CN103606191A - 一种复杂地质模型的快速建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂地质模型的快速建模方法，属油气勘探开发地质建模技术领域，其特征在于包括如下步骤：1、工区网格点三维数据库的建立，2、网格点的初始法矢量的计算，3、网格点的修正法矢量的计算，4、网格点的取舍，5、根据删除顶点后的工区复杂地质体的网格数据，进行三角形剖分，生成Delaunay三角网，绘制地质模型。本发明通过删除一部分在精度范围内的顶点，减少了运算数据，利用Delaunay三角网的剖分方法绘制出简化后的复杂地质模型，克服了大规模数据造成的建模速度迟缓的问题，使大数据的网格模型大大简化，达到了加快建模速度的目的；具有建模速度明显加快，能得到高逼真度的地质模型的特点。

Description

一种复杂地质模型的快速建模方法

技术领域：

本发明涉及一种复杂地质模型的快速建模方法，属油气勘探开发地质建模技术领域。

背景技术：

油气能源成为人类社会的主要能源以后，迅速改变着整个世界经济和社会的面貌。自然界没有哪一种原料能像油气那样能对社会产生如此巨大的影响，因此地质勘探技术的发展，对准确高效的寻找油气储层起着至关重要的作用。

三维地质建模，就是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解释、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，用于地质研究的技术。

在复杂地质体的环境下，地质构造复杂，岩性岩相不稳定，地层信息难以获取，这些问题都给地质建模带来很大的影响。

近年来，我国在油气勘探方面的研究蓬勃发展，己研究开发出了不少具有自主知识产权的、完整的地质建模系统，就其算法构架和功能稳定方面不乏先进性，但在建模的质量，速度及准确度等方面还存在明显不足。

随着复杂几何模型建模的需求日益膨胀，快速建模技术也应运而生。在计算机图形学领域，经常采用多边形网格来描述物体的几何模型。对于小数据量的地质模型，采用一般的建模技术足以满足要求，但是对于复杂不规则的地质模型（如含有断层，褶曲，开挖边界等），其不规则网通常由成千上万个多边形面片组成。由于将多边形映射为图像的过程需要大量的计算，因此花费的绘制时间相当长，存储量也特别大。随着地质学研究的深入，数据量庞大的复杂地质模型通常不能满足实时绘制的需要。因此，需要实现对复杂地质模型建模的简化和加速。

目前，许多领域已经着眼于快速建模方法的研究（如虚拟现实、交互式可视化、计算机仿真等领域），以求能够在保证较少地损害逼真度并且较大幅度地降低复杂度的情况下，达到加快建模速度的目的。

如申请号为CN99802420.1的专利公开了一种能进行纤维供给卷轴监测的快速建模系统，其主要用于快速建模系统中的纤维卷轴支承一个保存有关卷轴上纤维类型和数量的数据的电路。申请号为CN200810057144.5的专利公开了一种用于数据挖掘领域的海量数据的快速建模方法，该方法在建模的过程中，首先从数据集中获取数据，然后为每个属性计算一个指标值作为属性的特征值，并根据特征值对属性进行筛选，从而减少被测试的属性在建模过程中的数量，即用少量的内存操作数替代大量的外存操作，达到了提高建模效率，节省建模时间的效果。目前，在复杂地质建模的快速建模领域，还未有相关的研究报道。

发明内容：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复杂地质模型的快速建模方法，通过删除一部分在精度范围内的顶点，减少运算数据，利用Delaunay三角网的剖分方法绘制出简化后的复杂地质模型，具有绘制速度明显加快，能得到高逼真度的地质模型的特点。

本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。

本发明所提供的一种复杂地质模型的快速建模方法，包括如下步骤：

1、工区网格点三维数据库的建立：

根据地质勘探资料和建模要求，将工区划分成网格，并获得每个网格点的三维坐标，按网格点的X坐标、Y坐标、高程值建立网格点的三维数据库；

2、网格点的初始法矢量的计算：

从网格点的三维数据库中取一个网格点，计算出周围与其相连接的所有三角形的法矢量，并求出其平均值，作为该网格点的初始法矢量，并进行归一化处理；依此求出所有网格点的初始法矢量；

3、网格点的修正法矢量的计算：

从网格点的三维数据库中取一个网格点，将其周围所有的网格点的初始法矢量进行平均，计算的平均值即为该网格点的修正法矢量；

4、网格点的取舍：

根据快速建模的精度要求，设定简化模型的精度值ε；

求出一个网格点的修正法矢量与周围所有的网格点的修正法矢量之间的夹角θ；将所求得的夹角θ换算成弧度值δ；再将弧度值δ与设定的精度值ε进行比较；当所得的所有的弧度值δ都小于精度值ε时，就可以将该网格点删除，否则，将保留该网格点；

5、Delaunay三角网的生成：

根据删除顶点后的工区复杂地质体的网格数据，进行三角形剖分，生成Delaunay三角网，绘制地质模型。

本发明与现有的技术相比，通过删除一部分在精度范围内的顶点，减少了运算数据，利用Delaunay三角网的剖分方法绘制出简化后的复杂地质模型，克服了大规模数据造成的建模速度迟缓的问题，使大数据的网格模型大大简化，达到了加快建模速度的目的；具有建模速度明显加快，能得到高逼真度的地质模型的特点。

附图说明:

图1为本发明一种复杂地质模型的快速建模方法的流程示意图。

图2为模型网格面及其三角形细分的示意图。

图3为网格点的修正法矢量的计算示意图。

图4为曲面的一维数学模型示意图。

图5为网格点初始Delaunay边构造模型示意图。

图6为凸壳多边形的合成示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

下面就某工区的地表高程数据（DEM）进行地质模型的快速建模对本发明作进一步说明。

本实施例的数据为DEM数据，选用了两个模型的DEM数据进行说明。

模型1：规格为columns1（列数）*rows1（行数）(columns1=985，rows1=748)，原始网格点数目为736，780个，直接形成的三角面片数为1,476,096个，其X坐标值的间距为cellsize1X（cellsize1X=20），Y坐标值的间距为cellsize1Y（cellsize1Y=18）,X，Y坐标值均只有一个起点值。

模型2：规格为columns2（列数）*rows2（行数）(columns2=2467，rows2=676)，原始网格点数目为1，667，692个，直接形成的三角面片数为3,329,100个，X坐标值的间距为cellsize2X(cellsize2X=25)，Y坐标值的间隔为cellsize2Y(cellsize2Y=25)，X，Y坐标值只有一个起点值。

根据起点和间隔以及每点的高程值就可以算出所有点的三维坐标值。

1、工区网格点三维数据库的建立：

根据地质勘探资料和建模要求，将工区划分成网格，并获得每个网格点的三维坐标，按网格点的X坐标、Y坐标、高程值建立网格点的三维数据库。

2、网格点的初始法矢量的计算：

由于三个点确定一个平面，因此通常将网格面细分为三角形面；读取三维数据库中的地质网格数据，将地质数据进行三角形细分；从网格点的三维数据库中取一个网格点，计算出周围与其相连接的所有三角形的法矢量，并求出其平均值，作为该网格点的初始法矢量，并进行归一化处理；依此求出所有网格点的初始法矢量；

利用三角形三个顶点来唯一确定这个三角面片的法矢量，其方法如下：

设三角形的三个点分别为A，B，C(逆时针排列)，其法矢量为

则： $\stackrel{\→}{h}=\stackrel{\→}{\mathrm{AB}}\×\stackrel{\→}{\mathrm{BC}}$

三角形细分后，对网格面中的任意一个交点q，其周围将存在n个（此处n=6）三角形，如图2所示；设第i个三角形的单位法矢量为

则交点q的初始法矢量可用其周围所有（此处为6个）三角形面的单位法矢量的平均值来表示，若

表示交点q的初始法矢量，则：

$\stackrel{\→}{q}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{a}}_i$

由于

的模值，分布区间较大，不易后续处理，对其进行归一化（即取模为1），设归一化后的初始法矢量为

则：

$\stackrel{\→}{e}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{a}}_i}{\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{a}}_i\right|}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{a}}_i}{\sqrt{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{xi}}\right)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{yi}}\right)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{zi}}\right)}^2}}$

上式即为平均后的单位法矢量，现将其定义为复杂地质网格模型网格点q的初始法矢量。

3、网格点的修正法矢量的计算：

为了提高复杂地质模型处理后的逼真度，从网格点的三维数据库中取一个网格点，将其周围所有的网格点的初始法矢量进行平均，计算的平均值即为该网格点的修正法矢量；

根据图3，网格点q的修正法矢量是周围所有网格点的初始法矢量的平均值，由上一步可以算出周围八个网格点的初始法矢量

修正后的修正法矢量用

表示，则:

从而使修正后的模型更逼真。

4、网格点的取舍：

根据快速建模的精度要求，设定简化模型的精度值ε；

求出一个网格点的修正法矢量与周围所有的网格点的修正法矢量之间的夹角θ；将所求得的夹角θ换算成弧度值δ；再将弧度值δ与设定的精度值ε进行比较；当所得的所有的弧度值δ都小于精度值ε时，就可以将该网格点删除，否则，将保留该网格点；

从视觉效果看，当多个网格点的法矢量的方向近似相同时，它们所构成的曲面近似平缓，因此，在一定的精度范围内，部分数据是不必要的，如图4所示；在这种情况下，就可以删除不必要的数据，从而实现复杂地质模型的快速建模；

设置绘制精度为ε，计算出某一网格点（非边界点）的修正法矢量与周围网格点的修正法矢量所组成的夹角θ：

${\mathrm{\θ}}_i=\arccos (\stackrel{\→}{m}\·\stackrel{\→}{m_i})$   （i=1，2，...，8）

设δ_i=θ_i  （i=1，2，...，8）

当δ_i（i=1，2，...，8）小于精度ε时，表明周围的网格点与该网格点的修正法矢量相差不大，即周围8个网格点对该网格点的影响是可以接受的，此时可以删除该网格点；

由于arccos函数在[-1,1]区间内呈单调递减，故可将表达式

${\mathrm{\&delta;}}_i=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_i}{\mathrm{\&pi;}}=\frac{\arccos (\stackrel{\&RightArrow;}{m}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{m_i})}{\mathrm{\&pi;}}<\mathrm{\&epsiv;}$ （i=1，2，...，8）转化为 $\stackrel{\&RightArrow;}{m}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{m_i}>\cos \left(\mathrm{\&epsiv;\&pi;}\right)$ （i=1，2，...，8）

令N=cos(επ)，则

（i=1，2，...，8）

从而减少了地质模型简化过程中的计算量，降低了网格简化的复杂度；

当8个夹角不全小于精度ε时，则表明周围的网格点中存在与该网格点的修正法矢量相差较大的点，此时将保留该网格点；此外，边界点将全部保留，这是为了保持模型的包围盒不变，以最大程度的保证其简化后的相似度。

5、Delaunay三角网的生成：

根据删除顶点后的工区复杂地质体的网格数据，进行三角形剖分，绘制地质模型，生成Delaunay三角网；

对于Delaunay三角网的生成，先对简化后的网格点进行数据结构存储处理，然后采用分治算法进行三角形剖分，具体处理过程如下：

①排序并构造初始点集Delaunay边

统计出简化后网格数据的行数和列数，以其中较小的数值为主进行处理（本例中简化后的地质模型数据以列为主，以行为辅进行说明）。

在删减网格数据时，保留了DEM数据的边界点，因此在同一纵坐标下，至少存在两个点；以此为划分标准，将纵坐标相同的点归为一列；从第一列开始，将两相邻纵坐标的点如图5所示的方式进行组织，形成逆时针方向闭合的多边形结构，同时保证相邻两列方向相反。

②分割与合并

统计纵坐标相同的列数，对其进行分割，首先将网格点数据分为两个子集，每个子集中包含相同的列数，按照这样的方式循环分割，直至每个子集中只包含两列网格点数据，在各个子集中不断地运用合成算法，最终生成统一的三角网。

③凸壳多边形的合成

每个子集中的两列网格点数据可生成一个凸壳多边形。直接取两个凸壳多边形相邻最近的最高点和最低点作为连接两个凸壳多边形的底线和顶线。将原始的凸壳多边形的双向循环链表结构稍作修改后，完成凸壳多边形的合成，如图6所示。

表1模型测试环境

表2复杂模型1模型简化比与平均交互速度

表3复杂模型1简化后的几何相似度

表4复杂模型2模型简化比与平均交互速度

表5复杂模型2简化后的几何相似度

本实施例在如表1所示的模型测试环境下进行实验。

实验中分别对复杂模型1（顶点数为736780）和复杂模型2（顶点数为1667692）进行测试。

实验将通过删除数量不一的顶点来进行快速建模，最终以三角面片、点和网格的形式显示出来，每个复杂地质模型实施例中均有三个模型是经过不同简化程度后所建的模型，把它们与未简化的模型相比，分别计算出模型简化比、平均交互速度以及几何相似度。表2和表3表示复杂地质模型1的测量结果；表4和表5表示复杂地质模型2的测量结果。

几何相似度是采用对称Hausdorff距离来评估的，对称Hausdorff距离实际上是两个网格模型之间的最大误差，对称Hausdorff距离越小，两个网格模型之间的几何相似度越大。

根据测量数据，我们可以看出：对于同一个复杂地质模型而言，删除的顶点数越多，交互速度越快，简化程度越大，从而节省了大量的计算时间；不过，通过几何相似度的变化我们可知随着删除的顶点数的增加，几何相似度的值逐渐增大，地质模型的保真度也逐渐变低。可见我们不可能无限制的删除顶点数，而是要在加快建模速度的同时提高图像的保真度的基础上进行删除操作，只有这样本发明所述的复杂地质模型的快速建模方法才是有效可行的。

Claims (3)

1.一种复杂地质模型的快速建模方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）、工区网格点三维数据库的建立：

根据地质勘探资料和建模要求，将工区划分成网格，并获得每个网格点的三维坐标，按网格点的X坐标、Y坐标、高程值建立网格点的三维数据库；

（2）、网格点的初始法矢量的计算：

从网格点的三维数据库中取一个网格点，计算出周围与其相连接的所有三角形的法矢量，并求出其平均值，作为该网格点的初始法矢量，并进行归一化处理；依此求出所有网格点的初始法矢量；

（3）、网格点的修正法矢量的计算：

从网格点的三维数据库中取一个网格点，将其周围所有的网格点的初始法矢量进行平均，计算的平均值即为该网格点的修正法矢量；

（4）、网格点的取舍：

根据快速建模的精度要求，设定简化模型的精度值ε；

求出一个网格点的修正法矢量与周围所有的网格点的修正法矢量之间的夹角θ；将所求得的夹角θ换算成弧度值δ；再将弧度值δ与设定的精度值ε进行比较；当所得的所有的弧度值δ都小于精度值ε时，就可以将该网格点删除，否则，将保留该网格点；

（5）、Delaunay三角网的生成：

根据删除顶点后的工区复杂地质体的网格数据，进行三角形剖分，生成Delaunay三角网，绘制地质模型。

2.根据权利要求1所述的一种复杂地质模型的快速建模方法，其特征在于网格点的初始法矢量按下式进行计算：

$\stackrel{\&RightArrow;}{e}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_i}{\left|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_i\right|}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&RightArrow;}{a}}_i}{\sqrt{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{xi}}\right)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{yi}}\right)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{zi}}\right)}^2}}$

其中：

为归一化后复杂地质网格模型网格点q的初始法矢量。

3.根据权利要求1所述的一种复杂地质模型的快速建模方法，其特征在于所述的Delaunay三角网的生成，先对简化后的网格点进行数据结构存储处理，然后采用分治算法进行三角形剖分，具体处理过程如下：

①排序并构造初始点集Delaunay边

统计出简化后网格数据的行数和列数，以其中较小的数值为主进行处理；

②分割与合并

统计纵坐标相同的列数，对其进行分割，首先将网格点数据分为两个子集，每个子集中包含相同的列数，按照这样的方式循环分割，直至每个子集中只包含两列网格点数据，在各个子集中不断地运用合成算法，最终生成统一的三角网；

③凸壳多边形的合成

每个子集中的两列网格点数据可生成一个凸壳多边形；直接取两个凸壳多边形相邻最近的最高点和最低点作为连接两个凸壳多边形的底线和顶线；将原始的凸壳多边形的双向循环链表结构稍作修改后，完成凸壳多边形的合成。

Images