CN110599594B - 一种岩石物性结构三维建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石物性结构三维建模的方法，其包括取地球物理测井数据和钻孔空间信息数据，建立地下岩石物性的三维数据场；选择岩石物性参数值或参数值组合，确定物性参数值的值域范围；将三维数据场中的数据映射为网格节点状态值；将相邻八个网格节点状态值组合成六面体，并根据六面体的网格节点状态值选择对应体构型的索引值；计算岩石物性参数值组合等值面与六面体棱边的交点；根据对应的体构型连接棱边交点，创建岩石物性三维结构模型轮廓表面。本发明能够解决现有技术中岩石物性结构三维建模的准确性和效率较低的问题，准确率高、测定速度快、范围大。

Description

一种岩石物性结构三维建模的方法

技术领域

本发明涉及地质工程领域，具体涉及一种岩石物性结构三维建模的方法。

背景技术

三维建模一直是工程、地质、矿产行业研究的技术热点和难点问题。在研究地下各种复杂的地质结构时，根据有限的岩石物性参数，构建地下地质体三维空间属性模型是岩石结构分析的一种重要手段，已经有很多的学者和研究文献对其相关技术问题进行了研究和讨论。

其中，岩石物性结构三维建模主要是针对各种地质数据、地球物理数据、测井数据及其他方式获取的地下岩石物性参数，建立三维物性空间物性数据场，并从物性数据场构建不同物性分布的三维几何结构模型，为地下空间的三维工程地质分析提供重要的数据基础。

现有岩石物性结构三维建模主要包括两个步骤，其一是利用各种方法采集的有限的物性数据，采用空间插值算法，建立三维地下空间的物性数据场。其次，在三维物性数据场的基础上，生成不同岩石物性的三维空间结构模型。现有生成不同岩石物性的三维空间结构模型的方法，主要包括通过移动立方体网格方法Marching Cubes算法，即MC算法，提取三维数据场的等值面。

MC算法来源于人体CT医学成像，每次计算获取特定属性值的三维等值面。若要显示完整的岩石物性结构或一定的地质构造，则需要进行多次的等值面提取计算。而每一次的计算都需要遍历整个网格数据，计算效率比较低，完成特定岩石物性结构分析需要大量时间，因此，在实际研究中，常常会为了保证效率减少计算的等值面数量，从而影响建模准确性。

另外，对于地质模型来说，按照视觉观察原理，根据观察角度不同，每次观察到的只是地层(构造)的表面，内部或者深部进一步信息不作为视觉信息进行处理，而通过多次等值面提取计算，则需要会将大量地层内部或者深部信息纳入处理中，占用计算设备时间，严重影响建模效率。

现有对于MC算法的研究，主要问题集中在等值面连接的二义性的消除、优化等值面存储和计算效率的提高等方面。僧德文等(2006)提出了采用线性八叉树的方式，对有效体元进行编码，从而实现对计算效率进行优化。李程(2014)将六面体分解程四面体的方法来避免二义性的问题。帅仁俊等(2016)为了提高计算速度，提出了基于黄金分割的等值面与棱边的交点算法。王旭初(2012)等提出了构建体元邻接查找子表的方法，使面绘制时只处理有效体元，从而提高计算效率的方法。王铮，李瑞明(2017)提出了基于插值点连线交点的解决方法来解决等值面连接的歧义问题。

在地质工程领域中，该方法也被引入到地层建模、矿体建模及地下岩石属性的建模中。杨鸿翼等(2008)将MC算法用于矿化等值面提取及三维模拟；夏艳华等(2012)采用MC算法实现了三维地层建模；赵玲等(2018)采用MC算法用于建立三维数字岩心模型；王铮(2018)采用MC算法，利用地质勘探剖面数据建立矿体的表面模型。

综合分析以上对于MC方法的应用上，大多数的文献只是讨论了该方法在特定领域的应用上，对于方法原理、构型设计讨论不多。而且均是讨论针对单一等值面的构建问题，现有技术中缺乏对于利用岩石的物性数据场来构建多个属性等值面的情况的研究。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中岩石物性结构三维建模的准确性和效率较低的问题的岩石物性结构三维建模的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种岩石物性结构三维建模的方法，其包括如下步骤：

S1、获取地球物理测井数据和钻孔空间信息数据，建立地下岩石物性的三维数据场；

S2、选择岩石物性参数值或参数值组合，确定物性参数值的值域范围；

S3、将满足物性参数值域范围的三维数据场中的网格节点值映射为网格节点状态值；

S4、将相邻八个网格节点状态值组合成六面体，并根据六面体的网格节点状态值计算索引值并选择对应的体构型；

S5、根据所述索引值，建立体构型和构型关系表；

S6、根据构型关系表，计算体构型上的物性等值面与六面体棱边的交点坐标；

S7、遍历所有网格节点，重复S6，得到物性等值面与所有六面体棱边的交点坐标；

S8、根据构型关系表，将所有交点连接成三角网，得到岩石物性结构的三维模型。

进一步地，地球物理测井数据包括波速、密度、孔隙度、电阻率；钻孔空间信息数据包括钻孔坐标，孔深、测斜。

进一步地，建立地下岩石物性的三维数据场的方法包括基于地层约束的线性插值算法和反距离加权插值算法。

进一步地，将满足物性参数值域范围的三维数据场中的网格节点值映射为网格节点状态值的方法包括：

S1、统计三维数据场中所有网格节点物性值的分布范围，并将其映射到设定的有限颜色空间中；

S2、从物性参数值中选取若干物性值作为比较值；

S3、将比较值对应到有限颜色空间中，确定比较值的邻域范围；

S4、遍历整个网格节点，将所有节点的物性值分别与比较值进行比较，当节点的物性值位于任一比较值所在有限颜色空间的邻域内时，则将物性值对应的节点状态值设置为1；

当节点的物性值位于所有比较值所在有限颜色空间的邻域外时，则将物性值对应的节点状态值设置为0。

进一步地，有限颜色空间为包含有限个离散的物性值点的空间和点对应的RGB颜色值。

进一步地，索引值为包含六面体的所有网格节点状态值的数组。

进一步地，构型关系表包括与索引值对应的体构型类型、每个构型中的三角面连接顺序表；构型关系表与索引值一一对应。

进一步地，建立体构型的方法包括如下步骤：

s1、对六面体中的相邻两个节点的状态值进行判断，当两个节点状态值不同时，则两个节点对应的棱边存在一个交点；

S2、将棱边的交点按构型关系表上的连接顺序进行三角网连接，构成封闭的三角形面；

S3、对生成的若干三角形面进行比较，取使整个体构型体积最大化的三角形面，为体构型结构面；

S4、将所有体构型结构面连接，得到目标体构型。

进一步地，根据构型关系表，确定体构型上的物性等值面与六面体棱边的交点坐标的方法包括如下步骤：

S1、建立空间直角坐标系，选择一个网格节点作为坐标原点，按照右手螺旋法则，选择六面体的三个相交棱边为坐标系的三个坐标轴；

S2、选择一个等值面，将等值面上与棱边相交的直线投影到坐标系中，以计算等值面对应直线与坐标轴的交点坐标；

S3、每个棱边上选取最靠近显示状态为0的节点的交点，作为等值面与六面体的棱边的交点；

S4、重复步骤S2和S3，对体构型的每个等值面均进行计算，直到得到体构型所有棱边的交点坐标。

进一步地，计算等值面对应直线与坐标轴的交点的坐标的计算公式为：

其中，i为网格节点组合成的六面体单元编号，p_x(i)、p_y(i)、p_z(i)分别为等值面与六面体单元i的三个棱边的交点坐标，n为组合的等值面数量，x、y、z分别为六面体单元的三条棱边组成的三个坐标轴；dx、dy、dz为棱边方向，沿着坐标轴方向，如果棱边节点状态从1到0，则棱边方向为正，否则为负。

本发明提供的上述岩石物性结构三维建模的方法的主要有益效果在于：

本发明通过生成体构型建模，相对于现有的MC算法，能够减小计算量，提高建模效率，降低存储消耗。

通过对组合等值面进行交点计算，能够针对多种物性组合生成不同状态下的三维结构模型，相对于现有技术中针对单一的物性等值面，适用范围更广。

采用最大化凸轮廓的体构型设计，能够保证各种构型三角形连接的正确性，从而避免了传统算法的二义性问题；同时，相比于传统的面构型设计，体构型设计可以直接生成地层的体模型，更适合于地层建模。

本方案相对于现有MC算法在多个等值面的计算过程中，每一次等值面的计算都需要遍历所有网格，导致的随着等值面数量的增加，计算时间呈线性增长。通过采用了组合等值面计算方法，在同一六面体内进行了组合交点坐标的计算，节省了对大量空白网格的检索时间，随着等值数量的增加，计算时间基本保持一个恒定范围。同时，由于每条棱边只保留一个交点坐标，还大大节省了存储空间。

附图说明

图1为本发明岩石物性结构三维建模的方法的流程图。

图2为本发明提供的体构型的结构示意图。

图3为有限颜色空间与物性值的映射关系示意图。

图4为等值面上的交点选择示意图。

图5为面构型和体构型生成的三维模型示意图。

图6为面构型和体构型建模的时间对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为本发明岩石物性结构三维建模的方法的流程图。

本发明的岩石物性结构三维建模的方法包括如下步骤：

S1、获取地球物理测井数据和钻孔空间信息数据，建立地下岩石物性的三维数据场。

具体的，地球物理测井数据即为岩石物性参数数据，通过钻孔空间信息数据以便对岩石物性参数数据建立空间坐标系。岩石物性参数数据包括波速、密度、孔隙度、电阻率等；钻孔空间信息数据包括钻孔坐标，孔深、测斜等。

建立地下岩石物性的三维数据场的方法包括基于地层约束的线性插值算法和反距离加权插值算法。

建立得到的三维数据场为包含空间坐标信息的岩石物性参数值的网格节点值。

S2、选择岩石物性参数值或参数值组合，确定物性参数值的值域范围。

从岩石物性参数值中选择待研究的若干种岩石物性参数值或岩石物性参数值组合，并限定岩石物性参数值或参数值组合的值域范围，作为岩石物性结构三维建模的范围。

S3、将满足物性参数值域范围的三维数据场中的网格节点值映射为网格节点状态值。

具体的，将三维数据场中的网格节点值映射为网格节点状态值的方法包括：

S3-1、统计三维数据场中所有网格节点物性值的分布范围，并将其映射到设定的有限颜色空间中。

如图3所示，有限颜色空间为包含有限个离散的物性值点空间和点对应的RGB颜色值；具体映射方法为在有限颜色空间中找到与三维数据场中的网格节点的物性值相对应的邻域范围。

S3-2、从物性参数值中选取若干物性值作为比较值。

可选的，比较值可选择若干个等差物性值对应点，如图3所示，或根据三维数据场中的数据对应的物性值的分布，人为选择分布较为集中的物性值对应点。

S3-3、将比较值对应到有限颜色空间中，确定比较值的邻域范围。

S3-4、遍历整个网格节点，将所有节点的物性值分别与比较值进行比较，当节点的物性值位于任一比较值所在有限颜色空间的邻域内时，则将物性值对应的节点状态值设置为1；当节点的物性值位于所有比较值所在有限颜色空间的邻域外时，则将物性值对应的节点状态值设置为0。

可选的，领域大小可根据物性值的数量级设置。

S4、将相邻八个网格节点状态值组合成六面体，并根据六面体的网格节点状态值计算索引值并选择对应的体构型。

其中，索引值为包含六面体的所有网格节点状态值的数组，其计算方法为：

将八个网格节点编号为0至7，根据节点状态排列成8个二进制数值，即8位二进制值，该八位二进制值的十进制值即为索引值。例如00001111，其索引值即为15。

S5、根据索引值，建立体构型和构型关系表。

具体的，构型关系表包括与索引值对应的体构型类型、每个构型中的三角面连接顺序表；构型关系表与索引值一一对应。

如图2所示，建立体构型的方法包括如下步骤：

S5-1、对六面体中的相邻两个节点的节点状态值进行判断，当节点状态值不同时，则两个节点所在的棱边存在一个交点。

S5-2、将棱边的交点按构型关系表上的连接顺序进行三角网连接，构成封闭的三角形面。

依次找出所有交点存在的棱边，将相邻棱边交点进行三角形连接，构成若干封闭的三角形面。

S5-3、对生成的若干三角形面进行比较，取使整个体构型体积最大化的三角形面，为体构型结构面。

多个三角形面间围成的体构型也存在多个体积不同的多面体。根据最大化凸轮廓原则，选择使整个体构型体积最大化的三角形面，作为体构型结构面，能够有效避免二义性的问题，从而减小计算工作量，提升建模效率，如图6所示。

S5-4、将所有体构型结构面连接，得到目标体构型。

直接生成地层的体构型而不是面构型，更适用于地层建模，方便对岩石物性的进一步研究。

S6、根据构型关系表，计算体构型上的物性等值面与六面体棱边的交点坐标。

其具体计算方法包括如下步骤：

S6-1、建立空间直角坐标系，选择一个网格节点作为坐标原点，按照右手螺旋法则，选择六面体的三个相交棱边为坐标系的三个坐标轴。

S6-2、选择一个等值面，将等值面上与棱边相交的直线投影到坐标系中，以计算等值面对应直线与坐标轴的交点的坐标。

具体的，计算等值面对应直线与坐标轴的交点的坐标的计算公式为：

其中，i为网格节点组合成的六面体单元编号，px(i)、py(i)、pz(i)分别为等值面与六面体单元i的三个棱边的交点坐标，n为组合的等值面数量，x、y、z分别为六面体单元的三条棱边组成的三个坐标轴；dx、dy、dz为棱边方向，沿着坐标轴方向，如果棱边节点状态从1到0，则棱边方向为正，否则为负。

S6-3、每个棱边上最靠近显示状态为0的节点的交点，即为等值面与六面体棱边的交点。

判断最靠近显示状态为0的节点的方法为计算棱边上交点到节点的距离值，距离值最小的点即为目标交点，如图4所示。

S6-4、重复步骤S6-2和S6-3，对体构型的每个等值面均进行计算，直到得到体构型所有棱边的交点坐标。

得到体构型所有上述目标交点，以进行建模。

S7、遍历所有网格节点，重复S6，得到物性等值面与所有六面体棱边的交点坐标。

S8、根据构型关系表，将所有交点连接成三角网，得到岩石物性结构的三维模型。

通过遍历所有网格节点，得到所有六面体单元的棱边交点及体构型，并根据构型关系表上的连接顺序，将棱边交点连接成三角网，从而得到岩石物性结构的三维模型的具体结构和坐标，完成岩石物性结构的三维建模。如图5所示，为地下空间的三维工程的进一步地质分析提供重要的数据基础。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种岩石物性结构三维建模的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取地球物理测井数据和钻孔空间信息数据，建立地下岩石物性的三维数据场；

S2、选择岩石物性参数值或参数值组合，确定物性参数值的值域范围；

S3、将满足物性参数值域范围的三维数据场中的网格节点值映射为网格节点状态值，其中，将满足物性参数值域范围的三维数据场中的网格节点值映射为网格节点状态值的方法包括：

S31、统计三维数据场中所有网格节点物性值的分布范围，并将其映射到设定的有限颜色空间中；

S32、从物性参数值中选取若干物性值作为比较值；

S33、将比较值对应到有限颜色空间中，确定比较值的邻域范围；

S34、遍历整个网格节点，将所有节点的物性值分别与比较值进行比较，当节点的物性值位于任一比较值所在有限颜色空间的邻域内时，则将物性值对应的节点状态值设置为1；

当节点的物性值位于所有比较值所在有限颜色空间的邻域外时，则将物性值对应的节点状态值设置为0；

S4、将相邻八个网格节点状态值组合成六面体，并根据六面体的网格节点状态值计算索引值并选择对应的体构型；

S5、根据所述索引值，建立体构型和构型关系表；

S6、根据构型关系表，计算体构型上的物性等值面与六面体棱边的交点坐标；

S7、遍历所有网格节点，重复S6，得到物性等值面与所有六面体棱边的交点坐标；

S8、根据构型关系表，将所有交点连接成三角网，得到岩石物性结构的三维模型。

2.根据权利要求1所述的岩石物性结构三维建模的方法，其特征在于，所述地球物理测井数据包括波速、密度、孔隙度、电阻率；钻孔空间信息数据包括钻孔坐标，孔深、测斜。

3.根据权利要求2所述的岩石物性结构三维建模的方法，其特征在于，所述建立地下岩石物性的三维数据场的方法包括基于地层约束的线性插值算法和反距离加权插值算法。

4.根据权利要求1所述的岩石物性结构三维建模的方法，其特征在于，所述有限颜色空间为包含有限个离散的物性值点的空间和点对应的RGB颜色值。

5.根据权利要求1所述的岩石物性结构三维建模的方法，其特征在于，所述索引值为包含六面体的所有网格节点状态值的数组。

6.根据权利要求5所述的岩石物性结构三维建模的方法，其特征在于，所述构型关系表包括与索引值对应的体构型类型、每个构型中的三角面连接顺序表；构型关系表与索引值一一对应。

7.根据权利要求6所述的岩石物性结构三维建模的方法，其特征在于，所述建立体构型的方法包括如下步骤：

s1、对六面体中的相邻两个节点的状态值进行判断，当两个节点状态值不同时，则两个节点对应的棱边存在一个交点；

S2、将棱边的交点按构型关系表上的连接顺序进行三角网连接，构成封闭的三角形面；

S3、对生成的若干三角形面进行比较，取使整个体构型体积最大化的三角形面，为体构型结构面；

S4、将所有体构型结构面连接，得到目标体构型。

8.根据权利要求7所述的岩石物性结构三维建模的方法，其特征在于，所述根据构型关系表，确定体构型上的物性等值面与六面体棱边的交点坐标的方法包括如下步骤：

S1、建立空间直角坐标系，选择一个网格节点作为坐标原点，按照右手螺旋法则，选择六面体的三个相交棱边为坐标系的三个坐标轴；

S2、选择一个等值面，将等值面上与棱边相交的直线投影到坐标系中，以计算等值面对应直线与坐标轴的交点坐标；

S3、每个棱边上选取最靠近显示状态为0的节点的交点，作为等值面与六面体的棱边的交点；

S4、重复步骤S2和S3，对体构型的每个等值面均进行计算，直到得到体构型所有棱边的交点坐标。

9.根据权利要求7所述的岩石物性结构三维建模的方法，其特征在于，所述计算等值面对应直线与坐标轴的交点的坐标的计算公式为：

其中，i为网格节点组合成的六面体单元编号，p_x(i)、p_y(i)、p_z(i)分别为等值面与六面体单元i的三个棱边的交点坐标，n为组合的等值面数量，x、y、z分别为六面体单元的三条棱边组成的三个坐标轴；dx、dy、dz为棱边方向，沿着坐标轴方向，如果棱边节点状态从1到0，则棱边方向为正，否则为负。

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