CN103500468A - 基于边界约束的空间曲面重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边界约束的空间曲面重建方法，该方法主要包括：采集原始层位数据点和断层数据点，绘制上盘多边形和下盘多边形；求出原始层位数据点、断层多边形上的点的高度属性、关系属性以及投影属性；用带约束的三角形网格化对原始层位数据点和断层多边形上的点进行连接；完成上盘多边形、下盘多边形的内外区域拼接，即完成三维空间曲面的重建。本发明解决了三维地质建模中复杂地形下的层位曲面重构问题，为等值线绘制、地质成块等提供了新的思路，能够适用于各类离散点或者侧线数据，对数据的要求不高；可以支持各类断层，包括正断层、逆断层和垂直断层等各种复杂的地形结构，具有很好的适应性。

Description

基于边界约束的空间曲面重建方法

技术领域

本发明属于三维地质建模技术领域，具体涉及一种基于复杂边界约束的空间曲面重建方法的设计。

背景技术

空间点的曲面重构是三维地质建模中的一个组成部分，是运用计算机技术，进行曲面重建，其本质是利用三维空间中的离散点按一定顺序连接成曲面的问题。基于点的云处理技术是随着数据测量技术的发展而迅速发展起来的一门学科，该项技术以点作为重建物体的基础，在提高物体绘制与重建的速度，加强大规模数据处理能力和计算机处理量等方面具有巨大的优势，是逆向工程研究的一个热点，目前随着社会对石油，天然气等资源的需求的不断增大，石油行业得到了高度的重视和迅速的发展，并且对石油和天然气的地质勘探的要求也越来越高。现在，国内外的针对复杂地形条件下的三维地质建模问题依然处于研究与探索阶段，重建构模方法主要分为两类：一类是基于地层恢复与地质反演的层位构模方法，可以称之为整体法；另一类是基于分区插值或连接的方法，可称为局部法。

整体法的主要思想是将地层恢复到未发生断层时的状态，将原断层两侧的地层层面看作一个连续的整体进行统一处理，然后对恢复后的层面整体进行拟合，再求出层位面与断层面的交线，根据断层的信息将断层两侧的层位进行不同的位移，使之达到未恢复前的状态。整体法建模适用于断距不大、断层两侧地层的形态及其厚度存在一定相似性的断层，但是由于整体法利用了大量地质反演的基础，因此整体法是一种对地质背景专业知识要求较高的方法，建模过程比较复杂、专业，主要应用于地质学家的专业分析，不适宜推广到复杂地质断层系统的构建过沉重。

局部法构模的基本原理是：基于断层面将层位分隔为一些相对独立的层位单元，然后分别对这些独立的曾为单元进行拟合，而不考虑其他层位数据的影响。以下介绍两种具体的局部法构模方式：重叠区域限定三角剖分法，该方法先建立将断层边线延长至与边界相交，由此将层位的不同分为了一些不同的单重曲面，然后分别对每个单重曲面进行适用于凹多边形的三角网连接达到曲面恢复的目的。重叠区域限定三角剖分的方法对于形式复杂的多个断层重叠情况没有给出完整的实现方案，同时适用于凹多边形的三角网连接连接方式效率较低，极大的降低了层位曲面重建连接效率。基于环绕距离的层位插值重建方法，该方案会利用原始层位数据，将层位恢复在另一个新建的网格上。在对网格的插值过程中，对于穿越断层的影响插值点，会利用环绕距离的方法来加长两点间的距离，减少此点对于待插值点的影响。以此来增加插值的准确程度。基于环绕距离的层位插值重建方法，虽然引入了环绕距离的概念，但是并没有完全消除不合适影响插值数据的影响，插值的效果依然不能完好的复原曲面。

但是就目前来说，这些方案有其局限性，主要表现在：国外的重构方案大多针对没有断层的层位，而国内的一些软件考虑到了正断层，但是逆断层和多重断层的情况基本没有考虑；对于某些考虑逆断层的应用，一般利用四边形网格还原曲面，并不能完整的表示最原始的曲面；许多地质曲面重构算法运用了大量的复杂曲面插值算法与种子点求点算法区分上下盘，算法效率不高；大多数重构方案没有考虑复杂地质约束中的等值线构建。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中空间曲面重建方法中存在的缺点，提出了一种基于边界约束的空间曲面重建方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：基于边界约束的空间曲面重建方法，具体包括：

S1、采集原始层位数据点和断层数据点，绘制上盘多边形和下盘多边形，所述上盘多边形和下盘多边形组成的空间曲面为断层多边形；

S2、求出上盘多边形与上盘层位相交的上盘原始点，以及上盘多边形与下盘层位相交的上盘多边形在下盘的投影点；求出下盘多边形与下盘层位相交的下盘原始点，以及下盘多边形与上盘层位相交的下盘多边形在上盘的投影点；

对原始层位数据点、断层多边形上的点的高度属性赋值以及判断原始层位数据点、断层多边形上的点位于断层上方或者下方的关系属性，并判断断层多边形上的点为原始点还是投影点，即判断断层多边形上的点的投影属性；

S3、用带约束的三角形网格化对原始层位数据点和断层多边形上的点进行连接，断层多边形作为约束，任何三角形不能穿越约束；

S4、根据所述步骤S2得到的层位原始数据点、断层多边形上的点的高度属性和关系属性、断层多边形上的点的投影属性以及所述步骤S3中完成的三角形网格化对断层多边形上的点与原始层位数据点进行连接，完成上盘多边形、下盘多边形的内外区域拼接，即完成三维空间曲面的重建。

进一步的，所述步骤S2中对断层多边形上的点以及原始层位数据点的高度属性赋值过程为：断层多边形上的点以及层位原始数据点集合为V，V={V₁,V₂,...V_n}，其中n为断层多边形上的点以及层位原始数据点的个数，同时所述集合V中的每个点V_i在三维坐标系中的坐标为：{X_i,Y_i,Z_i}，在Z坐标方向，每个点V_i包括多个高度值，其表示为Z_i={z₁,z_2,,...,z_m}，m为每个点V_i拥有的Z值个数，其中z₁,z_2,,...,z_m代表V_i的高度属性。

更进一步的，在所述步骤S4中，选择完成了步骤S3中三角形网格化相连接的两点V₁、V₂,且V₁、V₂的拥有的Z值个数分别为m₁和m₂，若m₂>1，且m₁≤m₂，则选择V₁的每一个Z_i(0<i<m₁)进行以下规则中的判断，与V₂的Z_i完成连接：

1、遍历V₂的所有Z_i属性，若V₁有与V₂属性完全相同的点，则相连，判断结束，否则继续规则2；

2、若没有完全相同的点，则再次遍历V₂的所有Z_i属性，排除属性V₁与V₂不同的点后，若此时仅剩一点，则相连，判断结束，否则继续规则3；

3、遍历规则2中排除后的V₂所有Z_i属性，若V₁有具有投影属性的点，则进行连接，判断结束，否则，则V₁不与V₂的任何Z_i进行连接，判断结束。

进一步的，所述步骤S2中如果上盘多边形和下盘多边形组成的断层多边形有相交区域，则将相交区域合并为一个区域进行高度属性赋值。

进一步的，所述步骤S2之前若出现了原始层位数据点缺失或冗余的情况，还要对所述原始层位点数据进行补充或者删除。

进一步的，在完成所述步骤S4后，还需要对完成重建的三维空间曲面进行层面平滑。

本发明的有益效果：本发明基于边界约束的空间曲面重建方法解决了三维地质建模中复杂地形下的层位曲面重构问题，为等值线绘制、地质成块等提供了新的思路，能够适用于各类离散点或者侧线数据，对数据的要求不高；可以支持各类断层，包括正断层、逆断层和垂直断层等各种复杂的地形结构，具有很好的适应性；适合三维地质建模和二维层面绘制中的多种应用，具有很好的通用性，特别能完成复杂地质约束中的等值线构建；并且通过基于约束的三角网格方式，即保证了数据的快速显示，又能良好的表达地质曲面的各种约束与边界。

附图说明

图1为本发明实施例的基于边界约束的空间曲面重建方法的流程框图；

图2为本发明实施例的基于边界约束的空间曲面重建方法中层位点冗余与层位点缺失示意图；

图3为本发明实施例的基于边界约束的空间曲面重建方法中关系属性判定的示意图；

图4为本发明实施例的基于边界约束的空间曲面重建方法中如三角形网格的连接示意图；

图5为本发明实施例的基于边界约束的空间曲面重建方法中步骤S4中的判断流程框图；

图6为本发明实施例的基于边界约束的空间曲面重建方法中步骤S4中V₁、V₂、V₃、V₄的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

如图1所示为本发明实施例的基于边界约束的空间曲面重建方法的流程框图，其具体包括，

S1、采集原始层位数据点和断层数据点，绘制上盘多边形和下盘多边形，所述上盘多边形和下盘多边形组成的空间曲面为断层多边形；

S2、求出上盘多边形与上盘层位相交的上盘原始点，以及上盘多边形与下盘层位相交的上盘多边形在下盘的投影点；求出下盘多边形与下盘层位相交的下盘原始点，以及下盘多边形与上盘层位相交的下盘多边形在上盘的投影点；

对原始层位数据点、断层多边形上的点的高度属性赋值以及判断原始层位数据点、断层多边形上的点位于断层上方或者下方的关系属性，并判断断层多边形上的点为原始点还是投影点，即判断断层多边形上的点的投影属性；

S3、用带约束的三角形网格化对原始层位数据点和断层多边形上的点进行连接，断层多边形作为约束，任何三角形不能穿越约束；

S4、根据所述步骤S2得到的层位原始数据点、断层多边形上的点的高度属性和关系属性、断层多边形上的点的投影属性以及所述步骤S3中完成的三角形网格化对断层多边形上的点与原始层位数据点进行连接，完成上盘多边形、下盘多边形的内外区域拼接，即完成三维空间曲面的重建。

从地质上来说，断层是岩体受力作用断裂后，两侧岩块沿断裂面发生显著位移的断裂构造，所以断层表现在地震解释系统中一般是比较陡峭的曲面结构，通常按断层的位移性质分为：上盘相对下降的正断层和上盘相对上升的逆断层，在本发明申请方案中，我们定义了三类断层：正断层、逆断层和垂直断层，断层多边形则是根据采集到的层位原始数据点由外部人工绘制标定的断层位置区域，分为上盘多边形和下盘多边形，所述上盘多边形和下盘多边形是由层位和断层相交点编辑的二维线段，由于正断层和垂直断层的上盘多边形和下盘多边形不存在重合，其内部为空，所以在本发明申请方案中以逆断层为例进行说明。

在所述步骤S1中采集到的原始层位数据点，对于某些的层位数据来说可能其原始数据部分区域没有符合的断层多边形，其主要有层位点冗余与层位点缺失两种情况，如图2所示，在断层的上盘或者下盘，有且只能有一个层位面，所以在处理层位原始数据的过程中，需要增加或者删除部分数据以便进行层位拟合，从而拟合出正确的层位。

而后，由于层位原始数据点已经处理成与断层多边形相交，绘制出了上盘多边形和下盘多边形，于是进行所述步骤S2，再求出上盘多边形与上盘层位相交的上盘原始点，以及上盘多边形与下盘层位相交的上盘多边形在下盘的投影点，求出下盘多边形与下盘层位相交的下盘原始点，以及下盘多边形与上盘层位相交的下盘多边形在上盘的投影点，也即是判断断层多边形上的点的投影属性；如果断层还与其他层位段相交，则还要求出与其他层位段的相交的原始点，并同样判断其投影属性。

下面将对断层多边形上的点以及原始层位数据点的高度属性赋值以及关系属性的判定的过程进行详细说明：在一个三维坐标系中，每个层位原始数据点在上盘多边形和下盘多边形组成的断层多变形中存在x、y值相同,但是z值不同的几个点，也就是存在多个高度值，所以我们定义断层多边形上的点以及层位原始数据点的集合为V，V={V₁,V₂,...V_n}，其中n为断层多边形上的点以及层位原始数据点的个数，同时所述集合V中的每个点V_i在三维坐标系中的坐标为：{X_i,Y_i,Z_i}，在Z坐标方向，每个点V_i包括多个高度值，其表示为Z_i={z₁,z_2,,...,z_m}，m为每个点V_i拥有的Z值个数，其中z₁,z_2,,...,z_m代表V_i的高度属性。对于单个断层多边形的情况，也即是没有其他断层多边形与之重合，可以利用层位和断层多边形拟合出的断面数据的上下关系，判断出层位原始数据点、上盘原始点以及下盘原始点位于断层的上方或者下方，如图3所示为判断示意图，从而给出层位原始数据点与断层的关系属性。而对于与其他断层多边形有重合的断层多边形，应对重合区域统一进行考虑，同样也是利用断面数据从而给出层位原始数据点与断层的关系属性。

在完成了对层位原始数据点的高度属性赋值和关系属性的判定，以及完成了对断层多边形上的点的高度属性赋值、关系属性和投影属性的判定后，利用带约束的三角形网格化对层位原始数据点和断层多边形上的点进行连接，上盘多边形和下盘多边形作为约束，任何三角形不能穿越约束进行连接，因此断层多边形内外的区域在平面上是分开的，在此时的三角形网格连接中，仅会利用所有点的二维属性，即x、y值，如图4所示为三角形网格的连接示意图，其中采用带约束的三角形网格化对数据点进行连接的方法为现有技术中的公知技术，所以，本发明申请方案不对此做详细描述。

由此，层位点的三角形网格在二维层面上已经完成但是并没有完成三维层面恢复，还需要继续进行所述步骤S4中的处理，完成断层多边形上的点和外部层位原始数据点的连接，但在此连接过程中存在一个判断过程，如图5所示为判断的流程框图，其具体过程为：选择完成了步骤S3中三角形网格化后相连接的两点V₁、V₂,且V₁、V₂的拥有的Z值的个数分别为m₁和m₂，若m₂>1，且m₁≤m₂，则选择V₁的每一个Z_i(0<i<m₁)进行以下规则中的判断，与V₂的Z_i完成连接：

1、遍历V₂的所有Z_i属性，若V₁有与V₂属性完全相同的点，则相连，判断结束，否则继续规则2；

2、若没有完全相同的点，则再次遍历V₂的所有Z_i属性，排除属性V₁与V₂不同的点后，若此时仅剩一点，则相连，判断结束，否则继续规则3；

3、遍历规则2中排除后的V₂所有Z_i属性，若V₁有具有投影属性的点，则进行连接，判断结束，否则，则V₁不与V₂的任何Z_i进行连接，判断结束。

对于任意复杂多边形边界约束下的层位重建，其点与点之间的判断都可依据以上基本判断准则，根据以上判断准则，如图6所示为V₁、V₂、V₃、V₄的连接示意图，其连接的具体过程为：

首先进行V₃与V₄的连接判断，若m₄>1，且m₃≤m₄，则选择V₃中的z₁作为初始点，进行第一条规则的判断时，找到V₄的z₁时，获得与V₃中的z₁相同属性的点，于是两点连接，判断结束。V₃中的z₂的判断与z₁相似。继续进行V₁与V₂的连接判断，若m₂>1，且m₁≤m₂，选择V₁中的z₁作为初始点，前两条规则都没有得到连接关系，继续进行规则3的判断，此时V₂的z₁为投影点，选择V₂的z₁进行连接.此时V₁的所有Z_i属性均已进行连接判断，则V₁与V₂的连接判断结束。

若出现两个断层多边形相交的情况，其判断连接的过程也如上所述，首先进行V₁与V₂的连接判断,若m₂>1，且m₁≤m₂，选择V₁中的z₁作为初始点，在进行完规则2后，仅剩V₂的z₁可能连接，于是与V₂的z₁进行连接。继续选择V₃中的z₂作为初始点，在进行前两条规则的判断后，还剩下V₂的z₂与z₃两点，无法进行连接。继续进行规则3的判断，此时V₂的Z₂为投影点，选择V₂的z₂进行连接.此时V₁的所有Z_i属性均已进行连接判断，则V₁与V₂的连接判断结束。继续进行V₃与V₂的连接判断，若m₃>1，且m₂≤m₃，选择V₂中的z₁作为初始点，遍历V₃的所有Z_i属性。遍历至V₃的z₁时，获得与V₂中的z₁相同属性的点，于是两点连接，判断结束。此后，V₂的其他Z_i点判断与z₁同理，故不再赘述。

在本方案中，进行所述步骤S4时会出现一种特殊情况，这种特殊情况为，三角形三顶点同属性同盘，在这种情况下虽然之前的规则成立，可以连成两重曲面，但是如果这样的处理会在多边形外部形成一个两重区域不符合实际情况，所以在进行步骤S4的边的拼接前需要先进行这种特殊情况的处理。面对这种特殊情况，我们通过细分拓扑规则在三角形内部插入一个单重点，三角形的三个点的投影值分别与它相连，这样就很好的解决了这样特殊情况会造成规则与实际情况不符合的问题。

在完成了三角形内外拼接之后，重新构建的层面还不能很好地接近真实的层面，所以需要对拟合后的层位进行平滑，会使拟合后的层面更符合实际的地质层，常见的层面平滑方法有法向平滑、平均平滑等。

本发明申请方案解决复杂的曲面重建，通过带约束的三角形网格化进行曲面重建，能够适用于各种复杂的断层，如正断层、逆断层、垂直断层等等。

Claims (6)

1.基于边界约束的空间曲面重建方法，其特征在于，具体包括：

S1、采集原始层位数据点和断层数据点，绘制上盘多边形和下盘多边形，所述上盘多边形和下盘多边形组成的空间曲面为断层多边形；

S2、求出上盘多边形与上盘层位相交的上盘原始点，以及上盘多边形与下盘层位相交的上盘多边形在下盘的投影点；求出下盘多边形与下盘层位相交的下盘原始点，以及下盘多边形与上盘层位相交的下盘多边形在上盘的投影点；

对原始层位数据点、断层多边形上的点的高度属性赋值以及判断原始层位数据点、断层多边形上的点位于断层上方或者下方的关系属性，并判断断层多边形上的点为原始点还是投影点，即判断断层多边形上的点的投影属性；

S3、用带约束的三角形网格化对原始层位数据点和断层多边形上的点进行连接，断层多边形作为约束，任何三角形不能穿越约束；

S4、根据所述步骤S2得到的层位原始数据点、断层多边形上的点的高度属性和关系属性、断层多边形上的点的投影属性以及所述步骤S3中完成的三角形网格化对断层多边形上的点与原始层位数据点进行连接，完成上盘多边形、下盘多边形的内外区域拼接，即完成三维空间曲面的重建。

2.如权利要求1所述的基于边界约束的空间曲面重建方法，其特征在于，所述步骤S2中对断层多边形上的点以及原始层位数据点的高度属性赋值过程为：断层多边形上的点以及层位原始数据点集合为V，V={V₁,V₂，...V_n}，其中n为断层多边形上的点以及层位原始数据点的个数，同时所述集合V中的每个点V_i在三维坐标系中的坐标为：V_i={X_i,Y_i,Z_i}，在Z坐标方向，每个点V_i包括多个高度值，其表示为Z_i={Z₁,Z_2,,...,Z_m}，m为每个点V_i拥有的Z值个数，其中Z₁,Z_2,,...,Z_m代表V_i的高度属性。

3.如权利要求2所述的基于边界约束的空间曲面重建方法，其特征在于，在所述步骤S4中，选择完成了步骤S3中三角形网格化相连接的两点V₁、V₂,且V₁、V₂的拥有的Z值个数分别为m₁和m₂，若m₂>1，且m₁≤m₂，则选择V₁的每一个Z_i(0<i<m₁)进行以下规则中的判断，与V₂的Z_i完成连接：

1、遍历V₂的所有Z_i属性，若V₁有与V₂属性完全相同的点，则相连，判断结束，否则继续规则2；

2、若没有完全相同的点，则再次遍历V₂的所有Z_i属性，排除属性V₁与V₂不同的点后，若此时仅剩一点，则相连，判断结束，否则继续规则3；

3、遍历规则2中排除后的V₂所有Z_i属性，若V₁有具有投影属性的点，则进行连接，判断结束，否则，则V₁不与V₂的任何Z_i进行连接，判断结束。

4.如权利要求1至3任一项权利要求所述的基于边界约束的空间曲面重建方法，其特征在于，所述步骤S2中如果上盘多边形和下盘多边形组成的断层多边形有相交区域，则将相交区域合并为一个区域进行高度属性赋值。

5.如权利要求1至3任一项权利要求所述的基于边界约束的空间曲面重建方法，其特征在于，所述步骤S2之前若出现了原始层位数据点缺失或冗余的情况，还要对所述原始层位点数据进行补充或者删除。

6.如权利要求1至3任一项权利要求所述的基于边界约束的空间曲面重建方法，其特征在于，在完成所述步骤S4后，还需要对完成重建的三维空间曲面进行层面平滑。

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