CN104570068A - 一种基于三维gis的观测系统crp属性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，属于石油地震勘探与开发领域。方法包括：(1)利用三维GIS技术获取起伏地表的高程信息及高清影像数据，将高程信息及高清影像数据相结合生成三维起伏地表，然后结合地下三维地质模型，实现三维起伏地表与地下层状介质的一体化模型；(2)将理论设计的三维观测系统中的炮检点布设到三维起伏地表上，实现炮检点在真实三维场景中的显示及高程信息的获取；(3)利用三维射线追踪算法对地下目的层进行正演模拟，获取三维观测系统射线追踪路径；(4)对步骤(3)得到的三维观测系统射线追踪路径进行CRP属性分析，统计各个目的层的覆盖次数、炮检距及方位角信息，形成统计结果。

Description

一种基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法

技术领域

本发明属于石油地震勘探与开发领域，具体涉及一种基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法。

背景技术

随着地震勘探技术的飞速发展，国内勘探的条件也越来越复杂，特别是近几十年，油气勘探从构造油气藏勘探到寻找隐蔽性岩性油气藏勘探，而其它能源勘探也面临复杂条件的挑战，地震采集在油气勘探的重要性越来越明显。随着地震勘探的逐步深入，野外采集费用也在逐年增加，如何设计能够设计出既能满足设计要求，又有效降低勘探成本和提高采集质量的观测系统炮检点数据是野外采集的关键所在。目前在采集设计过程中利用模型正演对理论设计的三维观测系统的优劣进行评价，已经成为降低勘探成本和提高采集质量的主要手段。

地震正演模拟是地震数据采集、处理、解释三大环节的分析基础，一方面是为地震数据采集、处理、解释提供理论依据，评估方法的科学性、可行性和先进性；另一方面是用来检验各种解释成果的可行度，以及各种繁衍算法的正确性和反演成果的可靠性。地震正演模拟方法很多，归纳起来可分为三类：直接法、积分法和射线追踪法。直接法和积分法都是建立在求解波动方程的基础上的。射线追踪法是地震正演模拟和成像领域中应用最广泛的技术，它是建立在高频近似基础上的波动方程计算方法，由于没有考虑波场的全部特征，射线追踪法的计算效率比较高。

目前，市场上成熟的采集软件基本上采用的是射线追踪法，通过建立层状的二维、三维地下模型对地下目的层进行射线追踪，并提供地下模型的CRP属性分析，但只是提供基于水平地表三维射线追踪，无法提供准确的三维地表信息对理论的观测系统设计中的炮检点高程值进行赋值，缺少三维起伏地表对观测系统设计进行评价的手段。

地表与地下模型一体化显示技术是目前地球物理学研究的难点和热点问题，也是目前三维可视化技术在地球物理领域应用的一个发展的方向。地表与地下模型一体化可以提供三维可视化环境，通过地下目的层进行射线追踪正演分析，辅助优化野外地震采集参数和观测系统设计方案。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，利用三维GIS技术提供起伏地表和地下目的层CRP属性分析结果，对理论设计的观测系统好坏进行评价。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，包括：

(1)利用三维GIS技术获取起伏地表的高程信息及高清影像数据，将高程信息及高清影像数据相结合生成三维起伏地表，然后结合地下三维地质模型，实现三维起伏地表与地下层状介质的一体化模型；

(2)将理论设计的三维观测系统中的炮检点布设到三维起伏地表上，实现炮检点在真实三维场景中的显示及高程信息的获取；

(3)利用三维射线追踪算法对地下目的层进行正演模拟，获取三维观测系统射线追踪路径；

(4)对步骤(3)得到的三维观测系统射线追踪路径进行CRP属性分析，统计各个目的层的覆盖次数、炮检距及方位角信息，形成统计结果。

所述方法进一步包括：

(5)结合所述三维起伏地表的起伏特征，对各个目的层的统计结果进行分析，评价理论设计的三维观测系统的优劣。

所述步骤(1)包括：

a、利用三维GIS技术，根据地震采集施工工区坐标范围及面积，获取该工区的高清影像数据及起伏地表的高程信息，并在三维场景中渲染出复杂地表的起伏构造；

b、将起伏地表上地物信息按照采集观测系统业务需求进行分类整理，利用图层管理方式实现高清数字影像数据、地物信息的三维显示；

c、地下三维模型采用层状地层的方式，针对地层的不同属性，根据这些属性为每一层选择不同的颜色进行渲染。

通过以上三步就能够构建出一块采集施工工区的三维起伏地表与地下层状介质的一体化模型。

所述步骤(2)是这样实现的：

所述理论设计的三维观测系统是根据勘探工区设计要求，利用单元模版滚动布设出的整个工区观测系统的炮点和检波点，实现了炮检点在真实三维场景中的显示。

通过对该理论设计的三维观测系统中的炮点和检波点进行逐一遍历，并利用步骤(1)中三维起伏地表模型的高程信息，获得工区内所有炮点和检波点的高程值并保存下来。

所述步骤(3)是这样实现的：

遍历三维观测系统中的所有炮点，通过炮点属性中的排列片索引找到每个炮点对应的检波点集合；

利用两点追踪的方法计算得到每一个炮检对的射线追踪路径，记录下射线与目的层的交点坐标值并保存。

所述步骤(4)是这样实现的：

首先定义整个工区的面元网格的起始坐标、网格大小及数量，将每个单元网格作为一个独立数据存储单元用于存放覆盖次数、炮检距及方位角；

对步骤(3)计算出的射线追踪路径进行统计，整理出各个目的层上射线反射点，并利用这些反射点坐标值找到对应面元网格索引，将该面元网格的覆盖次数进行累加；

当整个工区统计结束后，再通过建立覆盖次数与颜色的一一对应关系，对每个面元网格进行颜色填充，得到全工区的覆盖次数分布图；

炮检距为射线反射点和对应的射线起止点的距离之和；

方位角为射线起止点连线与y轴夹角即是方位角。

所述步骤(5)是这样实现的：

利用步骤(4)中统计得到的不同目的层的覆盖次数分布图、炮检距及方位角，将覆盖次数、炮检距或方位角的数值分别用颜色值来表示，并通过图形的方式显示出来，如果色彩变化均匀，即说明覆盖次数、方位角或炮检距的分布均匀；

评价理论设计的三维观测系统的优劣是这样实现的：

如果目的层满覆盖区域中面元网格的覆盖次数分布均匀、面元网格的炮检距分布均匀，且面元网格的方位角分布均匀，则判断为好的三维观测系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用三维GIS起伏地表高程信息及高清影像数据，结合地下三维地质模型，实现三维起伏地表与地下层状介质的一体化模型；

(2)本发明创新性地实现将理论设计的观测系统中炮检点布设到三维GIS地表上，实现炮检点在真实三维场景中的显示及高程信息的获取；

(3)本发明创新性地利用三维GIS技术中的高分辨率的卫星影像和该施工工区内的地物、地貌特征，通过基于射线追踪的三维观测系统CRP属性分析，评价理论设计的观测系统优劣。

附图说明

图1是基于三维起伏地表的射线追踪路径。

图2是目的层CRP覆盖次数分布图。

图3是本发明方法的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，利用三维GIS技术获取起伏地表高程，并采用三维射线追踪算法对地下模型进行正演模拟。按照以下步骤实现：

(1)利用三维GIS技术获取起伏地表高程信息及高清影像数据，结合地下三维地质模型，实现三维起伏地表与地下层状介质的一体化模型；

(2)将理论设计的观测系统中炮检点布设到三维GIS地表(将步骤(1)得到的高程信息及高清影像数据相结合生成的起伏地表)上，实现炮检点在真实三维场景中的显示及高程信息的获取；

(3)利用三维射线追踪算法对地下目的层进行正演模拟，获取三维观测系统射线追踪路径结果；

(4)对三维观测系统射线追踪路径进行CRP属性分析，统计不同目的层的覆盖次数、炮检距及方位角信息；

(5)结合三维GIS地表起伏特征，对各个目的层统计结果进行分析，并将结果应用到评价及指导观测系统设计中。

所述步骤(1)中所述的三维起伏地表与地下层状介质的一体化模型是指：结合三维GIS技术，将起伏地表上地物信息按照采集观测系统业务需求进行分类整理，利用图层管理方式实现高清影像数据、地物信息的三维显示。地下三维模型采用层状地层的方式，针对地层的不同属性(纵波速度、横波速度、密度等属性)，根据这些属性为每一层选择不同的颜色进行渲染。

所述步骤(2)中所述理论设计的观测系统在三维起伏地表上的布设是指：根据勘探工区设计要求，利用单元模版滚动布设出整个工区观测系统炮检点，在这个理论设计的三维观测系统中炮检点没有高程值信息。通过结合步骤(1)中三维起伏地表模型获取观测系统的炮检点高程值。

所述步骤(4)中所述三维观测系统射线追踪路径的CRP属性分析是指：利用步骤(3)计算出的三维观测系统射线追踪路径，统计出不同目的层上射线反射点，并利用这些反射点坐标值找到对应面元网格索引，进行面元的属性填充。

所述步骤(5)中所述结合三维GIS地表起伏特征对各个目的层统计记过分析是指：利用步骤(4)中统计的不同目的层覆盖次数分布图、炮检距及方位角信息，结合三维GIS地表起伏特征，分析在地表剧烈起伏区域中炮点激发的射线路径对主要目的层覆盖次数分布的影响，评价理论设计的三维观测系统的优劣。

如图3所示，本发明的一个实施例如下，包括：

(1)利用三维GIS技术获取起伏地表高程信息及高清影像数据，结合地下三维地质模型，实现三维起伏地表与地下层状介质的一体化模型；具体如下：

a、利用三维GIS技术，根据地震采集施工工区坐标范围及面积，获取该工区的高清数字影像及地表高程信息(可从卫片代理商购买，也可以网上下载免费的)，并在三维场景中渲染出复杂地表的起伏构造(利用opengl三维渲染引擎实现)。

b、将起伏地表上地物信息(指野外施工中的障碍物)按照采集观测系统业务需求(业务需求主要是指野外放炮时禁炮区域的规定)进行分类整理(对于不同障碍物其禁炮范围是不同的，这里是指利用禁炮半径来整理的)，利用图层管理方式(图层管理是指将障碍物以单独数据结构的方式存储上计算机内存中)实现高清数字影像数据、地物信息的三维显示。

c、地下三维模型采用层状地层的方式，针对地层的不同属性(纵波速度、横波速度、密度、层位名称和颜色值，根据这些属性为每一层(地层是通过外部数据导入，导入数据决定层的数量)选择不同的颜色进行渲染。通过以上三步就能够构建出一块采集施工工区的三维起伏地表与地下层状介质的一体化模型。

(2)将理论设计的三维观测系统中的炮检点布设到三维GIS地表上，实现炮检点在真实三维场景中的显示及高程信息的获取；

理论设计的三维观测系统是根据勘探工区设计要求，利用单元模版滚动(单元模板滚动是指利用一组炮检点的位置关系，通过inline和crossline两个方向上的多次滚动，形成整个观测系统)布设出整个工区观测系统炮检点，在这个理论设计的三维观测系统中炮检点通常使用相对坐标(并非实际坐标)，且不带高程值坐标。步骤(1)中三维起伏地表模型(是一体化模型中的一部分，即三维起伏地表)是一个带有高程值的三维曲面，利用这个三维曲面很容易通过(x，y)坐标得到对应z值坐标(即高程值)，这样通过对三维观测系统中炮检点进行逐一遍历，得到工区内所有炮检点的高程值并保存下来。

(3)利用三维射线追踪算法对地下目的层进行正演模拟，获取三维观测系统射线追踪路径结果；

遍历三维观测系统中的所有炮点，通过炮点属性中的排列片索引(炮点数据结构中保存了此索引)找所有对应的检波点集合(每个炮点都对应多个检波点，这些检波点称之为该炮对应的检波点集合)，利用两点追踪的方法(就是前述的三维射线追踪算法)计算得到每一炮检对(一个炮点对应一组检波点，可以是一个检波器，但一般情况下是许多个检波器)的射线追踪路径(如图1所示)，记录下射线与目的层的交点坐标值并保存。

(4)对步骤(3)得到的三维观测系统射线追踪路径进行CRP属性分析，统计不同目的层的覆盖次数、炮检距及方位角信息；

首先定义整个工区的面元网格的起始坐标、网格大小及数量，将每个单元网格作为一个独立数据存储单元用于存放覆盖次数、炮检距及方位角等信息(CRP反射点和对应的射线起止点的距离之和即是炮检距，射线起止点连线与y轴夹角即是方位角)，对步骤(3)计算出的三维观测系统射线追踪路径进行统计，整理出不同目的层上射线反射点(即CRP反射点)，并利用这些反射点坐标值找到对应面元网格索引，将该面元网格的覆盖次数进行累加，这样整个工区统计结束后，再通过建立覆盖次数与颜色一一对应关系，对每个面元网格进行颜色填充，得到全工区的覆盖次数分布图，如图2所示。

(5)结合三维GIS地表起伏特征，对各个目的层统计结果进行分析，并将结果应用到评价及指导观测系统设计中。

利用步骤(4)中统计的不同目的层覆盖次数分布图、炮检距及方位角信息，结合三维GIS地表起伏特征，分析在地表剧烈起伏区域中炮点激发的射线路径对主要目的层覆盖次数分布的影响，评价理论设计的三维观测系统的优劣。

观测系统设计优劣的评价标准包括：

目的层满覆盖区域中覆盖次数基本均匀；

目的层满覆盖区域中面元网格的炮检距分布均匀；

目的层满覆盖区域中面元网格的方位角分布均匀；

以上判断均匀的手段主要是将覆盖次数、炮检距、方位角的数值用颜色值来表示(每幅图中不止一种颜色，颜色范围按照红-橙-黄-绿-蓝的顺序变化的，根据每个面元网格中的数值大小来选择不同的颜色值进行填充)，并通过图形的方式显示出来，如图2所示，如果色彩变化均匀，即说明覆盖次数、方位角、炮检距分布均匀，否则，不均匀。

如果同时满足上面三个标准就代表是好的观测系统，如果有一条不满足，就是差观测系统。

导致目的层理论设计满覆盖区域中局部出现覆盖次数偏低的主要因素包括：

a)炮检点处于地表起伏剧烈区域；

b)地下目的层起伏剧烈，导致射线在该目的层上反射角度出现较大偏差

c)地表与地下同时复杂的情况。在这三种情况下，都会产生某一区域的炮点射线路径与理论设计出现较大的偏差。

本发明方法，主要是利用现有成熟的三维GIS技术，结合地球物理勘探行业标准及生产实际，采用C++、QT计算机编程语言，创新的实现了一种基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，并提供利用三维GIS技术和地下目的层CRP属性分析结果，对理论设计的观测系统好坏进行评价。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (7)

1.一种基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)利用三维GIS技术获取起伏地表的高程信息及高清影像数据，将高程信息及高清影像数据相结合生成三维起伏地表，然后结合地下三维地质模型，实现三维起伏地表与地下层状介质的一体化模型；

(2)将理论设计的三维观测系统中的炮检点布设到三维起伏地表上，实现炮检点在真实三维场景中的显示及高程信息的获取；

(3)利用三维射线追踪算法对地下目的层进行正演模拟，获取三维观测系统射线追踪路径；

(4)对步骤(3)得到的三维观测系统射线追踪路径进行CRP属性分析，统计各个目的层的覆盖次数、炮检距及方位角信息，形成统计结果。

2.根据权利要求1所述的基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，其特征在于：所述方法进一步包括：

(5)结合所述三维起伏地表的起伏特征，对各个目的层的统计结果进行分析，评价理论设计的三维观测系统的优劣。

3.根据权利要求2所述的基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，其特征在于：所述步骤(1)包括：

a、利用三维GIS技术，根据地震采集施工工区坐标范围及面积，获取该工区的高清影像数据及起伏地表的高程信息，并在三维场景中渲染出复杂地表的起伏构造；

b、将起伏地表上地物信息按照采集观测系统业务需求进行分类整理，利用图层管理方式实现高清数字影像数据、地物信息的三维显示；

c、地下三维模型采用层状地层的方式，针对地层的不同属性，根据这些属性为每一层选择不同的颜色进行渲染。

4.根据权利要求3所述的基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，其特征在于：所述步骤(2)是这样实现的：

所述理论设计的三维观测系统是根据勘探工区设计要求，利用单元模版滚动布设出的整个工区观测系统的炮点和检波点，实现了炮检点在真实三维场景中的显示。

通过对该理论设计的三维观测系统中的炮点和检波点进行逐一遍历，并利用步骤(1)中三维起伏地表模型的高程信息，获得工区内所有炮点和检波点的高程值并保存下来。

5.根据权利要求4所述的基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，其特征在于：所述步骤(3)是这样实现的：

遍历三维观测系统中的所有炮点，通过炮点属性中的排列片索引找到每个炮点对应的检波点集合；

利用两点追踪的方法计算得到每一个炮检对的射线追踪路径，记录下射线与目的层的交点坐标值并保存。

6.根据权利要求5所述的基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，其特征在于：所述步骤(4)是这样实现的：

首先定义整个工区的面元网格的起始坐标、网格大小及数量，将每个单元网格作为一个独立数据存储单元用于存放覆盖次数、炮检距及方位角；

对步骤(3)计算出的射线追踪路径进行统计，整理出各个目的层上射线反射点，并利用这些反射点坐标值找到对应面元网格索引，将该面元网格的覆盖次数进行累加；

当整个工区统计结束后，再通过建立覆盖次数与颜色的一一对应关系，对每个面元网格进行颜色填充，得到全工区的覆盖次数分布图；

炮检距为射线反射点和对应的射线起止点的距离之和；

方位角为射线起止点连线与y轴夹角即是方位角。

7.根据权利要求6所述的基于三维GIS的观测系统CRP属性分析方法，其特征在于：所述步骤(5)是这样实现的：

利用步骤(4)中统计得到的不同目的层的覆盖次数分布图、炮检距及方位角，将覆盖次数、炮检距或方位角的数值分别用颜色值来表示，并通过图形的方式显示出来，如果色彩变化均匀，即说明覆盖次数、方位角或炮检距的分布均匀；

评价理论设计的三维观测系统的优劣是这样实现的：

如果目的层满覆盖区域中面元网格的覆盖次数分布均匀、面元网格的炮检距分布均匀，且面元网格的方位角分布均匀，则判断为好的三维观测系统。