震特殊处理和解释的主要研究内容。 地震属性的分类主要有两种：一种为几何属性和物理属性；另一种为运动学 属性和动力学属性 3 6 o 此外，还有统计学属性。未来，地震属性总体将变得更 加地质化而不是地球物理化，更加注重量化地层模式而不是地震特性，未来多属 性分析将成为主流，它与地层模式属性相结合，最终将导致自动地震数据分析， 使人们能够迅速表征大量的数据，并描绘原始数据中不易观察的细节。 近年来，三维属性技术作为重要的全三维解释手段，已被广泛应用于构造解 释、圈闭评价和储层预测等重要的油气勘探领域。 首先，以三维相干体技术为代表的三维属性技术很容易检测断层和岩性反差 的地层界面，在碎屑岩沉积环境中，它与其它三维地震属性技术一起已被成功用 于预测和圈定三角洲砂体、河道砂体、地层坍塌和岩屑流滑道等储集带。最近， 有学者尝试将三维相干体技术与谱分析映射技术相结合，在碳酸盐岩沉积环境中 成功地识别和圈定了几种包括基底断层、礁型断块等影响发育和后续孔隙度增加 的地质特征。 由于地震属性技术是纯地震资料解释技术，不是本文要解决的问题，因而本 第6 页 博士论文 基于微机的三维地震数据可视化技术研究 文只选择一种主要的属性技术一一相干体技术，并与三维可视化技术相结合，来 共同对地震勘探数据进行解释。 1 4 地震数据场可视化技术现状 二十世纪九十年代以来，国外就开始了三维地震数据的可视化技术研究 1 , 3 2 , 3 3 , 3 7 , 3 8 , 3 9 , 4 0 ，近年来又开始研究虚拟现实在三维地震数据可视化中的应用 3 5 1 。 由于传统的二维地震剖面和水平切片的作图方法在人们的思维定势中根深蒂固， 影响很深，因而大部分三维地震数据体的可视化方法不可避免地沿袭了这种作图 方式，人们企图通过按空间顺序连续显示所在位置的二维剖面或切片来表现三维 地质体的空间变化规律，更有甚者，不惜作出各种复杂的切片来洞察地质体的三 维特征。图1 4 1 就是典型的切片图。 图1 4 1 表现三维地震数据体的任意复杂切片图 近年来直接体可视化技术也应用到三维地震数据体的可视化中，1 9 9 9 年 g e r a l dd k i d d e 3 4 】将三维地震数据体中每一个数据采样点建立一个体素( 单位立方 体) 模型，根据采样点的振幅给予不同的颜色和透明度，应用直接体绘制算法成 功地得到了三维地震数据的可视化图象。 以上所述的可视化方法在国外的软件与石油公司的技术报告中只作了简单 的概述，由于保密和商业化的缘故，均没有透露技术细节，为此，有必要根据实 际解释的需要，提出自己的可视化方法。而目前的各种应用于医学数据方面的可 视化方法又无法适用于地震数据，必须针对地震数据的特点及解释需求，对现有 的可视化方法作出简化与改进，使之适用于地震数据可视化的需求，这也是本文 主要研究内容之一。 1 5 本文研究工作概述 本文从全三维解释方法和技术解决问题的有效性方面，实现了区域半自动分 割和面块切片技术，实验结果证明这些技术能够提高地质构造解释的效率；将相 第7 页 第一章绪论博士论文 干体技术与现有的可视化技术结合起来，共同对三维地质体进行分析判断，使得 对断层的解释更为直接和可靠；在可视化过程中，数据的分类是最为关键的一步， 直接影响到可视化的效率，本文针对以往一维转换函数分类的局限性，提出了基 于双向域交互的转换函数定义方法，这样参数域与图象域之间相互交互，从而更 好地对数据体进行分类；根据地震数据的特点及地震资料解释的实际要求，对现 有的可视化方法进行简化与加速，提高了算法的执行效率，但这些方法仍旧无法 满足解释上的实时交互的需要，很难与面块切片技术方法结合起来，以对感兴趣 的地质体进行显示。为此，本文针对在实际的地震资料解释对图象的清晰度要求 不高的条件下，根据体元投影和纹理直接体绘制方法思想，提出了等值体素可视 化方法，实验结果证明此种方法基本得到了解释精度的要求，而且此方法能够很 好地与面可视化方法结合起来，算法的绘制速度得到了交互的要求。最后，本文 在以上方法技术的基础上构建了基于p c 的三维地震数据可视化系统，并运用立 体显示及三维鼠标等虚拟现实技术和设备，使最终的显示效果更直观、更形象。 可以说，现有的方法和技术己基本克服了过去三维资料二维解释的弊端，不 过这方面仍有不少工作要做，那就是如何使解释工作更灵活、更方便以及交互功 能更强，但这已不是主要的发展方向，虚拟现实系统的开发与研究将成为石油勘 探开发解释工作的重点，只有在这种环境下才能实现真正的全三维交互解释，才 能实现多学科的有机结合。 1 6 本文内容安排 本文第一章是绪论，主要介绍了地震资料全三维解释的一般步骤，主要的解 释技术，当前的国内外研究发展现状，并对本文的主要工作作了简要地概述； 第二章是层位与特殊地震相的半自动分割，以对层位进行粗略分割，在区域 增长方法的基础上，提出基于局部信息的区域增长，以对反射层位进行精确分割。 在分析了地震反射层位的空间分布特点后，提出了r c t 算法，r c t 方法只是一 种粗略的分割方法，针对地质层位的自身构成特点，提出了基于种子点局部信息 的区域增长分割方法，实验证明这种方法比r c t 分割的层位要精确的多。对特 殊地震相的分割，在原有区域增长算法的基础上加以改进，提出了基于振幅值( 或 相干系数) 和梯度的特殊地震相分割算法，实验结果证明，运用上述算法分割出 的层位和特殊地震相，能够满足地震解释工作的要求。 第三章主要论述了地震数据体的可视化模型及相应的分类方法。在对地震数 据的直接可视化过程中，根据不同的可视化方法，本文采用了不同的可视化模型， 本章主要介绍了适合于地震数据场的变密度粒子模型。此模型假设地震数据场是 由一些会发光的带有不同透明度的粒子构成，每个粒子对应数据场中一个体素。 第8 页 博士论文 基于微机的三维地震数据可视化技术研究 根据可视化的需求，对采集到的数据进行量化，以便于对整个数据体进行分类， 文中分析了量化的方法和各类量化的利弊。在直接可视化中，对三维数据分类是 整个可视化工作的关键，主要包括不透明度转换函数的定义和颜色分配方案。本 章提出了基于双域交互的不透明度转换函数的定义方法，并设计了一些三维辅助 控件来实现双域转换函数的定义。在颜色方案的选择中，本文采用了一些典型的 伪彩色方案和灰度方案，解释人员可根据实际需要分别对这些颜色方案进行编 辑，以更好地加强对比度。 第四章讨论了目前最为常见的四类可视化方法，光线投射方法、s p l a t t i n g 方法、纹理绘制方法和s h e a r w a r p 方法。文中分析了各类绘制方法的特点，并 指出了各类绘制方法所适用的环境及其优缺点，并根据地震勘探数据的特点，分 析了各类绘制方法是否适用于对地震数据体进行直接可视化。 在分析了各类可视化后，本章重点论述了对光线投射方法的简化与加速。首 先对数据体所在立方体投影到成象平面上，减少了发出光线的数量；以层为单位 对光线进行采样，减少了采样点数；在光线采样中，采用了即时光线终止技术， 即遇到不透明度较大的体素后，后续光线就不进行采样：由于地质体内部不存在 明显的边界面，因而可以对光照效应的计算进行简化或不进行光照效应计算，本 文还根据实际地震数据的特点，提出了一种更为简洁的光照效应计算方法，即只 考虑数据体中的边界体素和那些不透明度较高的体素的光照效应计算问题，而对 其它的体素则不进行光照效应计算，实验结果证明，这种简化的光照效应能够满 足实际解释工作的需要。 最后，提出了基于层和对象的数据结构( s o b ) ，并与八叉树编码结构进行 了比较，从实验结果来看，s o b 结构的效率更高，尤其对i v p 绘制方法来说， 则显得更为合适，因为i v p 方法是基于层的绘制方法，使得解释人员能更好地了 解地质体的中间成象过程，在同一层中以对象为单位进行绘制，从而可以迅速跳 过那些非目标体素，加快了绘制速度，s o b 结构的缺点在于，只能对于那些二 值化分类体数据才能适用。 第五章在纹理绘制和体元投影方法的基础上提出基于等值体素的体绘制方 法，这种方法将数据体中的体素与o p e n g l 中的个g l - p o i n t 图元相对应， 从而使得体绘制方法简化为简单的面绘制方法，成象速度得到成倍的提高，成象 质量与纹理绘制方法相比没有多大的区别，其优点在于对硬件的依赖程度较小， 在一般的微机上均能实现，缺点在于当图象放大时，会出现“马赛克”现象，这 主要是由于点元在放大后，点元之间出现不连续的现象。 第六章在前面几章论述的技术基础上，基于微机实现了地震数据可视化系 统一- - s d i s ，该系统是基于w i n d o w s 操作环境的，文中论述了系统的功能、结 构和软硬件要求等方面。另外，系统也引入了相干体技术，从而对相干体进行可 第9 页 第一章绪论博士论文 视化，以便于更好地对复杂断层和一些非构造沉积体系进行解释。根据三维立体 显示原理，实现了对地质构造的立体显示，使解释人员有身临其境的感觉，以更 好地对地质体进行分析判断。文中也分析了各类立体显示原理，并给出了其 o p e n g l 实现。 第1 0 页 博士论文 基于微机的三维地震数据可视化技术研究 2 层位与特殊地震相的分割 2 1 层位半自动分割 2 1 1 基于连通域的层位分割方法 目前，油气勘探的主要方式是通过人工地震来获取地下岩层的结构信息，经 过分析解释以了解地下油气的储藏分布。分析解释过程中主要是通过地震反射波 数据来重构地质结构，以获取地下岩层的结构和属性。为此对反射层的重构就显 得分外重要。反射层在某种意义上是一等值面，由于地质构造的特点，使得这些 等值面的分布呈交叉、有孔洞或断裂的无序状态，不象医学图象数据体，具有相 同灰度值所构成的等值面是有规则或事先预知的，如一条光线穿过地震数据体， 可能与具有相同振幅值的多个层位相交，而这些交点属于哪个层位无法判断，因 而现有的适用于医学体数据的等值面分割方法均不适用于地质反射层，因为无法 确定反射面在何处断开，而且反射层的空间分布情况，在分割之前是未知的，无 法选取相应的种子点以分割出断裂部分的反射面，根据以上分析，只能根据各体 素的空间连通性作为分割的条件，为此本章提出了一种适用于地震反射层的三维 分割算法一一基于连通域的纵横交错分割算法( r c t ：r o w c o l u m nt r a c e ) 。此 方法是根据构成层位体素的连通性来实现的，我们知道，连通的层位都是由一些 相互连通的体素连接起来的，选择这些连通体素中某一体素，就能够通过相应的 连通关系分割得到所有的体素，以构成层位，但r c t 方法只能粗略地分割出感兴 趣的层位，因为其仅仅根据体素的连通性及简单的域分割判断方法来实现的。此 方法也应用了基于种子点的区域分割方法 4 1 , 4 2 , 4 3 4 】的基本思想，即在分割之前选 择一种子点，作为分割的起始点。 2 1 1 1r c t 算法的基本原理 在数据场可视化中，对数据体中等值面的三维重构，主要采用体绘制的光线 投射算法( r a y - c a s t i n g ) m s 和步进立方体方法1 。很多文献4 7 8 舯，5 0 ，5 1 ，5 2 ，5 3 1 对这 些算法进行了相应的简化，加速了重构的速度，但在微机下应用仍达不到实时交 互的需要。本文提出的r c t 算法的基本思想就是对感兴趣的反射层位分别分割， 得出反射层位的空间坐标，再对层位进行显示，如果想了解多个反射层位的结构， 可以同时显示几个感兴趣的反射层位，如果想分析单个反射层位的结构信息，只 需显示单个反射层位。 在三维地震数据场中，相邻道上来自同一反射面的子波相互靠近，在空间上 叠合成一个连续的曲面即同相面。给定同相面中的任意一点作为种子点，我们就 第1 i 页 第二章层位与特殊地建相的分割 博士论文 可以应用三维连通域的r c t 分割算法得出种