三维可视化技术.doc

三维可视化技术加书签 收藏 下载 跳至底部 阅读:2567次 大小:9kb(共9页) 物探新方法新技术7 三维可视化技术三维可视化(3d visualization)技术是20世纪80年代中期诞生的一门集计算机数据处理、图像显示的综合性前缘技术。它是利用三维地震数据体显示、描述和解释地下地质现象和特征的一种图像显示工具。它可使地球物理学家和地质学家“钻入”到数据体中，更深刻地理解各种地质现象的发生、发展和相互之间的联系。7.1 三维可视化技术概述可视化技术是把描述物理现象的数据转化为图形、图像，并运用颜色、透视、动画和观察视点的实时改变等视觉表现形式，使人们能够观察到不可见的对象，洞察事物的内部结构。可视化技术有两种基本类型：基于平面图的可视化(surface visualization)和基于数据体的可视化(volume visualization)，也称为层面可视化和体可视化。层面可视化指的是地质层位、断层和地震剖面在三维空间的立体显示，其主要用于解释成果的检验和显示。体可视化是通过对数据体(可以是常规地震振幅数据体，也可以是地震属性数据体，如波阻抗体或相干体)作透明度等调整，从而使数据体呈透明显示，其主要用于数据体的显示和全三维解释。在体可视化解释中，常用技术有5种：体元自动追踪技术、锁定层位可视化技术、锁定时窗可视化技术、垂直剖面叠合可视化技术和多属性可视化技术。(1) 体元自动追踪技术追踪过程是从解释人员定义种子体元(seed voxel)开始的，体元追踪是沿着真正的三维路径追踪数据体，因此追踪结果是数据体而不是层位。图71给出利用体元自动追踪技术解释某油田含油砂体的过程，即从油层标定、种子点拾取、体元追踪到三维显示。(2) 锁定层位可视化技术利用已有的层位数据(或者层位数据做定量时移)作为约束条件，将目的层段的数据从整个数据体中提取出来，然后针对层段内部数据体调整颜色、透明度和光照参数，可以更有效地圈定地质体的分布范围，更准确地判断断层的延展方向和断层之间的切割关系。图72为淮南张集煤矿西部采区131煤层振幅体可视化图。图71 利用体元自动追踪技术解释某油田含油砂体(a)油层电测曲线特征；(b)油层强振幅异常显示和种子点拾取；(c)自动追踪出的含油砂体图72 淮南张集煤矿西部采区131煤层振幅体可视化图层拉平可视化技术是锁定层位可视化技术的延伸，层拉平实际上是沿层将数据体拉平。层拉平后不仅可以研究构造发育特征，而且可以使用锁定时窗可视化技术更方便快捷地对大倾角地层进行可视化分析。(3) 锁定时窗可视化技术是最简单的可视化技术，对平缓地层的地质评价方便有效。使用该技术可以快速流浏览地质体，了解断层和沉积体的空间分布。(4) 垂直剖面叠合可视化技术将多个垂直剖面叠合并进行可视化显示，可以从视觉角度提高信噪比和分辨率，进而提高断层和异常体的解释精度。图73为淮南张集煤矿西部采区多个垂直剖面的显示。图73 淮南张集煤矿西部采区多个垂直剖面(5) 多属性可视化技术多解性是地震资料的特点，多种数据体综合可视化解释有助于减少地震解释的多解性，这也是可视化解释优于传统解释方法的重要方面。在多属性可视化技术中，可以同时使用多种数据体，如波阻抗体、相干体、瞬时频率数据体等。对每一个数据体都可以调整改变颜色、透明度等参数，在同一个窗口中，一次可以完成体元追踪、锁定时窗或锁定层位等可视化解释工作，从而最大限度上发挥多种信息综合解释的优势。图74介绍了利用振幅体和方差体综合可视化显示研究某油田断裂系统空间分布的实例。图74(a)为振幅数据，利用该数据很难进行断层解释图；图74(b)为振幅体和透明显示的方差体，断层的平面分布比较清楚；图74(c)为透明显示的方差体，通过旋转可以看出断层的空间分布规律；图74(d)为透明显示的振幅体和方差体，断层的空间分布特征和相互切割关系十分清楚。体可视化解释技术直观、准确、快捷，无论是技术本身还是思维方式和传统的地震解释方法均有很大区别，是地震解释领域的一场革命。在5种体可视化技术中，只有体元自动追踪技术真正将地质目标从三维数据体中分离出来，是一种真三维解释技术。其它几种可视化解释技术只是过调整颜色、透明度，从视觉上将目标分离出来，必须结合其它技术才能真正完成全三维解释工作，故称其为可视化显示技术更恰当。图74 振幅体和方差体综合可视化显示断层的空间分布特征(a) 振幅数据；(b) 振幅体和透明显示的方差体；(c) 透明显示的方差体；(d) 透明显示的振幅体和方差体7.2 三维地震数据体可视化基本原理三维地震数据体可视化过程中，要将每个数据采样点转换为一个体素(voxel)，而该采样点的值(某种地震属性)映射为体素的颜色和透明度，从而把地震数据集转化为由体素组成的体。在这种转换中，每个地震道转换成一个体素队列，每个体素拥有与地震属性值相对应的颜色和透明度值，见图75。颜色值由rgb(红、绿、蓝)三原色分量组成，透明度值处于01之间，为0时完全透明，为1时完全不透明。图76是三维地震数据体可视化工作流程，包括以下据准备、目标映射、颜色和透明度编辑、成图等四个部分。图75 地震数据体与体素关系 图76 可视化工作流程传统的三维解释是通过抽稀的二维剖面或切片来完成的，其缺点是：(1)资102料利用率低，解释精度差；(2)解释效率低；(3)从二维平面认识三维空间，解释人员必须充分了解地质背景和具备丰富解释经验后才能较好地完成解释工作，因此不利于多学科人员协同工作，从不同角度充分利用和解释地震或属性资料。全三维解释是针对数据体的解释，它是从三维可视化显示出发，以地质体或三维研究区块为单元，采用点、线、面和体相结合的空间可视化解释。无论是全三维构造解释还是地质体的解释，基于可视化的三维数据体解释其方法更科学、解释更高效、结果更可靠。图77介绍了全三维解释的流程，从图中可看出三维可视化贯穿于全三维解释过程的始终。图77 全三维解释的流程1数据预览其作用是了解构造形态和断裂空间展布特征，对复杂的地质构造和地层接触关系进行快速评价。2断层解释用相干/方差体技术结合可视化技术解释断层是卓有成效的方法。3全三维层位解释第5/9页 (1) 区域自动追踪技术首先定义种子点，其次确定控制参数(如断层边界限制、振幅变化范围、倾角变化范围)，然后便可以进行层位自动追踪。(2) 面块切片解释技术面块切片(surface slice)是一个薄的地震数据体，可以理解为由若干水平切片叠合而成。面块切片显示方式是体可视化显示的一种特殊类型，其突出的是目的层的极性，凡是不想解释的极性都不显示。面块切片的极性有六种选择：波峰、波谷、负的波峰、正的波谷、从正到负零值点、从负到正零值点。解释过程中根据目的层波形特征选择显示极性。(3) 体元自动追踪技术4储层解释储层在振幅体和属性体中具有明显的异常显示，可以利用体元自动追踪、锁定时窗/层位可视化技术对目标进行精细“雕刻”，研究其内部细微变化。对于裂缝型地层，可以对振幅体和相干体进行可视化处理，研究裂缝的发育规律。7.3 三维可视化解释软件简介目前常用的可视化解释软件有三种：paradigm公司的voxelgeo软件、geoquest公司的geoviz软件和landmark公司的earthcube软件。在显示速度和硬件条件的要求方面，voxelgeo有明显优势。在体可视化显示技术、异常体解释、参数调整方便程度和动画制作方面，voxelgeo占优势。在全三维构造解释方面，geoviz和earthcube明显优于voxelgeo。在层面可视化显示方面，受显示数据种类限制，voxelgeo稍逊色。在数据管理方面，geoviz、earthcube与其本公司的其它软件共享数据平台，无需数据传输和加载，而voxelgeo需要数据传输和加载。7.4 虚拟现实技术虚拟现实技术(virtual reality，简写为vr)也称浸入式可视化。它是一种新型第6/9页 的3d解释环境，使地震解释实现了真正意义的三维可视化“体解释”。其利用计算机产生一种人为虚拟的环境，即通过计算机图形构成三维空间，使得用户在视觉上产生一种沉浸于三维立体的虚拟环境中。可视化是虚拟现实技术的基础，可视化技术的发展产生了虚拟现实技术。虚拟现实技术是可视化技术的高级阶段。这种技术的应用，改变了人们利用计算机的传统处理方式，而是对大量抽象数据进行处理，可以在看的见、摸的着的虚拟环境下完成。虚拟现实技术系统(virtual reality system)主要是由高性能图形服务器、虚拟现实投影显示系统、虚拟现实软件三部分组成。高性能图形服务器也称为虚拟现实引擎，主要负责数据存储管理、数据处理、图形图像处理、音频视频信号处理等工作。它支持多通道图像输出，图像显示变化的速率不能低于1530帧/s。虚拟现实投影显示系统包括音视频切换器、投影系统、显示系统、可视设备、交互控制设备等。虚拟现实软件包括操作系统和专业应用软件。从本质上讲，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供视、听、触等各种直观的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作，提供用户的工作效率，见图78。图78 虚拟现实技术系统环境虚拟现实技术的发展是以可视化技术为基础的，具有三个方面的显著特点：(1) 沉浸性(immersion)由计算机系统和投影系统生成的虚拟环境必须是三维立体的，信息感知方式是多通道的，能够使用户产生身临其境的感觉。(2) 交互性(interaction)用户可采取现实生活中习以为常的方式操纵虚拟场景中的对象，并改变其方第7/9页 位、属性和当前的运动状态。(3) 想象性(imagination)虚拟现实不仅仅是一个显示系统，其功能远比传统的图纸生动强大，可以启发人们的创造性思维。沉浸性、交互性和想象性是构成了虚拟现实系统的本质。1997年，acro、texaco和休斯敦大学安装了第一批虚拟现实系统。1998年和1999年，虚拟现实系统虚拟现实系统相继安装了25套和50套。1998年5月和1999年1月，sgi公司在奥斯陆和德可萨斯galveston举办了两次可视化技术研讨会。此后，虚拟现实在石油工业中发展迅速，至2001年底虚拟现实系统的安装超过120套。虚拟现实技术在中国石油工业的起步较晚，2003年12月25日，经过3年的技术跟踪、研究和筹划之后，中国石油工业的第一个虚拟现实系统petroone在中国石化石油勘探开发研究院落成并投入使用。petroone系统能够在虚拟现实环境下开展地震资料常规解释，包括层位的自动和手动追踪、断层解释、地质体刻画/透视、生成和分析多种地震地质属性、实时确定井位等。2001年，sgi公司公布了基于sgi图形集群高性能可视化系统的pc-ig解决方案，它可以满足不同规模的应用需求，具有高分辨率、多通道沉浸式可视化和价格低的特点必将推动虚拟现实技术的广泛应用。基于inter微机平台+linux自由软件平台+中低档图形，是虚拟现实技术的一个重要发展方向。煤田三维地震勘探的主要任务是解决煤矿安全生产中的各种地质问题。影响煤矿开采的地质因素之多，如地质构造(褶皱、断层、岩浆岩及其对煤层的影响等)、煤层(厚度及其变化规律、稳定程度及储量分布情况等)和煤层顶底板及其它开采地质条件(煤层倾角、瓦斯、煤的自然发火、地温和地压等)等。要完全解决这些问题，不仅需要地球物理专家的努力，还需得到地质专家、采矿专家的帮助。因此，传统的地震数据解释方法需要变革，利用虚拟现实系统是非常必要也是切实可行的。在沉浸式可视化中心里，传统的单人工作站式解释分析变为多学科团队(地球物理专家、地质专家和采矿专家)的浸入到地下各种数据体和地质模型中的可第8/9页 现、可交互的三维图像，专家