CN112053437A - 一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，本发明能够基于有限数量的勘探采集数据，通过数据预处理、等值线计算生成、关联等值线查找和表面多边形元构建等方法完成三维建模，再利用三维显示方法生成表面平滑、形象逼真的三维体；通过设置定义构成表面的多边形元，表面多边形元构建时从任意一个关联等值线中一条等值线的一个端点出发，顺着等值线连接方向，通过生长遍历算法构建该关联等值线对应的表面多边形元。本发明完成的三维体能够进行参数设置和切片显示操作，能够很好的细化表达和显示地球物理勘探数据；本发明建模方法数据处理能力强，在同等数据量情况下计算开销相对较小。

Description

一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法。

背景技术

地质三维建模是在将地质、测井、地球物理资料和各种解释结果或者概念模型等进行综合分析的基础上，利用计算机图形技术生成的三维定量随机模型。针对地球物理勘探的方法主要有磁法勘探、电法勘探、地震勘探等，通过此类物探设备采集的数据在三维空间中都是离散分布的，在利用这些离散分布的数据进行三维建模时，为了尽量逼真的还原真实的地质构造，需要的数据越多越好。

但是受地质构造、勘探技术和勘探成本限制，勘探采集数据总量是有限的。现有技术中的一些三维建模系统(包括行业通用软件和一些专业软件)在处理目前常规的、规模有限的勘探采集数据时，由于数据量较少，其建模后的模型较为粗糙，建模呈现出的三维图外轮廓不够连续平滑，不能逼真的体现真实的地质构造；而且现有的一些系统软件在三维可视化方面的显示效果不好，不能够针对地质构造中的某些参数特性进行很好的细化表达和显示，不能很好的满足地球物理勘探用户的使用要求，需要不断的进行改进，以便更加有利于地球物理勘探行业数字化发展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，在允许的计算开销内，能够基于有限数量的勘探采集数据，通过数据预处理、等值线关联查找和表面多边形元构建等方法，再利用三维显示方法生成表面平滑、形象逼真的三维体，完成的三维体能够进行参数设置和切片显示操作，能够很好的细化表达和显示地球物理勘探数据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，包括如下步骤：

S1、数据预处理：将物探设备采集的数字信号经过处理或转化得到带空间坐标的测量数据集合，测量数据在三维坐标空间中形成空间离散数据，再通过映射和插值计算得到赋值的三维立体网格，三维立体网格中包含多个划分的网格平面；

S2、等值线计算生成：通过等值线追踪算法计算得到三维立体网格中各个网格平面上赋值数据对应的等值线集合；

S3、关联等值线查找：根据三维立体网格中网格平面间的等值线间存在交叉的原理，通过循环遍历和递归遍历的算法，找到三维坐标空间中存在空间关联的所有等值线集合；

S4、表面多边形元构建：从任意一个关联等值线中一条等值线的一个端点出发，顺着等值线连接方向，通过生长遍历算法构建该关联等值线对应的所有表面多边形元；循环完成所有关联等值线所属的所有表面多边形元构建；

S5、三维显示：将构建好的每个多边形元都分解为三角形单元集合，再通过三角形单元集合进行三维显示，通过纹理贴图绘制出三维坐标空间中的仿真三维体。

进一步的，所述步骤S1中的数据预处理包括：

S11、数据获取：将物探设备采集的数字信号经过处理或转化得到带空间坐标的测量数据集合，测量数据集合的类型包括电压、电阻率、电导率、场强、吸收系数、频率、速度、能量、透射系数、力值、温度特征数据；

S12、构建三维立体网格：依据上述测量数据集合的幅值范围计算确定坐标轴中X、Y、Z三轴的最大值，对X、Y、Z三轴分别进行网格平面划分，确定一个包含nX*nY*nZ网格平面的三维立体网格，由nX*nY*nZ网格平面交叉形成的空间交点为网格点；

S13、数据网格映射：将上述测量数据集合分别映射到三维立体网格中的各个网格点上，映射时通过计算将各个测量数据对应赋值给最接近的网格点，得到部分网格点被赋值的三维立体网格；

S14、插值计算：对于三维立体网格中没有实际测量数据对应赋值的网格点，通过空间插值算法补足数据，使三维立体网格内所有的网格点上都有插值后对应的赋值数据。

进一步的，所述步骤S12中对坐标轴进行分段时，每个轴分别根据测量数据集合的幅值范围进行单独区间划分，X、Y、Z三轴方向划分的网格平面数量相同或不同。

进一步的，所述步骤S13中如有多个测量数据赋值给同一个网格点时则叠加取平均值，如无对应测量数据的网格点则赋值为零。

进一步的，所述步骤S4中的生长遍历算法为：

S41、基础定义：对空间坐标系中三个轴方向分别进行区间网格平面划分并标序、标记出起始面和结束面；对各个网格平面交叉形成的网格点标序、标记出边界点和非边界点；每个等值线包含若干个网格点以及非网格点，对每个等值线进行标序、每个等值线中每个连接点再标序、并设置每个等值线中连接线的连线标识；

S42、多边形元结构定义：每个多边形元中不能含有将其再分割成两个以上多边形元的连线，每个多边形元按顺序标号，并按顺序设置每个多边形元中各连接点的序号；每个多边形元中各个带序号的连接点包括对应的坐标和序号、所属等值线序号、所属等值线组成连接点序号和每段连线的连线标识信息；

S43、遍历构建多边形元：根据多边形元结构定义和关联等值线的连接关系，通过循环遍历和递归遍历方法，依据等值线关联的连线标识完成所有多边形元构建。

进一步的，所述步骤S43中遍历构建多边形元时，从任意一条等值线的一个连接点出发，按等值线连接顺序对周边连接点进行关联计算，判断该连接点与周边连接点能否连接构成多边形元，如果能够构成多边形元则对应的等值线连线标识加1，然后继续由周边连接点扩散查找，直至对应的连线标识都累加至2，完成一个关联等值线所属的所有多边形元构建；然后再依序完成所有关联等值线所属的多边形元构建。

进一步的，所述仿真三维体能够在三维立体网格中按XY、YZ、XZ网格平面切片分解显示。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明能够基于有限数量的勘探采集数据，通过数据预处理、等值线关联查找和表面多边形元构建等方法，再利用三维显示方法生成表面平滑、形象逼真的三维体，完成的三维体能够进行参数设置和切片显示操作，能够很好的细化表达和显示地球物理勘探数据；本发明建模方法数据处理能力强，在同等数据量情况下计算开销相对较小。

2、本发明将离散的空间数据赋值到立体网格空间中按幅值和显示需要划分设置的网格平面上，通过等值线集合构建和等值线关联，并再通过设置定义多边形元，将等值线数据再进一步进行关联处理，通过循环遍历和递归遍历方法构建出三维建模用的关联等值线，多次关联处理后的数据采用生长遍历算法构建表面多边形元，能够比较快速完成计算，遍历建模效率高。

3、本发明建模绘制的三维体能够在立体网格空间中按XY、YZ、XZ网格平面切片分解显示，并且能够根据参数类型设置后区分显示，还能够在幅值范围内任意筛选设置显示区间，能够更好的凸出需要显示的参数特征，勘探采集数据细化表达和显示效果好，显示操作设置方便。

附图说明

图1为本发明中三维坐标中空间离散数据的示意图；

图2为本发明中三维坐标中插值完成后的示意图；

图3为本发明中XY网格平面等值线的示意图；

图4为本发明中XZ网格平面等值线的示意图；

图5为本发明中YZ网格平面等值线的示意图；

图6为本发明中三轴网格平面中等值线间相交的示意图；

图7为本发明中多边形生长遍历算法的遍历示意图；

图8为本发明建模后仿真三维体在三维立体网格中显示的示意图之一；

图9为本发明建模后仿真三维体在三维立体网格中显示的示意图之二。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

参见图1-9所示，一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，包括如下步骤：

S1、数据预处理：将物探设备采集的数字信号经过处理或转化得到带空间坐标的测量数据集合，测量数据在三维坐标空间中形成空间离散数据，再通过映射和插值计算得到赋值的三维立体网格，三维立体网格中包含多个划分的网格平面；

S2、等值线计算生成：通过等值线追踪算法计算得到三维立体网格中各个网格平面上赋值数据对应的等值线集合；

S3、关联等值线查找：根据三维立体网格中网格平面间的等值线间存在交叉的原理，通过循环遍历和递归遍历的算法，找到三维坐标空间中存在空间关联的所有等值线集合；

S4、表面多边形元构建：从任意一个关联等值线中一条等值线的一个端点出发，顺着等值线连接方向，通过生长遍历算法构建该关联等值线对应的所有表面多边形元；循环完成所有关联等值线所属的所有表面多边形元构建；

S5、三维显示：将构建好的每个多边形元都分解为三角形单元集合，再通过三角形单元集合进行三维显示，通过纹理贴图绘制出三维坐标空间中的仿真三维体。

所述步骤S1中的数据预处理包括：

S11、数据获取：将物探设备采集的数字信号经过处理或转化得到带空间坐标的测量数据集合，测量数据集合的类型包括电压、电阻率(含视电阻率)、电导率、场强、吸收系数、频率、速度、能量(能量振幅)、透射系数、力值、温度特征数据；

S12、构建三维立体网格：依据上述测量数据集合的幅值范围计算确定坐标轴中X、Y、Z三轴的最大值，对X、Y、Z三轴分别进行网格平面划分，确定一个包含nX*nY*nZ网格平面的三维立体网格，由nX*nY*nZ网格平面交叉形成的空间交点为网格点；

S13、数据网格映射：将上述测量数据集合分别映射到三维立体网格中的各个网格点上，映射时通过计算将各个测量数据对应赋值给最接近的网格点，得到部分网格点被赋值的三维立体网格；

S14、插值计算：对于三维立体网格中没有实际测量数据对应赋值的网格点，通过空间插值算法补足数据，使三维立体网格内所有的网格点上都有插值后对应的赋值数据。

所述步骤S12中对坐标轴进行分段时，每个轴分别根据测量数据集合的幅值范围进行单独区间划分，X、Y、Z三轴方向划分的网格平面数量相同或不同。

所述步骤S13中如有多个测量数据赋值给同一个网格点时则叠加取平均值，如无对应测量数据的网格点则赋值为零。

所述步骤S4中的生长遍历算法为：

S41、基础定义：对空间坐标系中三个轴方向分别进行区间网格平面划分并标序、标记出起始面和结束面；对各个网格平面交叉形成的网格点标序、标记出边界点和非边界点；每个等值线包含若干个网格点以及非网格点，对每个等值线进行标序、每个等值线中每个连接点再标序、并设置每个等值线中连接线的连线标识；本实施例中默认连线标识为0；

S42、多边形元结构定义：每个多边形元中不能含有将其再分割成两个以上多边形元的连线，每个多边形元按顺序标号，并按顺序设置每个多边形元中各连接点的序号；每个多边形元中各个带序号的连接点包括对应的坐标和序号、所属等值线序号、所属等值线组成连接点序号和每段连线的连线标识信息；通过定义多边形元中有实际方向的连接点序号数组以及有序连线序号数组，所有连接点要先排序后比较，这样在遍历查找过程中比较多边形元是否相等时，保存排序后的连接点序号就能够减少查找比较多边形元时的排序次数，减少遍历查找时的计算开销。

S43、遍历构建多边形元：根据多边形元结构定义和关联等值线的连接关系，通过循环遍历和递归遍历方法，依据等值线关联的连线标识完成所有多边形元构建。

所述步骤S43中遍历构建多边形元时，从任意一条等值线的一个连接点出发，按等值线连接顺序对周边连接点进行关联计算，判断该连接点与周边连接点能否连接构成多边形元，如果能够构成多边形元则对应的等值线连线标识加1，然后继续由周边连接点扩散查找，直至对应的连线标识都累加至2，完成一个关联等值线所属的所有多边形元构建；然后再依序完成所有关联等值线所属的多边形元构建。

所述仿真三维体能够在三维立体网格中按XY、YZ、XZ网格平面切片分解显示。

本实施例中多边形生长遍历算法的举例说明如下：

参见附图7所示，用一个简化的多面体表示三维体，多面体表面上的每个顶点都有独立的序号，该多面体中有6条等值线构成，分别为kighfnmj、ebcd、keadn、ibcf、jeabg、mdch等，它们之间存在交点构成关联等值线，等值线及每个连线都设有预先定义的序号和连线标识。

遍历时先选取任意一条边如取ab有向边，如图中箭头所示，与b点相连的连接点有e、i、g、c四个点，首先判断这四个连接点是否能够与a、b点构成三边形元，可找到e与a、b构成三角形，即找到abe三边形元，保持记录，然后ab、be、ea三个连线对应的连线标识都加1；

基于关联等值线中每条连线会参与两个多边形元的构建原则，还需继续寻找以ab边为一条边的另一个多边形元，因此将剩下的i、g、c三个连接点继续扩散连接附近其他连接点，例如c点继续扩散，如图中箭头所示，找到d、f、h三连接点，判断这三个连接点是否和a点连接，图中可以看到d点和a点连接，构成四边形元，并且这个四边形元中不会出现ac、bd这样线将该四边形元分割成更小的三角形，同时如果这个四边形元中每条连线的连线标识都小于2，则这个四边形属于构成三维体的表面多边形元，这样就找到了abcd这个四边形元，此时ab有向边已经被用了两次，即ab线对应的连线标识等于2，结束对ab边所属的多边形构建查找，由ab边找到abe和abcd两个多边形元；

然后继续沿着后续连接的be、ea、bc、cd、da等边继续遍历查找，例如bc边可以找到新的bchg四边形元，这样继续下去，由一个多边形元连接出更多的多边形元，理想情况下，三维立体网格中的三维体每条边相连的多边形元必然可以找到两个，即每条边对应的连线标识都必须加到2才结束生长；直观的看，这个遍历方法就像多边形元在生长扩散出去一样，所以本发明将该方法命名为多边形元生长遍历法。

记录找到的每个关联等值线对应的所有的多边形元，将这些多边形元分解为三角形单元集合，然后使用OpenGL进行显示，通过纹理贴图绘制出三维坐标空间中的仿真三维体。

在定义设置时，处于起始面和结束面中的等值线中的连线的连线标识赋值为1。

如果遍历查找到的多边形元中的所有连接点都在同一个起始面或结束面上时，则该多边形元不能算有效；但是如果是整个关联等值线所属的所有连接点都在同一个起始面或结束面上时，则算有效，要取用。

由于OpenGL显示绘制三维体时，根据投影关系三维体有正面跟反面之分，所以在遍历查找多边形元时下一次遍历查找等值线的方向必须与前一次等值线方向相反，才能使多边形元连线方向顺序一致，即需要使每个多边形元中各连接点的连线顺序相同，为顺时针或逆时针。例如图中以ab有向边遍历查找到四边形元abcd时，其连线方向是bc方向，下一次以bc有向边追踪其他多边形元时，就需要以cb方向为有向边来遍历查找，这样遍历查找到的所有多边形元都是同一逆时针方向的面。同理，如果以ba有向边先找到bae多边形元后，ba线需要反向，即以ab方向为有向边，找出abcd多边形元。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、数据预处理：将物探设备采集的数字信号经过处理或转化得到带空间坐标的测量数据集合，测量数据在三维坐标空间中形成空间离散数据，再通过映射和插值计算得到赋值的三维立体网格，三维立体网格中包含多个划分的网格平面；

S2、等值线计算生成：通过等值线追踪算法计算得到三维立体网格中各个网格平面上赋值数据对应的等值线集合；

S3、关联等值线查找：根据三维立体网格中网格平面间的等值线间存在交叉的原理，通过循环遍历和递归遍历的算法，找到三维坐标空间中存在空间关联的所有等值线集合；

S4、表面多边形元构建：从任意一个关联等值线中一条等值线的一个端点出发，顺着等值线连接方向，通过生长遍历算法构建该关联等值线对应的所有表面多边形元；循环完成所有关联等值线所属的所有表面多边形元构建；

S5、三维显示：将构建好的每个多边形元都分解为三角形单元集合，再通过三角形单元集合进行三维显示，通过纹理贴图绘制出三维坐标空间中的仿真三维体。

2.根据权利要求1所述的一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，其特征在于：所述步骤S1中的数据预处理包括：

S11、数据获取：将物探设备采集的数字信号经过处理或转化得到带空间坐标的测量数据集合，测量数据集合的类型包括电压、电阻率、电导率、场强、吸收系数、频率、速度、能量、透射系数、力值、温度特征数据；

S12、构建三维立体网格：依据上述测量数据集合的幅值范围计算确定坐标轴中X、Y、Z三轴的最大值，对X、Y、Z三轴分别进行网格平面划分，确定一个包含nX*nY*nZ网格平面的三维立体网格，由nX*nY*nZ网格平面交叉形成的空间交点为网格点；

S13、数据网格映射：将上述测量数据集合分别映射到三维立体网格中的各个网格点上，映射时通过计算将各个测量数据对应赋值给最接近的网格点，得到部分网格点被赋值的三维立体网格；

S14、插值计算：对于三维立体网格中没有实际测量数据对应赋值的网格点，通过空间插值算法补足数据，使三维立体网格内所有的网格点上都有插值后对应的赋值数据。

3.根据权利要求2所述的一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，其特征在于：所述步骤S12中对坐标轴进行分段时，每个轴分别根据测量数据集合的幅值范围进行单独区间划分，X、Y、Z三轴方向划分的网格平面数量相同或不同。

4.根据权利要求2所述的一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，其特征在于：所述步骤S13中如有多个测量数据赋值给同一个网格点时则叠加取平均值，如无对应测量数据的网格点则赋值为零。

5.根据权利要求1所述的一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，其特征在于：所述步骤S4中的生长遍历算法为：

S41、基础定义：对空间坐标系中三个轴方向分别进行区间网格平面划分并标序、标记出起始面和结束面；对各个网格平面交叉形成的网格点标序、标记出边界点和非边界点；每个等值线包含若干个网格点以及非网格点，对每个等值线进行标序、每个等值线中每个连接点再标序、并设置每个等值线中连接线的连线标识；

S42、多边形元结构定义：每个多边形元中不能含有将其再分割成两个以上多边形元的连线，每个多边形元按顺序标号，并按顺序设置每个多边形元中各连接点的序号；每个多边形元中各个带序号的连接点包括对应的坐标和序号、所属等值线序号、所属等值线组成连接点序号和每段连线的连线标识信息；

S43、遍历构建多边形元：根据多边形元结构定义和关联等值线的连接关系，通过循环遍历和递归遍历方法，依据等值线关联的连线标识完成所有多边形元构建。

6.根据权利要求5所述的一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，其特征在于：所述步骤S43中遍历构建多边形元时，从任意一条等值线的一个连接点出发，按等值线连接顺序对周边连接点进行关联计算，判断该连接点与周边连接点能否连接构成多边形元，如果能够构成多边形元则对应的等值线连线标识加1，然后继续由周边连接点扩散查找，直至对应的连线标识都累加至2，完成一个关联等值线所属的所有多边形元构建；然后再依序完成所有关联等值线所属的多边形元构建。

7.根据权利要求1所述的一种基于等值线的地球物理勘探三维建模方法，其特征在于：所述仿真三维体能够在三维立体网格中按XY、YZ、XZ网格平面切片分解显示。

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