基于Open Inventor的儲層三維雕刻技術(shù)研究及實現(xiàn)

周婧

摘 要：在地球物理勘探中，數(shù)據(jù)的可視化是必不可少的。由于地震數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量巨大，在可視化繪制過程中面臨著需提高效率、減小誤差，以及高精度地展現(xiàn)數(shù)據(jù)特點等問題，因此地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)一直備受關(guān)注。使用Visual Studio 2008，基于Open Inventor三維圖形可視化軟件的擴展模塊VolumeViz和MeshViz實現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)的多分辨率顯示，以及層位數(shù)據(jù)和測井?dāng)?shù)據(jù)的交互式三維可視化。結(jié)合Open Inventor的LDM多分辨率特性和MeshViz對數(shù)據(jù)的渲染，可以實現(xiàn)儲層雕刻的高速率、高精度和良好的交互性。

關(guān)鍵詞：地震數(shù)據(jù)；層位數(shù)據(jù)；測井?dāng)?shù)據(jù)；LDM；三維可視化

DOIDOI：10.11907/rjdk.172673

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0147-04

0 引言

儲層三維雕刻是對地震數(shù)據(jù)及測井?dāng)?shù)據(jù)等已知數(shù)據(jù)進行模擬，建立三維可視化儲層模型，以實現(xiàn)從不同角度直觀、準確地描述地質(zhì)構(gòu)造與油藏情況[1]。隨著油氣田勘探開發(fā)涉及的數(shù)據(jù)和資料量越來越大，復(fù)雜程度不斷增加，構(gòu)建的儲層模型包含的信息也不斷增加，有的多達幾百萬個節(jié)點信息。隨著計算機軟件和硬件技術(shù)的快速發(fā)展，工作人員也在不斷嘗試依靠先進的數(shù)字化、智能化的信息技術(shù)處理這些海量數(shù)據(jù)，以達到幫助石油工作人員更便捷且準確地了解儲層情況的目的。Open Inventor簡稱OIV，是SGI公司開發(fā)的專業(yè)三維圖形軟件開發(fā)包，它是建立在OpenGL基礎(chǔ)上的對象庫，針對不同用戶提供接口，開發(fā)人員可在其基礎(chǔ)上進行開發(fā)。VolumeViz擴展模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的高效管理，其中LDM模塊實現(xiàn)了海量體數(shù)據(jù)塊通過多分辨率方式進行顯示，從而大大提高了效率。MeshViz模塊通過建立結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化等網(wǎng)格，可繪制二維和三維等多種形狀的網(wǎng)格，便于繪制不同格式、不同屬性的可視化數(shù)據(jù)。本文所述的可視化軟件是利用C++語言，在VS2008平臺下編寫而成，可對儲層進行三維雕刻與交互性操作。通常對數(shù)據(jù)進行可視化處理的流程如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)三維可視化

1.1 SEGY格式地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為LDM格式

SEGY格式是記錄地震數(shù)據(jù)的標準格式，也是石油勘探行業(yè)應(yīng)用最廣的地震數(shù)據(jù)格式之一。SEGY格式的地震數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為3部分：①3 600個字節(jié)為卷頭，其中包括3 200個字節(jié)的字符串頭段，400字節(jié)的二進制頭段，由16位或32位的二進制數(shù)，記錄整個SEGY數(shù)據(jù)文件每個記錄的數(shù)據(jù)道數(shù)、每個數(shù)據(jù)道上的采樣個數(shù)等基本信息；②240字節(jié)的道頭字信息。每一地震道數(shù)據(jù)之前都有240字節(jié)的道頭字信息，用于記錄該地震道的道號、線號、CDP號、文件號、采樣率、采樣點數(shù)等信息；③地震道數(shù)據(jù)樣點值，是32位IEEE浮點型格式。由于SEGY格式中的二進制數(shù)據(jù)是高字節(jié)在前、低字節(jié)在后，而微機中二進制數(shù)據(jù)是低字節(jié)在前、高字節(jié)在后，所以在讀取SEGY格式中的數(shù)據(jù)后，要將數(shù)據(jù)進行高低位字節(jié)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成Windows能識別的數(shù)據(jù)格式后再進行其它運算。

由于SEGY格式是按測線號順序存儲地震道數(shù)據(jù)，如果直接從SEGY格式文件加載3D體，在加載大型地震數(shù)據(jù)集進行可視化時，地震數(shù)據(jù)通常比現(xiàn)有的CPU內(nèi)存和GPU內(nèi)存大得多，會造成程序反應(yīng)遲緩，所以只有在需要獲取的數(shù)據(jù)量較小時可才可以直接從SEGY中加載數(shù)據(jù)[2]。

而VolumeViz模塊中應(yīng)用的海量數(shù)據(jù)管理器（LDM）組件[3]，支持幾十GB甚至幾百GB的數(shù)據(jù)體繪制，采用的三維八叉樹結(jié)構(gòu)是一種分層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它將三維立方體遞歸地分為8個子體。如圖2所示，將數(shù)據(jù)根節(jié)點平均分為8個節(jié)點，該8個節(jié)點處于同一層分辨率，然后繼續(xù)將8個子節(jié)點分別平均劃分為8個子節(jié)點，以此方式遞歸劃分直到達到允許的最小分辨率[4]，以管理在不同分辨率級別下的數(shù)據(jù)。將其按空間位置分塊、按精細度分層，實現(xiàn)快速遍歷數(shù)據(jù)和加快實時三維可視化顯示的目的。

LDM文件中，地震數(shù)據(jù)由分辨率不同的小塊拼湊而成，在可視化時先加載低分辨率的少量數(shù)據(jù)，顯示低分辨率圖像，再加載分辨率級別高一級的數(shù)據(jù)，以此類推，不斷加載數(shù)據(jù)直到顯示出高分辨率圖像，這種并行處理算法加快了海量數(shù)據(jù)的存取速率。而且采用LDM文件進行可視化過程中不需要加載整個數(shù)據(jù)塊，只需根據(jù)不同分辨率要求加載對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊即可[5]。其中每一個節(jié)點按照time、CDP、Line的順序存儲，即空間中的一個坐標點（u，v，w）分別表示第u個采樣點、第w條測線、第v個CDP。因此，與SEGY格式按道存儲相比，LDM具有數(shù)據(jù)分塊處理可加快存取速率、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間相關(guān)可加快數(shù)據(jù)遍歷的優(yōu)點[6]。

將柵格結(jié)構(gòu)的SEGY文件轉(zhuǎn)換成多分辨八叉樹結(jié)構(gòu)的LDM文件主要有兩個步驟：①首先申請數(shù)據(jù)存儲空間，SoLDMWriter可以創(chuàng)建一個LDM文件；②將從SEGY格式的數(shù)據(jù)文件中讀取的按線號、點號、采樣時間所確定的數(shù)據(jù)塊，通過計算分成小塊數(shù)據(jù)，并按其在數(shù)據(jù)體中的所在區(qū)域調(diào)用writeSubVolume（）函數(shù)依次寫入，最終生成一個.ldm（LDM頭文件）和一個.dat文件（數(shù)據(jù)）。

1.2 地震剖面

繪制地震剖面是給數(shù)據(jù)賦予視覺效果（例如顏色、紋理、陰影以及透明度等）[7]。地震數(shù)據(jù)和井位數(shù)據(jù)的可視化也即屬性建模，是根據(jù)不同數(shù)據(jù)的屬性在三維空間進行賦值，建立儲層屬性的三維數(shù)據(jù)體[8]。

Open Inventor場景圖是由多個形體節(jié)點、屬性節(jié)點、組節(jié)點以搭積木的方式一層層構(gòu)造起來的。地震數(shù)據(jù)剖面顯示代碼流程如圖3所示，分為以下幾個步驟：①設(shè)置SoVolumeData將體數(shù)據(jù)加載到連續(xù)的內(nèi)存中，之后進行剖面可視化，并使讀取道數(shù)據(jù)時可以直接利用該內(nèi)存數(shù)據(jù)，從而加快數(shù)據(jù)的隨機訪問速度；②體數(shù)據(jù)到顏色表映射：SoTransferFunction定義顏色映射，根據(jù)數(shù)據(jù)范圍和顏色數(shù)組自動建立體素值和顏色之間的一一對應(yīng)關(guān)系，無需程序員手動編寫具體數(shù)據(jù)和顏色的映射關(guān)系；③SoDataRange數(shù)據(jù)范圍，可以設(shè)置數(shù)據(jù)集的最大與最小值；④SoOrthoSlice定義一個和X軸、Y軸或Z軸正交的正交切片；⑤SoOrthoSliceDragger采用鼠標拖拽切片，以顯示不同位置的切片。endprint

SoRoIManip可編輯感興趣區(qū)域，在切割立方體時可以手動選取感興趣區(qū)域的剖面。用戶可點擊并拖拽場景中的立方體選擇器選擇感興趣區(qū)域，在數(shù)據(jù)體的不同方位切割立方體。

1.3 層位數(shù)據(jù)

層位數(shù)據(jù)一般以列的形式存儲于文本文件中。Open Inventor擴展模塊MeshViz XLM由兩部分組成，分別為MeshViz Interface和MeshViz。其中包括3DdataMaster和GraphMaster。MeshViz包含了高級的數(shù)據(jù)可視化組件，主要面向2D和3D數(shù)據(jù)科學(xué)、制造、流體力學(xué)、通訊、金融、地理信息系統(tǒng)。采用MeshViz先進的制圖技術(shù)，可視化系統(tǒng)可以快速處理幾十萬乃至幾百萬的二維和三維數(shù)據(jù)[9]，可用于所有類型的工程分析、可視化及通信應(yīng)用。

索引網(wǎng)格又稱為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可分為：多邊形網(wǎng)格、三角形網(wǎng)格、四邊形網(wǎng)格。

多邊形網(wǎng)格可以描繪出由一列元胞組成的任意模型，構(gòu)成凹凸不平的網(wǎng)格或平面網(wǎng)格。網(wǎng)格是通過索引定義的，因為每個元胞都由其節(jié)點定義，節(jié)點的索引指向一個節(jié)點坐標數(shù)組。每一個元胞是一個由任意數(shù)量的節(jié)點組成的凸多邊形。兩個相鄰單元格必須有兩個公共節(jié)點的索引，且一個元胞的一條邊只能有一個相鄰元胞或沒有相鄰元胞。

網(wǎng)格的拓撲結(jié)構(gòu)是由元胞數(shù)目、節(jié)點數(shù)、每個元胞的節(jié)點索引列表與節(jié)點數(shù)目組成。每個元胞的節(jié)點數(shù)存儲在一列數(shù)組長度與元胞數(shù)目相同的整形數(shù)組中。

在實現(xiàn)層位數(shù)據(jù)顯示時，首先要定義網(wǎng)格，再利用SoFaceSet在網(wǎng)格表面對其屬性進行渲染，最終顯示出不規(guī)則的曲面。圖4為層位數(shù)據(jù)顯示程序流程圖。

1.4 色標

色標是為了方便用戶直觀地看到場景圖中顏色所表示的值的范圍，因此設(shè)計色標編輯模塊，可供用戶根據(jù)自己的需求，選擇不同色標方案。OpenInventor中的MeshViz允許將一個浮點值映射到顏色，或?qū)⒁唤M浮點值映射到一個顏色色標或多個顏色色標。PoNonLinearDataMapping2類可定義顏色或一組顏色色標與浮點數(shù)相關(guān)聯(lián)，如果浮點數(shù)f在區(qū)間（fi， fi+1），相關(guān)的顏色映射則在顏色值（ci，ci+1）之間，所以浮點數(shù)組數(shù)量必須和顏色數(shù)量相同。PoIsovaluesList類可創(chuàng)建連接到可視化對象的節(jié)點，在該類的規(guī)則系列中設(shè)置最大、最小值和值的個數(shù)，再用PoNonLinearDataMapping2類創(chuàng)建節(jié)點繪制色標。

Open Inventor中提供了預(yù)定義的顏色映射表，分別是：Grey to Grey，BLUE_WHITE_RED，BLUE_RED，TEMPERATURE，GLOW，PHYSICS，STANDARD，SEISMIC，INTENSITY?？梢赃x擇這些顏色映射，也可以用SoTransferFunction類自定義從標量數(shù)據(jù)值到顏色值和透明度值的顏色映射表。

1.5 測井曲線

井?dāng)?shù)據(jù)是根據(jù)已有的井頭數(shù)據(jù)wellhead.txt文件和LAS格式的測井?dāng)?shù)據(jù)文件共同獲得的數(shù)據(jù)。

LAS頭文件是LAS文件的結(jié)構(gòu)之一，它記錄了整個文件數(shù)據(jù)集的公共部分，包括：井名、井的位置坐標、點的終止位置。先從井頭數(shù)據(jù)文件中獲得文件中包含的井的名稱和位置坐標，然后從LAS文件中讀取測井?dāng)?shù)據(jù)。LAS文件數(shù)據(jù)格式如下：“～”代表段的開始，緊跟這一段的類型名，“#”代表注釋行，“.”之前是字段名稱，之后是字段值，“：”之后是該字段的說明。測井?dāng)?shù)據(jù)LAS文件的開頭是版本信息和WRAP模式信息，以“～VERSION INFORMATION”開頭；第二段類型是井的標識信息，以“～Well Information Section”開頭；第三段是曲線的定義信息，包含曲線名稱，以“～Curve Information Section”開頭；第四段是ASCⅡ段，包含ASCⅡ編碼的測井曲線，以“～A”開頭。

井?dāng)?shù)據(jù)可視化包括顯示井的位置、繪制測井曲線、渲染顏色和直徑隨地震道屬性變化的井柱。一口井同時包含多個類別的測井曲線，讀取測井曲線數(shù)據(jù)時，主要讀取測井曲線名和測井曲線值。

2 功能展示

基于Open Inventor的儲層三維雕刻系統(tǒng)主要功能包括地震剖面可視化、層位可視化、井?dāng)?shù)據(jù)可視化和地震剖面感興趣區(qū)域顯示、圖形旋轉(zhuǎn)、平移、色標編輯等交互式操作。

時間、線號、點號3個方向的切片及體切面的顯示效果如圖5所示。鼠標點擊界面右上方箭頭，可以在場景界面中拖動剖面以顯示沿相應(yīng)坐標軸方向上不同位置的切片，切割立方體可以用鼠標拖動感興趣區(qū)域選擇器邊緣選擇可視化區(qū)域。圖6是層位數(shù)據(jù)雕刻效果圖，放大圖形可看出高低起伏的層位。

為了實現(xiàn)更好的交互性，加入了色標對話框，用戶可以在色標編輯窗口自定義色標的顏色、映射范圍、透明度，保存自定義色標或通過下拉框選擇預(yù)定義色標，根據(jù)用戶自身的需求更清晰地反應(yīng)屬性變化情況，如圖7所示。

給場景圖中添加井時，程序會動態(tài)加載曲線名稱到Well目錄下，并在該井的目錄下加載測井曲線復(fù)選框。勾選井名稱的復(fù)選框場景，圖中就會添加井的節(jié)點以及有顏色映射的井柱；勾選樹形目錄中的曲線名稱，測井曲線則會顯示在場景圖中對應(yīng)的井旁；取消勾選將從場景節(jié)點中刪除測井曲線。本文所顯示的測井?dāng)?shù)據(jù)中包含5條測井曲線：CALI井徑測井曲線、DT聲波時差測井曲線、RES側(cè)向電阻率測井曲線、SP自然電位測井曲線。圖8所示為添加的井、測井曲線及時間切片。

3 結(jié)語

本文對地震數(shù)據(jù)、層位數(shù)據(jù)、井?dāng)?shù)據(jù)的三維雕刻技術(shù)進行了深入研究，利用vs2008和Open Inventor構(gòu)建了交互性良好、圖形效果清晰、數(shù)據(jù)處理速度較快的儲層三維可視化系統(tǒng)，為地震數(shù)據(jù)綜合解釋和地震資料處理奠定了良好的基礎(chǔ)。儲層模型包含的數(shù)據(jù)量大、屬性種類繁多，所以對可視化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速率和顯示精度要求很高，也是儲層三維可視化的難點之一。Open Inventor開發(fā)系統(tǒng)對傳統(tǒng)的圖形庫OpenGL進行了封裝，開發(fā)軟件更加高效，能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效存取、計算和渲染。儲層三維雕刻是非常前沿的研究方向，在該儲層三維雕刻系統(tǒng)的研究中還有很多技術(shù)問題有待完善[10]，如還需融合多種數(shù)據(jù)雕刻，包括斷層、地層厚度數(shù)據(jù)等。endprint

參考文獻：

[1] WANG S， LIU H， WANG S， et al. 3-D visualization technique and its application[C]. International Conference on Computer Application and System Modeling. IEEE，2010：V3-345-V3-348.

[2] PENG T， CAO J. Time slicing and arbitrary horizonextraction algorithm andimplementation of 3D SEGY seismic data volume[C].IEEE Fifth International Conference on Bio-Inspired Computing：Theories and Applications. IEEE，2010：981-984.

[3] 錢爽，張巖.基于VolumeViz的地震數(shù)據(jù)三維可視化關(guān)鍵技術(shù)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2016，25（7）：286-290.

[4] 畢林，王李管，陳建宏，等.基于八叉樹的復(fù)雜地質(zhì)體塊段模型建模技術(shù)[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008（4）：532-537.

[5] 王玉娟，許建國.大數(shù)據(jù)體壓縮和存儲算法在地震剖面中的應(yīng)用[J].勝利油田職工大學(xué)學(xué)報，2008，22（5）：38-39.

[6] 王家華，陳雨馨.基于VolumeViz的儲層可視化研究與實現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2013，12（12）：166-168.

[7] 汪在榮，劉益和.三維地震數(shù)據(jù)體的切片播放算法[J].四川理工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，24（4）：431-435.

[8] 孔進.基于Open Inventor的儲層建?？梢暬芯縖D].西安：西安石油大學(xué)，2013.

[9] 張巖，聶永丹，趙建民，等.基于MeshViz的3D模型交互技術(shù)研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（Z1）：93-96.

[10] 衛(wèi)平生，潘建國，張虎權(quán)，等.地震儲層學(xué)的概念、研究方法和關(guān)鍵技術(shù)[J].巖性油氣藏，2010，22（2）：1-6.endprint