提高天地圖三維平臺油田單井模型加載效率的方法

倪 艷，陳建華，李 吟，劉 慧

（1.新疆油田公司數(shù)據(jù)公司，新疆克拉瑪依834000；2.新疆油田公司北京聯(lián)絡(luò)處，北京100011）①

提高天地圖三維平臺油田單井模型加載效率的方法

倪 艷1，陳建華1，李 吟1，劉 慧2

（1.新疆油田公司數(shù)據(jù)公司，新疆克拉瑪依834000；2.新疆油田公司北京聯(lián)絡(luò)處，北京100011）①

隨著天地圖三維平臺在新疆油田中的逐步應(yīng)用，結(jié)合油田油井三維模型的特點和要求，從建模過程、模型封裝和優(yōu)化加載程序、制定標準化加載方法減少人工干預(yù)步驟3個方面對關(guān)鍵優(yōu)化技術(shù)進行探討，并給出單井模型示例對優(yōu)化效果進行了驗證。通過優(yōu)化前后的運行性能參數(shù)對比，證實了優(yōu)化建模技術(shù)能提高天地圖三維平臺三維模型數(shù)據(jù)加載效率和響應(yīng)速度，為天地圖三維平臺在數(shù)字油田和智能油田建設(shè)方面發(fā)揮更大作用提供一定的參考。

天地圖三維平臺；數(shù)字油田；單井模型；模型加載效率

隨著新疆數(shù)字油田的深化應(yīng)用和新疆油田智能油田建設(shè)的啟動，綜合運用3S（RS、GIS、GPS）、測繪、三維虛擬仿真等可視化技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。尤其是在現(xiàn)今，大數(shù)據(jù)時代產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)和各種分析決策的結(jié)果80%都與空間位置有關(guān)，3S技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展智能油田、智慧城市技術(shù)的重要基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)保障，在油田和城市多個應(yīng)用領(lǐng)域方面發(fā)揮著越來越重要的作用。同時，隨著國家將信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全納入國家安全戰(zhàn)略，對安全、自主、可控的空間信息平臺的要求日益迫切。

2012-04，新疆油田公司與國家測繪地理信息局簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，并與國家天地圖公司合作，引入了天地圖地理信息二維、三維平臺系統(tǒng)，但由于天地圖三維平臺主要是為城市三維開發(fā)的，不完全適合油田三維的模型加載現(xiàn)狀，且油田單井三維模型數(shù)據(jù)加載工作量大，尤其是在加載油田單井模型時出現(xiàn)響應(yīng)速度緩慢以及模型數(shù)據(jù)加載效率低的問題。模型加載完成后由于平臺增加了近1700多個場景，使得平臺運行速度很慢。從前期的1 s響應(yīng)到加載井位模型后30 s響應(yīng)，嚴重影響了在油田的應(yīng)用效果。因此，如何提高平臺三維模型加載效率，同時又不影響三維場景圖像的顯示效果是急需解決的重要問題。通過運用模型優(yōu)化技術(shù)建立靈活簡便的三維場景模型，無疑是解決該問題的關(guān)鍵癥結(jié)所在。本文分別從建模過程、模型封裝和優(yōu)化加載程序、制定標準化加載方法減少人工干預(yù)步驟3個方面，對關(guān)鍵優(yōu)化技術(shù)進行了深入研究探討，并通過在油田單井模型加載和顯示實際驗證取得了良好的應(yīng)用效果，顯著提高了天地圖三維平臺模型加載效率和響應(yīng)速度，更好地為油田生產(chǎn)提供相關(guān)的地理信息資源和技術(shù)服務(wù)。

1 三維模型建模優(yōu)化方法

油田三維場景包含的內(nèi)容比較豐富，從空間上來講可以分為地上、地下2部分，從對象上又可以分為建筑、管網(wǎng)以及油田生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施。其中，運用比較廣泛的是地形地貌、建筑物、單井和聯(lián)合站、處理站工藝流程。目前，構(gòu)建三維對象模型的手段有多種方式：一種是在軟件開發(fā)上廣泛使用如Open GL、Direct X／Direct3D、Quick-Draw3D、VRML、IDL及Java3D等圖形接口，通過如VisualC＋＋等編程語言所構(gòu)建三維對象模型［1］；另外一種是通過使用3DMAX、AutoCAD、Google Sketch Up等建模工具所構(gòu)建三維模型。由于三維對象作為一種復(fù)雜的精細模型所要求的資源較高，因此創(chuàng)建三維模型不是對所有要描述的要素都逼真和細致地表達，應(yīng)根據(jù)項目任務(wù)的不同需要結(jié)合應(yīng)用場景、質(zhì)量、進度、經(jīng)濟、技術(shù)等約束條件進行綜合取舍和權(quán)衡，使得三維模型既能滿足精度要求，又能和模型的形象化描述之間達到均衡，尤其是大規(guī)模的三維場景視圖所需要的模型的精細度和層次對三維展示平臺的性能有很大的影響。因此，非常有必要采用一些三維模型優(yōu)化技術(shù)在建模過程中有效地運用，可以提升模型的可用性和應(yīng)用效果。

由于油田的復(fù)雜性和特殊性，在其中運行和維護的設(shè)備設(shè)施數(shù)量眾多，因此所需要建立的三維實體模型數(shù)量需求非常龐大，在這種條件下就需要針對不同的應(yīng)用場景，選擇與之相適應(yīng)的建模技術(shù)優(yōu)化方法來滿足油田在三維領(lǐng)域多樣化應(yīng)用上的要求。模型優(yōu)化方法在不影響視覺效果和工藝流程的情況下，通過適當精簡模型面數(shù)，盡量降低模型中多邊形的數(shù)量［2］。在實際建模和應(yīng)用過程中，在不影響整體顯示外觀情況下，一般采用以下幾種優(yōu)化方法盡可能減少三維對象模型庫中的多邊形數(shù)量，以達到目的。

1.1 減少三維模型面數(shù)

在三維模型建模時，如果建模方法不當，就會產(chǎn)生數(shù)量巨大而且冗余的多邊形，尤其是涉及到三維對象模型復(fù)雜的內(nèi)部細節(jié)和部位，往往會產(chǎn)生被其他多邊形擋住的多邊形，這樣的情況通常在2個模型的遮擋部位、結(jié)合面、重合面等，這些多邊形在系統(tǒng)運行時不起任何作用，而且還影響著系統(tǒng)的加載效率，所以需要及時把它們清除。

1.2 在模型中使用三角形代替多邊形

在模型建模過程中，通過利用三角化算法，在模型處理過程中，把所有的非三角形通過精簡和合并都轉(zhuǎn)化成三角形，同時在模型中通過合并減少總的三角形數(shù)量［3］（如圖1～2所示），保持一定的精度而且不會影響視覺效果表達。這種方法能夠大幅加速三維圖像的生成和顯示速度。

圖1 2個三角形合成1個三角形

圖2 3個三角形合成2個三角形

1.3 使用紋理代替多邊形

紋理是構(gòu)建三維模型的一個重要組成部分，紋理的好壞和精細程度直接反映到三維模型與真實展現(xiàn)場景的相似度。使用紋理可以把二維圖像上的像素值映射到三維模型的對應(yīng)頂點上，從視覺效果上豐富模型細節(jié)，增強模型的真實感，在不損失所表達信息的前提下使模型繪制和像片紋理映射的速度達到最優(yōu)［4］，同時還可以避免對模型的每個細節(jié)都用多邊形表示，因此減少附加多邊形的使用，提高圖形顯示速度。

1.4 LOD技術(shù)

層次細節(jié)（LOD，Level Of Detail）模型有連續(xù)LOD和離散LOD兩種類型［5］。一般來講，模型的細節(jié)層次越高，多邊形的數(shù)量就越多。通過簡化技術(shù)可以根據(jù)當前視點到模型距離的不同，創(chuàng)建不同細節(jié)程度的模型，來滿足應(yīng)用的要求，也就是通過制作多個細節(jié)層次不同的模型，根據(jù)視口位置判斷來確定載入哪種模型。這種技術(shù)的特點是確定模型展現(xiàn)的層次化，當視口距離近時調(diào)用精細模型，距離遠時調(diào)用較簡單模型［6］，這樣在大型復(fù)雜的場景中可以大大減少計算量，使得系統(tǒng)的運行速度得到較大的提升。

采用上述方法對油井三維模型進行優(yōu)化，通過精簡模型面數(shù)去除冗余，經(jīng)多次試驗驗證，在保證模型精度的前提下，油井三維模型面數(shù)減少了50%以上（如圖3所示）。

圖3 油井三維模型建模優(yōu)化效果對比

2 模型封裝和批量加載技術(shù)

模型封裝是通過將模型文件合成的方法，最終形成1個場景模型文件來改善和提高加載效率［7］。目前在天地圖三維平臺中，單井模型需要逐個加載，重復(fù)加載頻率高，由于1個模型導(dǎo)入平臺，就會產(chǎn)生1個場景，同時也需要輸入相應(yīng)的位置坐標，最后生成1個三維平臺能夠加載的場景文件。如果模型數(shù)量大，這樣往往會造成加載效率低下的問題，尤其是1次導(dǎo)入上萬口井模型，就會形成大量的模型場景文件，使得加載效率低下，平臺響應(yīng)速度慢，中間還經(jīng)常需要大量的人工干預(yù)來檢查坐標位置匹配，遠不能滿足油田應(yīng)用的需要。通過查閱國家天地圖公司提供的三維系統(tǒng)平臺的全部技術(shù)資料以及與該公司三維系統(tǒng)平臺開發(fā)人員進行技術(shù)交流后得知，由于該平臺是為城市三維而研發(fā)的，如果完全滿足油田的需要必須在三維數(shù)據(jù)組織和加載方式上進行有效的改進。在實際應(yīng)用過程中，主要是通過模型封裝和開發(fā)批量加載工具來改進天地圖三維平臺加載效率。

在以往天地圖三維平臺中加載油田單井模型，首先需要將指定單井模型導(dǎo)入3DMAX軟件中，通過查找指定單井模型世界坐標及模型坐標，將指定單井模型文件導(dǎo)出成1個平臺加載文件；然后在天地圖三維平臺上輸入該模型的世界坐標及模型坐標，將平臺加載文件導(dǎo)入天地圖三維平臺；最后檢查模型坐標和影像圖坐標是否吻合。流程相對繁瑣，效率也不高，因此需要通過模型封裝和精簡模型場景，把多個文件封裝合成1個模型文件，減少平臺加載文件的個數(shù)，可以提高模型加載速度和運行效率。

另外，通過開發(fā)輔助的批量加載工具，實現(xiàn)1次可批量加載上百口單井模型（如圖4所示），從而實現(xiàn)規(guī)模加載單井模型，減少平臺加載文件導(dǎo)出次數(shù)。導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件的多少主要取決于單井模型的文件大小，如果單個模型面數(shù)少，1次可批量加載單井的數(shù)量將更多。在實際場景驗證過程中，通過使用批量加載程序，由原來1次只能加載1口單井模型到現(xiàn)在可1次加載110口單井模型，加載效率明顯提高。通過使用該工具可以使上百口井位模型全部形成1個場景，極大地減少了系統(tǒng)的場景數(shù)量，從根本解決天地圖三維平臺響應(yīng)速度慢的問題。

圖4 精簡模型面數(shù)后批量加載效果

3 建立油田三維模型加載標準和規(guī)范

圖5 三維模型加載流程

目前，新疆油田擁有多尺度、多分辨率的DLG（數(shù)字線劃圖）、DOM（數(shù)字正射影像）、DEM（數(shù)字高程模型），有效地利用這些已有數(shù)據(jù)進行油田三維建模，可以在很大程度上節(jié)約成本和開發(fā)時間。同時，由于油田需要建立的三維模型數(shù)量巨大，為適應(yīng)油田三維模型建設(shè)和展示的需要，需要盡快建立油田三維標準模型庫，完善油田三維模型制作及加載工作流程及相關(guān)標準。目前，已經(jīng)完成了《三維模型批量加載作業(yè)流程》（如圖5所示），通過規(guī)范化的加載流程和步驟，從而提升天地圖三維平臺的整體運行效果。

4 結(jié)論

1） 結(jié)合天地圖三維平臺在新疆油田的應(yīng)用中存在的問題，提出了改進的方法和措施。

2） 探討了從三維模型實例建立、模型封裝和模型加載過程中所用到的優(yōu)化技術(shù)和方法。通過靈活運用該方法，在天地圖三維平臺軟件加載單井模型中有效減少三維建模和加載的工作量，并通過實際的應(yīng)用效果進行了驗證。

3） 通過使用模型優(yōu)化技術(shù)，有效解決單井三維模型在天地圖三維平臺加載效率和響應(yīng)速度之間的矛盾，大幅度提高了系統(tǒng)的實時響應(yīng)速度和加載效率，達到理想的應(yīng)用效果，為天地圖三維平臺在油田的應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗。同時，也為新疆油田三維模型數(shù)據(jù)規(guī)范和加載模式進行了有效的探索，為下一步大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Method of Loading Efficiency for Single Well Mood to Increase TIANDITU 3D Platform in Oilfield

With the gradual application of TIANDITU platform in the Xinjiang oilfield，combined with the characteristics and requirements of oil well from the 3D model，the modeling process，model encapsulation and optimization of loader，standard loading method to reduce the manual intervention step，three aspects of optimization of key technologies were studied，and the single well model example was given to verify the optimization effect.By running the performance comparison before and after optimization，confirming the optimization modeling technique can improve TIANDITU platform of 3D model data loading efficiency and response speed，as TIANDITU platform construction of digital oilfield in the oil field and intelligent play a greater role to provide certain reference.Key words：TIANDITU platform；digital oilfield；single well model；model loading efficiency

TE938

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.024

1001-3482（2014）11-0092-04①

2014-05-28

倪 艷（1980-），女，四川樂山人，主要從事二／三維地理信息系統(tǒng)及天地圖平臺在油田的應(yīng)用研究。