（控制科学与工程专业论文）三维地质建模及其可视化研究与实现.pdf

摘要 摘要 本文针对三维地质建模及可视化研究发展现状，在系统分析当前各种建模 方法，并综合计算机辅助设计、科学计算可视化、计算机图形学、地质学等学 科理论的基础上，提出了表面、体元混合建模的方法，并根据该方法设计了一 套可行的三维地质建模及可视化技术方案，开发实现了一套三维地质建模及其 可视化软件系统。 本文首先分别以n u r b s 曲面拟合和二维d e l a u n a y 三角剖分方法为2 条线索， 使用表面建模法建立了三维地质构造模型：( 1 ) 研究了基于n u r b s 曲面的三维 地质面重构方法，探讨了该方法的优劣及其应用场合。( 2 ) 研究了基于交线识 别及数据预处理的二维d e l a u n a y 三角形逐层剖分方法，有效的解决了二维剖分 方法产生的层位与断层作用处的几何不一致与拓扑不一致的问题。 在使用表面建模法建立三维地质构造模型后，本文研究了三维d e l a u n a y 四 面体剖分方法并将它应用到地质建模中：以四面体为体元建立空间四面体模型 来表达地质体内部拓扑结构，并基于四面体模型，实现了构造模型、块体模型 以及它们间的相互转换。 在以上建模方法研究和试验的基础上，本文以o p e n g l 为三维图形开发包， m o t i f 作为用户界面开发工具，在s u n 工作站的s o l a r i s 平台下，使用c c + + 语言开发了套三维地质建模与可视化软件系统，并使用该系统对胜利油田的 实际地质数据建立了一个三维地质模型的应用实例。 关键字：三维地质建模，可视化，d e l a u n a y 剖分，n u r b s 曲面拟合，o p e n g l a b s t r a c i a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h e d e v e l o p m e n to f3 - dg e o l o g i c a lm o d e l i n gt e c h n o l o g y , t h i s t h e s i sa n a l y z e ss y s t e m i c a l l yt h em a t u r eg e o l o g i c a lm o d e l i n gt e c h n i q u e si ne x i s t e n c e ， i n t r o d u c e st h eg e o l o g i c a lm o d e l i n gt e c h n i q u eo fs u r f a c e b o d y c e l li n t e g r a t i o no nt h e t h e o r e t i cb a s i so fc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c o m p u t e rg r a p h i c s ，v i s u a l i z a t i o ni n s c i e n t i f i cc o m p u t i n ga n do i lf i e l dd e p i c t i o nt e c h n i q u e s a n di nr e g a r dt ot h i sk i n do f m o d e l i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n s ac o m p l e t et e c h n i q u es c h e m e ，i m p l e m e n t st h e3 - d g e o l o g i c a lm o d e l i n g a n dv i s u a l i z a t i o ns o f t w a r es y s t e m s u r f a c em o d e l i n ga st h et e c h n i q u e ，n u r b ss u r f a c ea p p r o x i m a t i o na n d2 - d d e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n a st h et w od i f f e r e n t m e t h o d s ，3 一dg e o l o g i c s t r u c t u r e m o d e l i n gi s b u i l t f l r s t l y ：( 1 ) t h e m e t h o db a s e do nn u r b st oc o n s t r u c tt h e3 - d g e o l o g i c s u r f a c ei s i n v e s t i g a t e d ，a n d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sm e t h o di sa l s o d i s c u s s e d ( 2 ) t h em e t h o do f2 - dd e l a u n a yt r i a n g u l a t i o nb a s e do n d a t ap r e t r e a t m e n t a n dg a pp o i n tr e c o g n i t i o ni si n v e s t i g a t e da n da p p l i e dt oc o n s t r u c tt h e3 - dg e o l o g i c s u r f a c e ，a n dt h ep r o b l e mt h a tt h ef a u l t a g es u r f a c ed o e s n tm a t c ht h et i e r s u r f a c e w h e r et h ef a u l t a g es u r f a c ei n t e r s e c t st h et i e rs u r f a c ei ss o l v e d a f t e r3 - dg e o l o g i cs t r u c t u r em o d e l i n gi sb u i l t ，t h em e t h o do f3 - dd e l a u n a y t e t r a h e d r o nd i s s e c t i o ni s i n v e s t i g a t e da n da p p l i e di n t o3 - dg e o l o g i c a lm o d e l i n g ： t e t r a h e d r o na st h eb o d yc e l l ，t e t r a h e d r o nm o d e l i n gi sb u i l ta n dt h et o p o l o g i c a l r e l a t i o n s h i p s i sr e f l e c t e d b a s e do nt e t r a h e d r o n m o d e l i n g , g e o l o g i c s t r u c t u r e m o d e l i n g 、t e t r a h e d r o nm o d e l i n g a n d b o d ym o d e l i n g c a l lb et r a n s f o r m e de a c ho t h e r a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c hm e n t i o n e d a b o v e ，i nv i e w o f p o r t a b i l i t y a n d s c a l a b i l i t y , t h ea u t h o r u s e ss t a n d a r dc + + a s p r o g r a m m i n gl a n g u a g e o p e n g l a s3 - d g r a p h i c sl i b a r a y a n dm o t i fa sg u i d e v e l o p i n g t o o lt o i m p l e m e n t t h e t h r e e d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e l i n ga n dv i s u a l i z a t i o ns o f t w a r es y s t e mo ns u n s o l a r i sp l a t f o r m ，a n db u i l d e sa3 - dg e o l o g i cm o d e l i n gw i t ht h eg e o l o g i cd a t af o r m s h e n g l io i lf i e l d a sa ne x a m p l e k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a lg e o l o g i c a lm o d e l i n g ，v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i c c o m p u t i n g ，d e l a u n a yt r i a n g l e ，n u r b ss u r f a c e ，o p e n g l 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文= ! 三缍地厦建撞丛墓互塑丝婴 窥墨塞班= ：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含 任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的 成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：麦 移 2 0 0 5 年3 月1 曰 第一章引言 1 。1 研究背景 第一章引言 随着科学技术的迅猛发展，大量产生的科学数据与缺乏解释数据的有效手段 之间的矛盾日益尖锐。一方面不断产生数据，一方面无法解释和利用这些数据， 一些科学家惊叹：我们所能做的仅仅是把这些海量数据储存起来! 科学计算可视 化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ，简称可视化) 便是在这样的背景下 提出和发展起来的，它是- - f 综合数据处理、辅助设计、图形( 图像) 显示的 门交叉学科“1 。其目的是用真实的静态或者动态图像( 图形) 来描述观测数据、显 示计算过程和分析结果，从而揭示大量分离、复杂的数据中包含的信息和内在联 系，帮助人们更深刻理解各种现象的发生、发展及相互影响。 在石油工业中，面临的一个严峻问题是：如何寻找规模小而埋藏深的油气田， 并且改造现存油田、延长现存油田的产油寿命。油气勘探的主要方式，是通过人 工地震产生的地震波在地质构造中的传播，来重构大范围内的地质构造，并通过 测井数据了解局部区域的地层结构，探明油藏气藏位置及其分布，估计蕴藏量及 其勘探价值”1 。由于钻井费用昂贵，所以不允许盲目钻探开发。为此，首先必须 进行准确快速的油气资源评价，再在油气资源评价结果的基础上进行油气资源的 开发。于是，地震数据和测量数据能否得到有效解释便成为正确定位矿藏位置和 提高钻井成功率的关键。 由于三维地震数据( 3 ds e i s m i cd a t a ) 及测井数据的数据量极其庞大，而且 分布不均匀，因而无法根据纸面上的数据作出空间分析和判断。面对日益复杂、 隐蔽的油气藏，为提高钻井的成功率，这就需要为勘探工作者提供一个全新的三 维地质构造形态和属性特征的三维图形或图像。 三维地质建模及其可视化就是将可视化技术应用到地质勘探中，利用计算 机建立三维地质模型对三维地震数据进行描述、重构，并在三维空间显示，帮助 地质勘探人员能对原始数据作出正确解释，得到矿藏是否存在、矿藏位置及储量 人小等重要信息，从而提高钻井的准确率和成功率。三维地质建模及其可视化已 经成为油气勘探开发一体化中的重要环节，同时也是可视化应用研究中个生机 勃勃的重要领域。 第一章引言 1 2 国内外研究现状 发达国家在地震勘探可视化领域的研究丌展较早。经过十几年研究开发，陶 外已经出现了一批成熟的商业化应用软件。比较著名的有l a n d m a r k 公司的 e a r t h c u b e 和o p e n v i s i o n 、g e o q u e s t 公司的g e o v i z 以及d g i 公司的e a r t h v i s i o n 等，它们基本上代表了当今地震勘探三维脚视化应用的最高水平。这些软件包可 将二维地震、三维地震、测井曲线、地质分层、井轨迹、网络化层面、断层面等 进行完整的三维立体显示，用户可以用鼠标控制旋转角度来观察地质目标，直观 便捷。 国内在这方面的研究起步较晚。在国内的石油公司、地球物理公司等单位普 遍使用的地震软件大都是从国外引进的，并以l a n d m a r k 公司和g e o q u e s t 公司的 解释系统居多。国内三维可视化技术的研究在各行业都已展开，但是还没有真i e 实现实用化的三维地质可视化软件。由于三维可视化的复杂性，在国内还没有见 到好的具有自主知识产权的地震勘探三维可视化系统。 121g o c a d ( ；o c a d ( g e o l o g i c a lo b j e c tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，即地质对象计算机辅 助设计，它最初是由法国n a n c y 大学的j l m a l l e t 教授推出的研究计划，目的 是要丌发一种新的地质对象计算机辅助设计方法，以适应地质、地球物理和油藏 l ：程的需要，为多学科的综合研究提供主要的技术支撑。g o c a d 研究讨戈0 的核心 技术是j l m a l l e t 教授于1 9 8 2 年提出的的离散光滑插值( d s i ) 技术。此外，在 g o c a d 计划中采用了适应能力很强的三角形网格剖分和四面体剖分技术，这对于 模型的修改和三维可视化十分方便。g o c a d 研究计划还包括了d s i 方法在地震射 线追踪、叠前深度偏移、时间偏移等方面的研究。目前，g o c a d 正向着非均匀网 格波传播、非均匀网格反演等方向发展。 由t - s u r f 公司丌发和销售的g o c a d 是一个强大的交互式创建三维子面模型 的软件。该系统允许用户在三维环境中引入、创建、修改、集成、显示、输出地 质对象，还提供对这些对象做地质、物性分析g o c a d 的源代码是一套口+ 程序， 包括实用程序( u t i 】i t y ) 、数学模块( m a t h ) 、线模块( 1 i n e ) 、面模块( s u r f a c e ) 、 体模块( v o i u m e ) 、应用程序( a p p l i e a t i o n ) 、图形库( g r a p h i c s ) 和m o t i f ：r 具集， 其中用户界面基于xw i n d o s m o t if g o c a d 计划将地质建模数字化向前推进了一大步，为深入研究数字化建模丌 辟了道路。f i 前，g o c a d 计划的许多研究成果已经被围外的许多地球物t 颦- i 百：f 和 石油公司使用，g o c a d 计划也得到了世界 一很多公司和大学的支持。国内m b 科 第一章引言 研单位也在上世纪末开始跟踪研究g o c a d 。本课题也将分析和借鉴g o c a d 的一些 成功经验。 1 2 2g e o v i z g e o q u e s t 公司是斯仑贝谢信息处理( s i s ) 公司的软件分公司，为油气勘探 和开采工业提供世界先进水平的综合软件处理系统和油气减数值优化系统。s i s 是斯仑贝谢油田服务公司分支机构，为全球的油气工业提供综合解决方案，其中 包括：g e o q u e s t 软件、信息管理服务、信息技术及完善的专家服务。该公司的 软件产品6 e o v i z 在国内得到了较广泛的应用。系统用于地震数据采集处理和解 释、测井数据采集处理和解释。系统由物探资料通过计算机分析处理生成三维地 质模型，三维空间曲面的修改通过修改其等值线来完成。 12 3e a r t h y is i o n e a r t h v i 8 i o n 6 0 是由美国d g i ( d y n a m i cg r a p h i c s ，i n c ) 公司开发的用于_ _ 三维 建模的软件，于2 0 0 1 年6 月发稚。e a r t h v i s i o n 空间地质建模软件在建立复杂 地质构造的三维实体地质模型方面颇有独到之处，可用于识别目的层，描述储油 层特征，优化油田开发，计算石油储量。e a r t h v i s i o n 可用于w i n d o w s 平台和u n i x 平台。它简化了三维地质建模过程，提供了多种可视化工具，包括：综合地震显 示、质量控制、布井、不同用户问的数据交换：其简单易用的界面和先进的性能 使用户能够快速、便捷地建立精确模型。 12 4 国内的研究和开发情况 国内近年来在吸收国外技术的基础上，加强了可视化软件的开发工作。但和 二二维地质建模技术和三维可视化技术的应用相比，三维地质建模和可视化的理论 研究和软件开发整体还处于一个相对较低的水平。 复杂地质体深度成像软件c g o d ( c o m p l e xg e o l o g i co b j e c td e p t hi m a g n g s o f t w a r e ) 是由中国科学院地质与地球物理研究所、胜利油田和同济大学联合研 制的一个地质成像软件系统。它是一个利用了a v s ( a d v a n c e dv is u a ls y s t e m s ) 公司的a v s e x p r e s s 软件提供的编程接口，结合m o t i f 在界面处理方面的优势， 在a v s e x p r e s s 平台上进行二一次，：发的一个地质成像系统，见文献。该系统为 利用a v s 软件来实现不同应用程序的集成提供了r 个行之有效的途径。 其他如石油物探局的( ；r i s y s 系统、华北油阳的k d s y s 系统等都适应我幽独 特的地质情况，使用界面灵活友好，在网内具有相当的应用。但更一般米讲，吲 第一章引言 内软件系统设计和布局缺乏统管理，总体设计较为欠缺，工业化和标准化尚小 能达到商业要求，未成为成熟稳定的成套系统。 1 3 课题来源和应用背景 我国。直是国际地球物理处理软件市场的一个重要部分，却长期为外国软件 产品所占领。我国自上世纪7 0 年代以来一直引进国外的地震数据处理软件，这 明显存在以下不足： l _ 软件价格高，一次性投入费用大：一套现场地震处理软件约为l o 万美元， 工作站上的地震处理软件为1 5 一1 6 万美元，一套大型机上的地震处理软件则需用 外汇5 07 0 万美元。 2 维护升级费用高。引进国外的软件要不断的进行有偿升级和维护。 3 各软件厂商缺少统一运行环境和数据平台，数据共享程度低。 4 更重要的是：技术上受到限制，难以发展我国自有的技术。 以上原因很大程度上影响了在地质资料处理和可视化方面自身持续发展的 能力。因此，研制统一的具有自主知识产权的国产石油勘探可视化软件是非常必 要和迫切的。 地震波三维可视化技术研究项目是胜利油田物探中心和同济大学电信学院 的联合研究项目。其目标是开发研制出一套拥有自主知识版权的地震勘探可视化 软件。项目要求采用标准的图形接v ：i 平台，吸收目前先进的建模方法和技术，结 合胜利油田特殊的复杂地质构造，开发使用灵活、移植方便、具有开放性的地震 波传播可视化软件。该项目完全从我国胜利油罔实际地质出发，开发符合我国实 际地质构造情况的地震波传播可视化系统，有助于打破油田数据处理系统大型软 件完全依赖外国进口的局面。 本课题主要完成三维地质建模技术研究及软件实现、三维可视化技术研究与 用户平台的实现等工作。2 0 0 4 年9 月，本期项目通过了胜利油田的验收，目前 软件系统运行良好。从提高胜利油田精确探油的能力和促进对地震波传播规律认 识的角度米看，本课题的研究成功必将带来较大的经济效益和社会效益。 1 4 课题的研究内容 本课题的研究内容主要包括3 个方面： 1 对i 维地质建模的方法、流程和关键算法进行研究，包括模型表示方法， 剖分和插值算法等。主要包括三维地质模型的表示和地质建模方法，n u r b s 曲面 4 第一章引言 拟合及其在地质面表达中的应用，一二维i ) e l a u n a y 三角剖分和三维d e l a u n y a 四面 体剖分算法及它们在地质模型表达中的应用等。这是本文的核心研究内容。 2 对可视化过程中的绘制技术进行研究。主要是借助于计算机图形学的理 论和方法，基于o p e n g l 实现具有真实感三维图形的绘制。包括材质、纹理、光 照、消隐和平滑处理，以及缩放、旋转、平移等三维几何变换。 3 对可视化的软件设计和开发进行了探讨和实践。主要包括如何设计好各 种算法和数据结构来提高三维图形的显示速度和提高程序的性能，如何选择可视 化的软硬件平台来使系统的性能得到最大发挥并保持其稳定，以及设计一个良好 的用户界面来实现入机交互功能等。 1 5 本文的组织和章节安排 本文主要研究了地震波传播三维可视化系统中的三维地质建模、曲面拟合和 网格剖分、三维可视化应用软件设计开发等问题，并开发出一套三维地质建模和 可视化软件，为胜利油f ；r 在复杂地下构造情况下面临的勘探精确度问题提供一种 经济、可靠、可操作性强的解决方案。 本文贯穿了“地震波三维可视化技术研究项目“的全过程并承担该项目的绝 大部分工作。因此本文也可以看作该项目的系统总结报告和个人的工作总结。它 同时描述了作者在系统设计、开发过程中遇到的闯题，以及对这些问题的分析、 思考和最终的解决方案，对一些技术难点进行了探讨和总结，并对今后工作做了 展颦。 本文的主要部分包括中英文摘要、目录、正文、附录、致谢和参考文献。结 构安排如下： 第一章是引言部分。 第二章对三维地质建模方法和可视化技术进行整体综合研究，提出表面、体 元模型混合建模的方法，并给出一套完整并可行的三维地质建模解决方案。 第三章是基于n u r b s 曲面的地质面表示研究，主要讨论n u r b s 曲面在地质建 模中的应用，并给出实验。 第四章是基于d e l a u n a y 三角剖分的地质面表示研究和基于d e l a u n a y 四面体 剖分的体元模型表示研究主要讨沧二维d e l a u n a y 三角剖分和三维o e l a u n a v 叫 面体剖分算法和改进，以及它们在地质建模中的应用，重点解决层位和断层的相 交处几何不一致和拓扑不+ 致的问题以及模型相互转换问题，并给出实验。 第五章是三维地质建模和叮视化软件系统的设汁、开发和应用，这足在本文 理论和方法研究指导下的物质成果，也是本文的最终日的之 。 第一章引言 第六章是全文的工作总结和展望。 正文中引用的实验效果的彩图一部分做为插图，另一部分作为附录汇总在正 文之后。最后是致谢、参考文献和作者攻读硕士学位期间发表的论文和研究成果。 6 第二章二维地质建模方法与可视化综合技术研究 第二章三维地质建模方法与可视化综合技术研究 本章分析了当前较为流行的一些三维地质建模方法，归纳了三维地质建摸和 町视化的关键技术，从地质格架模型入手，提出了具有现实意义的综合表面模型、 体元模型的混合建模方法，并给出其一般过程。这既为本文的三维地质可视化软 件的开发提供了一个技术解决方案，也为本文后续章节的具体研究的展开做了一 个综述。 2 1 地质模型基本概念 三维地质模型是加强对地下地质认识并反思和创新地震勘探方法的一个新 的主要技术。利用三维地质模型可以以三维真实感图形的形式形象地表达地质构 造的真实形态、特征以及三维空间物性参数分布规律。但是三维地质建模具有一 定的难度和技术难点。一方面，三维地质建模和可视化技术是一项综合应用技术， 涉及到地球物理、地质、油藏工程、数学、概率统计、计算机图形学等多学科， 另一方面，由于地质模型的基础数据来源于多种途径，比如地震、测井、岩性物 理、地质录井等，因此就需要综合考虑这些数据类型繁多、数据量庞大( 经常以 g b 为数量级) 的特点，来建立一个为各学科专家和工程师所认可的统一的模型。 2 1 1 三维地质模型 所谓三维地质模型是指：使用适当的数据结构在计算机中建立起能反映地质 构造的形念、各要素之间的关系以及地质体空间物性分布等地质特征的数学模型 ( 1 一般来说地质模型通过量化以下信息来描述地质对象”1 ： 几何形态 拓扑信息( 地质对象间的关系) 物性 个计算机地质模型包含的元素层次有： 点( 拾取) 线( 路径) 曲面( 层位面、断层面) 第章二维地质建模方法与可视化综合技术研究 交线( 层面与断层交线) 闭合岩石区域( 断块) 网络( 规则网格、地层网格) 物性( 速度、孔隙度) 一个地质模型就是幽这些对象的各种信息综合而成的一个复杂整体。精确的 层位、断层和它们之间的交线是真正的三维问题。图2 1 是一个典型的3 维地质 格架模型，由3 个地质断层( 红色交线) 作用的3 个地质反射层( 水平) 构成。 图2 1 三维地质模型 2 12 三维地质模型建模元素 建立地质模型主要元素有： l 点。点是最简单的模型。点通常来源是一个三维地震解释系统，以现代勘 查的规模，给定表面上所含道数以及由此产生的点多达通常多达百万，为了在三 维模型系统中处理这些点，关键要找到方法以减少用于描绘一个层位曲面的所需 点数。 2 线。两点定义一条线段，许多线段形成一条线或簇线。通常的三维线包 括地震射线路径，层位与断层交叉线井迹。模型系统的最主要的输入之是断 层向量，这个断层轨迹由三维地震数据体中的二维切片的地震解释中得出。 3 曲面。虽然网格化的单值二维曲面表示目前在整个石油工业中广泛应用， 但基于由三角形集合构造i 维曲面的_ 三维建模系统已经被越来越多的使用。三角 剖分曲面是一个非常有效的方法，町用于表示诸如油气接触面的简单曲面，如边 界垂直曲确n 或没有扩展到整个区域的曲面( 尖灭断层) 。三角剖分曲面也可以 用来表示多值曲面。生成i 角剖分f 扫面的困难包括建立点线问最优连接和同时处 理重叠和错误连接的点和线，此外，“：生以断层约束为边界的有效的三角剖分曲 l 也是有困难的。 第：章三维地质建模方法与可视化综台技术研究 4 交线。有许多种地质交线，在一个模型中封闭的交线包含由两个相交曲面 共享的点和边界，严格的交线最好是用一个曲面切割另一个曲面来产生。一个面 切割另一个面如断层切割层位，在三维空间是一个困难的问题。通过细心的 选择数据来改变三维交线算法是可能的，本文将在第四章进行更详细的讨论。 5 拓扑。从地质科学角度看，拓扑是地质对象问关系的表格。层位( 上覆、 下伏、切断) 间地层学关系在建模时由解释人员记下，形成一个简单的拓扑表， 也可以通过绘制一系列的草图来量化结构框架、建立结构关系。拓扑也可视为允 许这些地质关系合理储存的数据结构。 6 块体。块体是指由交叉曲面封闭的空间体积。一个块体可以是断层块、层、 盐体或通道和其他可能的对象。拓扑表也存储哪个块体被哪个曲面或子曲面封 闭。这使对曲面或子曲面的查询以确定地下某一点在哪个块体成为可能。从而通 过查询来确定分析目标的合适分布，网格或功能。 7 网格。四点定义了一个四面体，理想情况下，由曲面和交线定义的非流行 块体能由四面体填充，该四面体完全匹配于三角形表面的边界。实际上，严格的 非流行四面体网格是很难构造的，并且在计算机中占很大的存储空间。而且，油 藏描述和流体流动应用在四面体的情况下更难开发，所以目前一般将三维对象的 物型放在一个规则网格上。 存在断层时，规则网格( 流形拓扑) 的主要缺点很明显的表达出来了：网格 与封闭断块区域的三角剖分曲面不一定有完全一致的几何和拓扑。这个问题和它 的解决方法本文将在第四章进行更洋细的讨论。 8 属性。地质模型包含由点、线、面、表面、块体和网格携带的地质属性如 地震速度、地层压、地层温度、孔隙度等。地质属性的插值方法有两种：光滑插 值和非均匀插值。 2 1 3 地质模型表示方法 地质模型的表示是地质模型可视化的基础。由于不同方法的要求不同，地质 模型有不同的表示方法。这些表示方法可总结如下： l 构造模型。地质构造模型是三维地质体模型的基础。构造模型也称作格架 模型，是指通过莳期的勘探工作而得到的关于勘探区域地下地质构造的“格架”， 山地质反射层和地质断层构成，从几何角度看，是由空问的曲面( 反射层面和断 层l f | ! ) 组成的。该模型是用地震资料进行解释后所得结果。当断层形态比较简单 时，该模型- w j 以近似归结为层状介质模型，从而用于叠前偏移和速度估计。 2 块体模型。每一块体由卜下两个曲面描述，块体通常为凸体，因而可以通 过点的坐标与边界面方程来判断点的内外。该模型由复杂地质体项目立项时提 第二二章三维地质建模方法与可视化综合技术研究 出，目前对该模型的表示方法正在进一步工程化和完善”1 。 3 光滑参数模型。介质参数的空间变化用样条函数描述，样条包括h e r m i t e 样条或b 样条。目前欧洲油储计划使用这种描述方法进行射线追踪。光滑模型比 较适合射线理论。 上述不同的的表示方法各有各自的优缺点，但不同表示方法完全可以借助四 面体模型作为中介来进行转换。本课题将主要以格架模型研究表示为主，但在本 文第四章也具体研究了将d e l a u n a y 剖分后的四面体模型作为中介来实现各种模 型之间的转换方法。 2 2 三维地质建模及可视化过程的关键技术分析 可视化的过程具有一个基本的参考模型。1 ，如图2 2 所示，可视化过程模型 具有四个处理模块： ( 1 ) 数据操纵模块。主要完成数据过滤( 网格化、插值、梯度计算、格式 转换等) ，使原始数据得到加细或增强，形成适合后续可视化操作的表示形式。 ( 2 ) 可视化映射( 构模) 模块。将数据过滤导出的数据映射为几何数据( 如 点、线段、多边形等) 及其属性( 时间、颜色、透明度、反向系数、表面纹理等) 。 ( 3 ) 绘制模块。将几何数据转换成图像数据，它包括计算机图形学与图像 处理中常用的技术( 如观察变换、光照模型、体绘制等) ( 4 ) 显示模块。完成图像显示。 图2 2 可视化过程参考模犁 映射模块是可视化技术的核心。本课题也将专注于构模模块和绘制模块即 地质数据的处理、地质模型的表达和三维真实感图形的生成。 22 1建模方法 构造模型的建立应遵循三项原则：模型的精度、交互性能好以及选取的建模 方法是否有利于后续处理。模型的精度可以通过对基础的离散数据进行滤波、格 架模型的可视化处理等方式来控制，避免奇异点和与实际地质现象不吻合的情 第二章二维地质建模方法l 可视化综合技术研究 形；交互性是方便、快速建模的手段，其技术关键是软件的交互性能；好的建模 方法不仅可以提高模型的响应速度，而且可以加强软件的后续扩容性。这三者中， 建模方法是最核心的技术，目前广泛采用的方法主要有表面建模法和实体建模法 f 州 地质体的常用三维构造模型包括表面数据模型( s u r f a c e f r a m e ) 和实体数 据模型( s o l i d f r a m e ) ，它们分别利用表面( s u r f a c e ) 和实体( s o l i d ) 法来表 示空间中的三维实体8 1 。 1 表面建模法 表面建模法出现的历史较早，它的基本内容是通过精确地表示出地质体的外 表面来表示均质地质体的建模方法，也是目前最广泛使用的建模方法。但是，由 于实际上地质体不可能是完全均质的，所以表面建模法具有一定的近似性，但通 过运用简化的均质模型表达复杂的非均质地质体，经过实际运用，可以近似表达 地质体的三维空间实体，可认为是合理、可行的建模方法，见文献”1 。 表面建模法的数据来源是打井所获得的一系列剖面上拾取层位、断层或地质 体截面区块所得的数据以及地震实验所获得的数据。然后运用数据解释结果重构 均质地质体界面。可以抽象为把一系列属性相同的点，按照一定的规则连接起来， 构成网状曲面片，进而确定整个地质界面或地质体的空间几何形态。 表面模型也称为数字表面模型。有很多方法可以用来表达表面，常用的方法 有： 1 ) 边界表示职( b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n ) 法：通过面、环、边、点等 简单几何元素的属性来定义地质形体的位置和形状这种方法在描述结构简单的 三维物体时十分有效但对于大都为不规则几何实体的地质体，则很不方便，只 有在可以适当的降低精度的情况下，这种方法才可以使用。 2 ) 等高线模型：依据等高线截耿一系列剖面，将同一剖面上同属性的点用 直线连接起来，形成。系列多边形，然后把这些多边形面拼接起来形成个多边形 网格来模拟地质边界或开采边界。 3 ) 不规则三角网模型( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k ，t 1 n ) ：将空间 同属性各点连接成三角形，进而构成一个三角网；运用三角网构成的闭合曲面表 示地质体的三维几何形态。常用的表面构模技术是运用基于最近邻优先原理的三 角片曲面几何重构算法在数据点之间构造二角网。 表面建模法多应用于层状地质结构建模。对于该种地质结构，一般先存模型 域卜根据各岩层之间的接触界面或厚度j i i 成模型的表面然后再运用“修剪”、 “优先级次序覆盖”或算术和逻辑运算等方法对各岩层接触面或厚度进行精确修 饰。 第二章三维地质建模方法与可视化综合技术研究 但是，无沦在自然环境或是计算模型中，许多对象和现象只能用三维体数据 表示，传统的表面数据结构往往无法表示地质体的内部属性，对于剖面之问的轮 廓线分叉、对应和拼接问题，也无法进行满意的解释。而对于地质建模的兰维可 视化来说，其目的就是根据所建模型，对地下任一点的结构做出有效判断。因此， 为了更精确描述地质体，人们常利用2 0 世纪术发展起来的一种新的三维数据建 模法，即实体建模法。 2 实体建模法： 实体建模法不仅可以了解地质体空间结构，而且能够了解地质体内部任一点 的属性分布“”1 。 实体建模法是以地质体的体特征描述为基本指导思想的三维空间建模法。 1 ) 三维栅格模型：它是二维中的栅格模型在三维中的推广，因而被称为三 维栅格模型。三维体元充填模型中最简单并最经常使用的是等变长的正方体体 元，称为断块。将每个块段在自然矿床中的位置和它在计算机中存储地址对应起 来，每个块段的地质属性( 孔隙度，渗透率等) 被视为常量。这样，就可以获得 地质体内部任一点的属性值。但是这种以段块为基本元素的建模法也存在着自身 的缺陷，它无法精确描述地质体的边界，并且数据冗余量巨大。 2 ) 线性八叉树模型：为了克服等变长立方体数据量巨大的弊端，人们发展 了线性八叉树模型，它是二维中的四叉树模型在三维中的推广。八叉树模型将一 个立方体三维空间平分为八个卦限，直到每个体元内都属于同一个物体为止。 3 】四面体体元充填模型：文献“2 1 对基于四面体的三维体体元充填模型进行 了研究：将不规则四面体( t e t r a h e d r o n ) 作为描述空间实体体素，把任意一个三 维空间实体剖分成一系列邻接但不重叠的不规则四面体( 如同二维中对平面进行 三角剖份) ，用四面体的集合来表达空间物体。其特点是能够根据三维空间采样 点的坐标值，有效地实现三维插值运算及图形的可视化功能。四面体的临界关系 t 一，以反映空问的某些拓扑关系。 实体建模法的缺点就是数据量非常大，并且缺乏实体之问、体元之阳j 以及体 元几何要素之间拓扑关系的表达，相邻边界需要重复数字化，空间查询和分析功 能很弱，而且操作繁琐。 22 2 网格剖分 网格化，又称剖分，是地质模型计算机辅助设计的基础。无论是表面建模法 还是实体建模法最终都需要绘制曲丽，山于解释数据小能完全满足需要，图此需 要先删格化，为插分计算数据，r 气提供基本的网格单元，从而用细小的网格单元精 第二章三维地质建模方法与可视化综合技术研究 确模拟地质特征。 常用的网格化方法有差分法、有限元法( 如d e l a u n a y ) 。1 。差分方法采用 直交网格，较难适应区域形状的任意性，不易编程。有限元方法可以用任意形状 的网格分割区域，可以疏密有致地、自如地布置节点，因而对区域的形状有较大 的适应性，可以编制通用的计算程序。 在二维情况下的三角网格和三位情况下的四面体网格，具有很强的表示模型 的能力。d e l a u n a y 剖分是二维d e l a u n a y 三角形化和三维d e t a u n a y 四面体化的 总称，在它发展的几十年历史里出现了多种经典算法，比较有影响的有：b o w y e r 算 法“，j o e 算法“，l a w s o n 算法“”和w a t s o n 算法“。d e l a u n a y 剖分方法包括二 维d e l a u n a y 剖分、二维约束d e l a u n a y 、剖分三维d e l a u n a y 剖分、d e l a u n a y 快 速剖分算法、三维d e l a u n a y 约束剖分。其中很多技术仍然是当前计算机辅助没 计领域的研究热点“”“。本文即采用二维d e l a u n a y 剖分方法对三维地质构造模 型中的层位和断层进行表达，采用三维d e a u n a y 剖分方法建立四面体模型，并 基于四面体模型实现块体模型，以及它们和构造模型的相互转换。 2 2 3 曲面拟合 在机械c a d 三维重构领域，经典的自由曲面表示法已经有着悠久的历史。 n u r b s ( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb - s p l i n e ) 方法是广为流传的自由曲线和自由曲 面描述技术，用n u r b s 可统一表示初等解析曲线曲面，有理非有理b e z i e r 曲线 曲面和非有理b 样条曲线曲面。在1 9 9 1 年国际标准化组织颁布的工业产品几何 标准中，自由型曲线曲面被唯一的用n u r b s 表示。 空间地质层位的表达同样可以看成是空间散乱数据的重构，从而可以用 n u r b s 来建模。文献”使用它来描述地质面，它的优点是算法成熟，建模速度快， 可以直接进行地震波数据场的计算。但它要求已知数据是规则数据，这就必须对 地质层位数据进行采样和补充等预处理。同时，在断层作用下的层位将出现彳；连 续，这时的层位被分割为几个连续的空间部分，采用n u r b s 建模就首先必须识别 交线边界，然后分别进行描述，工作将变的十分复杂。本文将把n u r b s 描述方法 作为表面建模中对d e t a u n a y 三角剖分方法的补充，对连续的层位部分进行精确 的数学描述。 2 2 4 三维真实感图形生成 在地质几何模型建立以后，二维图形的生成质量将直接反应模拟的精度和圳 视化的效果，并决定软件系统的质量和实用性。三维图形的生成首先需要经历场 第一章三维地质建模方法与可视化综合技术研究 景造趔、取景变换、视域裁减、消除隐藏面等常规步骤。在经过消隐处理后，一i 维图形已经初步具有较强的立体感，排除了视觉上的二义性；然而为了使图形更 为逼真，还要给物体加上颜色和纹理，并考虑物体表面由于光照而产生的明暗变 化而对物体表面进行浓淡处理，有些甚至要使用阴影产生技术。 大型三维图形系统的开发一般建立在使用三维图形库的基础上。现在流行的 商、址三维图形库有d i r e c t e 3 d 和o p e n g l ，。其中o p e n g l 由于可移值性好而成为可 交互3 d 图形应用程序的首选环境。o p e n g l 是s g i 公司开发的一套高性能的计算 机图形处理系统，是图形硬件的软件接口。它不仅可以处理单幅的离散图形，而 且因为其对环境及实体渲染的高度逼真的视觉效果，在三维动态仿真领域也同样 显示出了强大的生命力。o p e n 6 l 是目前唯一真正具有开放性平台无关性的一个 事实图形工业标准。它具有可移植性，任何一个o p e n g l 应用程序都无须考虑所 在的平台和操作系统；同时具有易操作性，它具有简单直观的命令结构，可用较 少的代码完成复杂的显示任务。 由于o p e n g l 以上的诸多良好性能，本文以后的算法实验都使用它作为三维 图形引擎。本文的三维地质建模及可视化软件系统也建立在这个引擎上。 2 3 一种综合表面、体元混合建模的三维地质建模技术解决方案 2 3 1 表面、体元混合模型 由于表面建模法和实体建模法无法摆脱的缺陷，单纯使用表面建模法或单纯 使用实体建模法往往无法精确体现地质体模型的整体特性，为了即能有效描述地 质体不同层面的地下分布，又能够对地质空间任一点的属性能够进行具体描述， 在地质建模的不同阶段采用不同的建模方法来满足可视化成像的需求，是有效可 行的方法。 为了既达到一定的模型精度，又能够有效描述地质体内部属性，将不同的建 模方法集成在同一个系统中，是解决这一问题的有效方法。本文中首先运用表面 建模法建立不同地质体的边界，然后运用实体建模法进行完整描述。这种综合表 面、体元混合建模的建模方案大致可分为2 个步骤： ( 1 ) 在计算机中以真实的地质体的几何形态为基础，运用表面描述法处理 三维空间地震测量所得的层面数据和断层数据。具体来说，就是采用交互式方式 模拟生成山地质表面和开采边界面构成的三维形体。在现有方法中选择何种方法 对采样所得数据进行有效处理，这是建立混合模型所首先需要考虑的问题。本文 综合使用n u r b s