7三維可視化技術(shù)

1、7三維可視化技術(shù)三維可視化(3D Visualization)技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期誕生的一門集計算機 數(shù)據(jù)處理、圖像顯示的綜合性前緣技術(shù)。它是利用三維地震數(shù)據(jù)體顯示、描述和 解釋地下地質(zhì)現(xiàn)象和特征的一種圖像顯示工具。它可使地球物理學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家 “鉆入”到數(shù)據(jù)體中，更深刻地理解各種地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和相互之間的聯(lián)系。7.1三維可視化技術(shù)概述可視化技術(shù)是把描述物理現(xiàn)象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、圖像，并運用顏色、透視、 動畫和觀察視點的實時改變等視覺表現(xiàn)形式，使人們能夠觀察到不可見的對象， 洞察事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。可視化技術(shù)有兩種基本類型：基于平面圖的可視化(Surface Visualization

2、)和 基于數(shù)據(jù)體的可視化(Volume Visualization)，也稱為層面可視化和體可視化。層面可視化指的是地質(zhì)層位、斷層和地震剖面在三維空間的立體顯示，其主 要用于解釋成果的檢驗和顯示。體可視化是通過對數(shù)據(jù)體(可以是常規(guī)地震振幅數(shù)據(jù)體，也可以是地震屬性 數(shù)據(jù)體，如波阻抗體或相干體)作透明度等調(diào)整，從而使數(shù)據(jù)體呈透明顯示，其 主要用于數(shù)據(jù)體的顯示和全三維解釋。在體可視化解釋中，常用技術(shù)有5種：體元自動追蹤技術(shù)、鎖定層位可視化 技術(shù)、鎖定時窗可視化技術(shù)、垂直剖面疊合可視化技術(shù)和多屬性可視化技術(shù)。體元自動追蹤技術(shù)追蹤過程是從解釋人員定義種子體元(Seed Voxel)開始的，體元追蹤是沿著

3、真正的三維路徑追蹤數(shù)據(jù)體，因此追蹤結(jié)果是數(shù)據(jù)體而不是層位。圖71給出利 用體元自動追蹤技術(shù)解釋某油田含油砂體的過程，即從油層標(biāo)定、種子點拾取、 體元追蹤到三維顯示。鎖定層位可視化技術(shù)利用已有的層位數(shù)據(jù)(或者層位數(shù)據(jù)做定量時移)作為約束條件，將目的層段 的數(shù)據(jù)從整個數(shù)據(jù)體中提取出來，然后針對層段內(nèi)部數(shù)據(jù)體調(diào)整顏色、透明度和 光照參數(shù)，可以更有效地圈定地質(zhì)體的分布范圍，更準(zhǔn)確地判斷斷層的延展方向和斷層之間的切割關(guān)系。圖72為淮南張集煤礦西部采區(qū)131煤層振幅體可視 化圖。圖71利用體元自動追蹤技術(shù)解釋某油田含油砂體(a)油層電測曲線特征；(b)油層強振幅異常顯示和種子點拾取；(c)自動追蹤出的含油

4、砂體圖72淮南張集煤礦西部采區(qū)131煤層振幅體可視化圖層拉平可視化技術(shù)是鎖定層位可視化技術(shù)的延伸，層拉平實際上是沿層將數(shù) 據(jù)體拉平。層拉平后不僅可以研究構(gòu)造發(fā)育特征，而且可以使用鎖定時窗可視化 技術(shù)更方便快捷地對大傾角地層進(jìn)行可視化分析。鎖定時窗可視化技術(shù)是最簡單的可視化技術(shù)，對平緩地層的地質(zhì)評價方便有效。使用該技術(shù)可以 快速流瀏覽地質(zhì)體，了解斷層和沉積體的空間分布。垂直剖面疊合可視化技術(shù)將多個垂直剖面疊合并進(jìn)行可視化顯示，可以從視覺角度提高信噪比和分辨 率，進(jìn)而提高斷層和異常體的解釋精度。圖73為淮南張集煤礦西部采區(qū)多個垂 直剖面的顯示。圖73淮南張集煤礦西部采區(qū)多個垂直剖面多屬性可視化技術(shù)

5、多解性是地震資料的特點，多種數(shù)據(jù)體綜合可視化解釋有助于減少地震解釋 的多解性，這也是可視化解釋優(yōu)于傳統(tǒng)解釋方法的重要方面。在多屬性可視化技術(shù)中，可以同時使用多種數(shù)據(jù)體，如波阻抗體、相干體、 瞬時頻率數(shù)據(jù)體等。對每一個數(shù)據(jù)體都可以調(diào)整改變顏色、透明度等參數(shù)，在同 一個窗口中，一次可以完成體元追蹤、鎖定時窗或鎖定層位等可視化解釋工作， 從而最大限度上發(fā)揮多種信息綜合解釋的優(yōu)勢。圖74介紹了利用振幅體和方差體綜合可視化顯示研究某油田斷裂系統(tǒng)空 間分布的實例。圖74(a)為振幅數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)很難進(jìn)行斷層解釋圖；圖74(b) 為振幅體和透明顯示的方差體，斷層的平面分布比較清楚；圖74(c)為透明顯 示

6、的方差體，通過旋轉(zhuǎn)可以看出斷層的空間分布規(guī)律；圖74(d)為透明顯示的 振幅體和方差體，斷層的空間分布特征和相互切割關(guān)系十分清楚。體可視化解釋技術(shù)直觀、準(zhǔn)確、快捷，無論是技術(shù)本身還是思維方式和傳統(tǒng) 的地震解釋方法均有很大區(qū)別，是地震解釋領(lǐng)域的一場革命。在5種體可視化技 術(shù)中，只有體元自動追蹤技術(shù)真正將地質(zhì)目標(biāo)從三維數(shù)據(jù)體中分離出來，是一種 真三維解釋技術(shù)。其它幾種可視化解釋技術(shù)只是過調(diào)整顏色、透明度，從視覺上 將目標(biāo)分離出來，必須結(jié)合其它技術(shù)才能真正完成全三維解釋工作，故稱其為可 視化顯示技術(shù)更恰當(dāng)。圖74振幅體和方差體綜合可視化顯示斷層的空間分布特征(a)振幅數(shù)據(jù)；(b)振幅體和透明顯示的方

7、差體；(c)透明顯示的方差體;(d)透明顯示的振幅體和方差體7.2三維地震數(shù)據(jù)體可視化基本原理三維地震數(shù)據(jù)體可視化過程中，要將每個數(shù)據(jù)采樣點轉(zhuǎn)換為一個體素(Voxel)，而該采樣點的值(某種地震屬性)映射為體素的顏色和透明度，從而把地 震數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為由體素組成的體。在這種轉(zhuǎn)換中，每個地震道轉(zhuǎn)換成一個體素隊 列，每個體素?fù)碛信c地震屬性值相對應(yīng)的顏色和透明度值，見圖75。顏色值由 RGB(紅、綠、藍(lán))三原色分量組成，透明度值處于01之間，為0時完全透明，為 1時完全不透明。圖76是三維地震數(shù)據(jù)體可視化工作流程，包括以下?lián)?zhǔn)備、目標(biāo)映射、顏 色和透明度編輯、成圖等四個部分。圖75地震數(shù)據(jù)體與體素關(guān)系

8、圖76可視化工作流程傳統(tǒng)的三維解釋是通過抽稀的二維剖面或切片來完成的，其缺點是：(1)資 料利用率低，解釋精度差；（2）解釋效率低；（3）從二維平面認(rèn)識三維空間，解釋 人員必須充分了解地質(zhì)背景和具備豐富解釋經(jīng)驗后才能較好地完成解釋工作，因 此不利于多學(xué)科人員協(xié)同工作，從不同角度充分利用和解釋地震或?qū)傩再Y料。全三維解釋是針對數(shù)據(jù)體的解釋，它是從三維可視化顯示出發(fā)，以地質(zhì)體或 三維研究區(qū)塊為單元，采用點、線、面和體相結(jié)合的空間可視化解釋。無論是全 三維構(gòu)造解釋還是地質(zhì)體的解釋，基于可視化的三維數(shù)據(jù)體解釋其方法更科學(xué)、 解釋更高效、結(jié)果更可靠。圖77介紹了全三維解釋的流程，從圖中可看出三維可視化貫穿

9、于全三維解釋過程的始終。圖77全三維解釋的流程數(shù)據(jù)預(yù)覽其作用是了解構(gòu)造形態(tài)和斷裂空間展布特征，對復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和地層接觸 關(guān)系進(jìn)行快速評價。斷層解釋用相十/方差體技術(shù)結(jié)合可視化技術(shù)解釋斷層是卓有成效的方法。全三維層位解釋區(qū)域自動追蹤技術(shù)首先定義種子點，其次確定控制參數(shù)(如斷層邊界限制、振幅變化范圍、傾 角變化范圍)，然后便可以進(jìn)行層位自動追蹤。面塊切片解釋技術(shù)面塊切片(Surface Slice )是一個薄的地震數(shù)據(jù)體，可以理解為由若干水平切片 疊合而成。面塊切片顯示方式是體可視化顯示的一種特殊類型，其突出的是目的 層的極性，凡是不想解釋的極性都不顯示。面塊切片的極性有六種選擇：波峰、波谷、負(fù)

10、的波峰、正的波谷、從正到負(fù) 零值點、從負(fù)到正零值點。解釋過程中根據(jù)目的層波形特征選擇顯示極性。體元自動追蹤技術(shù)儲層解釋儲層在振幅體和屬性體中具有明顯的異常顯示，可以利用體元自動追蹤、鎖 定時窗/層位可視化技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)“雕刻”，研究其內(nèi)部細(xì)微變化。對于裂縫型地層，可以對振幅體和相干體進(jìn)行可視化處理，研究裂縫的發(fā)育 規(guī)律。7.3三維可視化解釋軟件簡介目前常用的可視化解釋軟件有三種：Paradigm公司的VoxelGeo軟件、GeoQuest公司的GeoViz軟件和LandMark公司的EarthCube軟件。在顯示速度和硬件條件的要求方面，VoxelGe。有明顯優(yōu)勢。在體可視化顯示技術(shù)、異常

11、體解釋、參數(shù)調(diào)整方便程度和動畫制作方面， VoxelGeo占優(yōu)勢。在全三維構(gòu)造解釋方面，GeoViz和EarthCube明顯優(yōu)于VoxelGeo。在層面可視化顯示方面，受顯示數(shù)據(jù)種類限制，VoxelGe。稍遜色。在數(shù)據(jù)管理方面，GeoViz、EarthCube與其本公司的其它軟件共享數(shù)據(jù)平臺， 無需數(shù)據(jù)傳輸和加載，而VoxelGe。需要數(shù)據(jù)傳輸和加載。7.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，簡寫為VR)也稱浸入式可視化。它是一種新型 的3D解釋環(huán)境，使地震解釋實現(xiàn)了真正意義的三維可視化“體解釋”。其利用計 算機產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，即通過計算機圖形構(gòu)成三維空間，使得用

12、戶在視 覺上產(chǎn)生一種沉浸于三維立體的虛擬環(huán)境中?？梢暬翘摂M現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)，可視化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛 擬現(xiàn)實技術(shù)是可視化技術(shù)的高級階段。這種技術(shù)的應(yīng)用，改變了人們利用計算機 的傳統(tǒng)處理方式，而是對大量抽象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以在看的見、摸的著的虛擬 環(huán)境下完成。虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)(Virtual Reality System)主要是由高性能圖形服務(wù)器、虛擬 現(xiàn)實投影顯示系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實軟件三部分組成。高性能圖形服務(wù)器也稱為虛擬現(xiàn) 實引擎，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲管理、數(shù)據(jù)處理、圖形圖像處理、音頻視頻信號處理 等工作。它支持多通道圖像輸出，圖像顯示變化的速率不能低于153 0幀/s。虛 擬現(xiàn)實投影

13、顯示系統(tǒng)包括音視頻切換器、投影系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、可視設(shè)備、交互 控制設(shè)備等。虛擬現(xiàn)實軟件包括操作系統(tǒng)和專業(yè)應(yīng)用軟件。從本質(zhì)上講，虛擬現(xiàn)實就是一種先進(jìn)的計算機用戶接口，它通過給用戶同時 提供視、聽、觸等各種直觀的實時感知交互手段，最大限度地方便用戶的操作， 提供用戶的工作效率，見圖78。圖78虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)環(huán)境虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展是以可視化技術(shù)為基礎(chǔ)的，具有三個方面的顯著特點：沉浸性(Immersion)由計算機系統(tǒng)和投影系統(tǒng)生成的虛擬環(huán)境必須是三維立體的，信息感知方式 是多通道的，能夠使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。交互性(Interaction)用戶可采取現(xiàn)實生活中習(xí)以為常的方式操縱虛擬場景中的對象

14、，并改變其方位、屬性和當(dāng)前的運動狀態(tài)。（3）想象性（Imagination）虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個顯示系統(tǒng)，其功能遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的圖紙生動強大，可以啟 發(fā)人們的創(chuàng)造性思維。沉浸性、交互性和想象性是構(gòu)成了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的本質(zhì)。1997年，Acro、Texaco和休斯敦大學(xué)安裝了第一批虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。1998年和 1999年，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相繼安裝了 25套和50套。1998年5月和1999 年1月，SGI公司在奧斯陸和德可薩斯Galveston舉辦了兩次可視化技術(shù)研討會。 此后，虛擬現(xiàn)實在石油工業(yè)中發(fā)展迅速，至2001年底虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的安裝超過120 套。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中國石油工業(yè)的起步較晚，20

15、03年12月25日，經(jīng)過3年的技 術(shù)跟蹤、研究和籌劃之后，中國石油工業(yè)的第一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)PetroOne在中國 石化石油勘探開發(fā)研究院落成并投入使用。PetroOne系統(tǒng)能夠在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下開展地震資料常規(guī)解釋，包括層位的自 動和手動追蹤、斷層解釋、地質(zhì)體刻畫/透視、生成和分析多種地震地質(zhì)屬性、 實時確定井位等。2001年，SGI公司公布了基于SGI圖形集群高性能可視化系統(tǒng)的PC-IG解決方 案，它可以滿足不同規(guī)模的應(yīng)用需求，具有高分辨率、多通道沉浸式可視化和價 格低的特點必將推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛應(yīng)用。基于Inter微機平臺+Linux自由軟 件平臺+中低檔圖形，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要發(fā)

16、展方向。煤田三維地震勘探的主要任務(wù)是解決煤礦安全生產(chǎn)中的各種地質(zhì)問題。影響 煤礦開采的地質(zhì)因素之多，如地質(zhì)構(gòu)造（褶皺、斷層、巖漿巖及其對煤層的影響 等）、煤層（厚度及其變化規(guī)律、穩(wěn)定程度及儲量分布情況等）和煤層頂?shù)装寮捌渌?開采地質(zhì)條件（煤層傾角、瓦斯、煤的自然發(fā)火、地溫和地壓等）等。要完全解決這些問題，不僅需要地球物理專家的努力，還需得到地質(zhì)專家、 采礦專家的幫助。因此，傳統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)解釋方法需要變革，利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 是非常必要也是切實可行的。在沉浸式可視化中心里，傳統(tǒng)的單人工作站式解釋分析變?yōu)槎鄬W(xué)科團隊（地 球物理專家、地質(zhì)專家和采礦專家）的浸入到地下各種數(shù)據(jù)體和地質(zhì)模型中的可 現(xiàn)、可交互的三維圖像，專家們可以身臨其境的