本發(fā)明屬于石油勘探開發(fā)領域，特別涉及一種基于地震解釋數(shù)據(jù)的地質(zhì)體閉合曲面三維重建方法。

背景技術：

現(xiàn)三維地質(zhì)建模起源于油田對油氣資源管理和開采設計的需求而發(fā)展起來的計算機輔助設計技術。所謂的三維地質(zhì)建模技術是指運用計算機技術，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解釋、空間分析和預測、地質(zhì)統(tǒng)計、實體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，通過構(gòu)建地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)、各構(gòu)造要素之間的關系以及地質(zhì)體空間物性分布等地質(zhì)特征的數(shù)學模型，用于地質(zhì)分析的技術。

三維地質(zhì)建模一大難點就是地質(zhì)體的處理。本方法的目的在于重構(gòu)地質(zhì)體閉合曲面三維模型，可用于地質(zhì)體形態(tài)分析，也可為三維地質(zhì)建模打下基礎。

基于地震解釋數(shù)據(jù)的地質(zhì)體閉合曲面三維重建本質(zhì)上屬于曲面重建技術。曲面重建是近二十年來出現(xiàn)在計算機輔助設計、醫(yī)學成像、計算機圖形學和智能城市等領域中的一個熱點問題。其主要目的是從由實物或樣件上采集的三維數(shù)據(jù)快速準確高效地獲取其復雜的三維表面模型的過程，目前在逆向過程中應用較多。所謂逆向工程，是利用電子儀器從實物或樣件上采集原始數(shù)據(jù)，在利用計算機設備將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成概念模型，并在此基礎上對產(chǎn)品進行分析、修改及優(yōu)化等相關信息的技術。

曲面重建技術中大多用到的數(shù)據(jù)是點云數(shù)據(jù)(pointcloud)。之所以稱為點云數(shù)據(jù)是因為測量設備采集的三維數(shù)據(jù)通常比較密集。點云數(shù)據(jù)可認為是三維空間中點的集合，每個點云具有x、y、z三個方向的坐標值。按照數(shù)據(jù)的組織形式不同，點云數(shù)據(jù)可分為有序點云和散亂點云。曲面重構(gòu)大致可以分為顯式曲面重構(gòu)和隱式曲面重構(gòu)兩類方法。顯式曲面重構(gòu)方法提出較早，一般通過點云的參數(shù)化過程來實現(xiàn)曲面重構(gòu)。隱式曲面重構(gòu)方法通過計算隱式函數(shù)的某一等值曲面來逼近點云。本方法用到的泊松曲面重構(gòu)屬于隱式曲面重構(gòu)，隱式曲面有如下優(yōu)點：(1)隱式函數(shù)容易判斷給定點與曲面的位置關系；(2)隱式曲面對于求交、求并等幾何操作有運算封閉性，在實際幾何造型中經(jīng)過這些操作的曲面仍然可以保持為隱式曲面；(3)隱式函數(shù)能用簡單的方式描述具有任意復雜幾何形狀的曲面，即使經(jīng)過任意拓撲變化都能保持表達形式不變，能適用于包括變形模型在內(nèi)的多種重構(gòu)方法。

然而，由于地下地質(zhì)情況復雜多變，數(shù)據(jù)獲取成本高、難度大，想要獲得采樣密集的地質(zhì)體點云數(shù)據(jù)幾乎是不可能的。通常由地震解釋數(shù)據(jù)獲得的地質(zhì)體數(shù)據(jù)由一系列polygon組成，每個polygon由若干個離散點列構(gòu)成?，F(xiàn)有的曲面重構(gòu)方法有以下幾個問題：(1)現(xiàn)有的曲面重構(gòu)方法主要是基于點云的幾何約束，不適合重構(gòu)采樣點稀少的地質(zhì)曲面重構(gòu)；(2)對曲面的功能約束研究相對較少；(3)重構(gòu)工程領域中的功能曲面即使可以滿足幾何精度要求，卻很難符合其物理性能需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中所存在的上述不足，提供一種基于地震解釋數(shù)據(jù)的地質(zhì)體閉合曲面三維重建方法，該方法利用圖像處理和計算機圖形學等技術由少量離散點數(shù)據(jù)進行曲面重建得到地質(zhì)體閉合曲面三維模型，不但可以直觀準確反映地質(zhì)形態(tài)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間任意顯示、旋轉(zhuǎn)和縮放等操作。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：

一種基于地震解釋數(shù)據(jù)的地質(zhì)體閉合曲面三維重建方法，其特征在于對采樣點十分稀疏的polygon離散點列重建出地質(zhì)體的外表面模型，包括以下幾個步驟：

步驟1：對輸入數(shù)據(jù)離散點的xyz坐標變化范圍進行正則化處理，使離散點的xyz坐標變化范圍在同一數(shù)量級；

步驟2：利用b-樣條擬合算法擬合正則化后的數(shù)據(jù)，再采用重采樣的方法對擬合后的數(shù)據(jù)進行加密處理，得到加密后的點集數(shù)據(jù)；

步驟3：對加密后的點集數(shù)據(jù)創(chuàng)建離散點法向量場，選取局部鄰域點集個數(shù)，由選取的局部鄰域點集擬合局部平面，對局部鄰接平面取平均，得局部鄰接平面法向量均值即為離散點法向量；

步驟4：離散點法向量方向進行一致化處理，將全部離散點法向量方向處理成指向處理成指向閉合體外側(cè)；

步驟5：對一致化后的離散點法向量場求泊松方程得到指示函數(shù)，通過計算指示函數(shù)提取對應的等值面，這樣就可以初步得到重建的泊松曲面；

步驟6：利用拉普拉斯平滑、網(wǎng)格細分處理重建的泊松曲面，加大網(wǎng)格平滑程度和對細節(jié)的表現(xiàn)能力；

步驟7：利用步驟1正則化處理的參數(shù)進行反正則化處理，使反正則化處理的結(jié)果返回步驟1輸入數(shù)據(jù)所在坐標系下的坐標，地質(zhì)體閉合曲面三維模型的重建完成。

上述技術方案中，所述步驟1具體有以下幾個步驟：

步驟1.1：先求取數(shù)據(jù)離散點最小包圍盒；

步驟1.2：由包圍盒知包圍盒xyz坐標變化范圍，根據(jù)包圍盒xyz坐標變化范圍，對所有點坐標除以相應的變化范圍；

步驟1.3：步驟1.2的結(jié)果再乘以一個振幅值，正則化處理完成。

步驟1.3的振幅值默認為200，可由用戶設定。

所述步驟2重采樣后點數(shù)相對于重采樣前點數(shù)的倍數(shù)默認為2倍，倍數(shù)值可由用戶調(diào)節(jié)。

上述技術方案中，所述步驟3創(chuàng)建離散點法向量場，具體有以下幾個步驟：

步驟3.1：用knn算法獲取離散點最近的k個鄰點，用最小二乘逼近法計算擬合k個鄰點及其鄰接點集的局部鄰接平面，然后求鄰接平面法向量

步驟3.2：由局部鄰接平面法向量均值求出頂點法向量

其中，i、j是整數(shù)，i>0用于標記點集數(shù)據(jù)中的點，vi是其中的任意一點，稱為頂點，0<j≤k用于標記第i個點數(shù)據(jù)的k近鄰域區(qū)域中的點，pi,j是k近鄰域中的任意一點，fi,j是vi點與pi,j點構(gòu)成的局部鄰接平面，d為vi點到坐標原點的距離，θ是高斯權(quán)重函數(shù)，它以每個pi,j點在三維坐標平面上的投影點p0,j的距離為參數(shù)，符合||pi,j-p0,j||表示pi,j點與p0,j點之間的距離，函數(shù)表示在約束條件d下求得法向量的最小化的坐標；

其中，局部領域點集個數(shù)對重建結(jié)果影響很大，默認為50，可由用戶調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍需小于輸入離散點的個數(shù)。

上述技術方案中，所述步驟4的法向量方向一致化，包括以下幾個步驟：

步驟4.1：計算所有步驟2加密后離散點的中心點；

步驟4.2：連接步驟4.1中得到的中心點與法向量的起點構(gòu)成新的向量；

步驟4.3：計算新向量與法向量的夾角α，若α大于90°，則該向量方向為指向閉合體內(nèi)側(cè)，進入步驟4.4；若α小于或等于90°，則該向量方向為指向閉合體外側(cè)；

步驟4.4：將所有方向指向閉合體外側(cè)的法向量乘以-1，使所有法向量方向都朝向了閉合體的外側(cè)。

上述技術方案中，所述步驟6的拉普拉斯平滑是為了處理原始數(shù)據(jù)可信度不高，可能存在大量噪聲的情況，拉普拉斯平滑指選定一個局部鄰域，對該領域中的每個點由鄰域中所有點的平均值代替，從而達到消除異常點，平滑網(wǎng)格的目的。

上述技術方案中，所述步驟6的網(wǎng)格細分采用的是loop細分法則，loop細分法則按照1-4三角形分裂，每條邊計算生成一個新的頂點即e頂點，loop細分前的離散點為原始頂點，每個原始頂點更新位置，需要更新位置的頂點稱為v頂點。

新增的頂點位置以及原始頂點位置更新規(guī)則如下：

1)網(wǎng)格內(nèi)部v-頂點位置：

設內(nèi)部頂點v0的相鄰點分別為v1、v2、…、vn，則該頂點更新后位置為

其中

2)網(wǎng)格邊界v-頂點位置：

設邊界頂點v0的兩個相鄰點分別為v1、v2，則該頂點更新后位置

3)網(wǎng)格內(nèi)部e-頂點位置：

設內(nèi)部邊的兩個端點分別為v0、v1，相對的兩個頂點分別為v2、v3，則新增的頂點位置為

4)網(wǎng)格邊界e-頂點位置：

設邊界邊的兩個端點分別為v0、v1，則新增的頂點位置為

上述技術方案中，所述步驟7得到的地質(zhì)體閉合曲面三維模型在豎直方向上的深度是時間深度，如果要與實際地下地質(zhì)體對應，還需要做相應的時深轉(zhuǎn)化處理。

上述技術方案中，所述步驟7得到的地質(zhì)體閉合曲面三維模型作為地質(zhì)屬性建模提供形態(tài)約束，在地質(zhì)體曲面三維模型內(nèi)部填充屬性值，即得到真正的三維實體模型，用于指導油田的勘探開發(fā)，如油田的井位布置、為油田數(shù)值模擬提供基礎模型等。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果：

(1)能夠直接利用地震解釋數(shù)據(jù)重建出地下閉合體形態(tài)結(jié)構(gòu)，精確直觀顯示地質(zhì)體的位置信息；

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)體在三維空間內(nèi)任意顯示、旋轉(zhuǎn)和縮放，有助于直觀準確了解地質(zhì)信息；

(3)能夠較好解決地質(zhì)體數(shù)據(jù)的稀疏離散且可信度不高的問題，重構(gòu)出完整的地質(zhì)體閉合曲面；

(4)可移植到c++平臺下運行，并且也可以移植到其他平臺。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明地質(zhì)體閉合曲面三維重建方法的流程框圖；

圖2為原始地震解釋數(shù)據(jù)的離散點示意圖；

圖3為離散數(shù)據(jù)點xyz坐標變化范圍正則化示意圖；

圖4為b-樣條擬合與重采樣示意圖；

圖5為創(chuàng)建離散數(shù)據(jù)點法向量示意圖；

圖6為初步創(chuàng)建的泊松曲面；

圖7為拉普拉斯平滑示意圖；

圖8為loop網(wǎng)格細分示意圖；

圖9為依照本發(fā)明實施例的地質(zhì)體閉合曲面三維重建結(jié)果示意圖；

圖10為內(nèi)部充填屬性值后的地質(zhì)體模型示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合試驗例及具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實現(xiàn)的技術均屬于本發(fā)明的范圍。

一種基于地震解釋數(shù)據(jù)的地質(zhì)體閉合曲面三維重建方法，其特征在于對采樣點十分稀疏的polygon離散點列重建出地質(zhì)體的外表面模型，包括以下幾個步驟：

步驟1：對輸入數(shù)據(jù)離散點的xyz坐標變化范圍進行正則化處理，使離散點的xyz坐標變化范圍在同一數(shù)量級之間；

具體地，圖2是為正則化的離散數(shù)據(jù)，圖3是正則化后的示意圖，包括以下幾個步驟：

步驟1.1：先求取數(shù)據(jù)離散點最小包圍盒；

步驟1.2：由包圍盒知包圍盒xyz坐標變化范圍，根據(jù)包圍盒xyz坐標變化范圍，對所有點坐標除以相應的變化范圍；

步驟1.3：步驟1.2的結(jié)果再乘以一個振幅值，完成正則化處理。

步驟1.3中的振幅值默認為200，可由用戶設定。

步驟2：利用b-樣條擬合算法擬合正則化后的數(shù)據(jù)，再采用重采樣的方法對擬合后的數(shù)據(jù)進行加密處理，得到加密后的點集數(shù)據(jù)；

具體地，步驟2中主要涉及空間離散點插值算法，由于地震解釋的地質(zhì)體數(shù)據(jù)可信度不是很高，不要求必須保留原始點的空間位置，所以采用b-樣條擬合的算法加密原始點數(shù)據(jù)，這樣既加密了數(shù)據(jù)，又保留了數(shù)據(jù)的變化趨勢，處理結(jié)果如圖4所示。

所述步驟2重采樣后點數(shù)相對于重采樣前點數(shù)的倍數(shù)默認為2倍，倍數(shù)值可由用戶調(diào)節(jié)。

步驟3：對加密后的點集數(shù)據(jù)創(chuàng)建離散點法向量場，選取局部鄰域點集個數(shù)，由選取的局部鄰域點集擬合局部平面，局部鄰接平面法向量均值即為離散點法向量；

具體地，包括以下幾個步驟：

步驟3.1：用knn算法獲取離散點最近的k個鄰點，用最小二乘逼近法計算擬合k個鄰點及其鄰接點集的局部鄰接平面，然后求鄰接平面法向量

步驟3.2：由局部鄰接平面法向量均值求出離散點法向量

其中，i、j是整數(shù)，i>0用于標記點集數(shù)據(jù)中的點，vi是其中的任意一點，稱為頂點，0<j≤k用于標記第i個點數(shù)據(jù)的k近鄰域區(qū)域中的點，pi,j是k近鄰域中的任意一點，fi,j是vi點與pi,j點構(gòu)成的局部鄰接平面，d為vi點到坐標原點的距離，θ是高斯權(quán)重函數(shù)，它以每個pi,j點在三維坐標平面上的投影點p0,j的距離為參數(shù)，符合||pi,j-p0,j||表示pi,j點與p0,j點之間的距離，函數(shù)表示在約束條件d下求得法向量的最小化的坐標；

其中，局部領域點集個數(shù)對重建結(jié)果影響很大，默認為50，可由用戶調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍需小于輸入離散點的個數(shù)。

步驟4：離散點法向量方向一致化處理，將全部法向量方向處理成指向處理成指向閉合體外側(cè)；

具體地，包括以下幾個步驟：

步驟4.1：計算步驟2加密后離散點的中心點；

步驟4.2：連接步驟4.1中得到的中心點與法向量的起點構(gòu)成新的向量；

步驟4.3：計算新向量與法向量的夾角α，若α大于90°，則該向量方向為指向閉合體內(nèi)側(cè)；若α小于或等于90°，則該向量方向為指向閉合體外側(cè)；

步驟4.4：將所有方向指向閉合體外側(cè)的法向量乘以-1，使所有法向量方向都朝向了閉合體的外側(cè)，如圖5所示。

步驟5：對一致化后的法向量場求泊松方程得到指示函數(shù)，然后通過計算指示函數(shù)提取對應的等值面，這樣就可以初步得到重建的泊松曲面，如圖6所示；

步驟6：利用拉普拉斯平滑、網(wǎng)格細分處理重建的泊松曲面，加大網(wǎng)格平滑程度和對細節(jié)的表現(xiàn)能力；

具體地，包括以下步驟：

步驟6.1：圖7是拉布拉斯平滑示意圖，拉普拉斯平滑是為了處理原始數(shù)據(jù)可信度不高，可能存在大量噪聲的情況，拉普拉斯平滑指選定一個局部鄰域，對局部領域中的每個點由鄰域中所有點的平均值代替，從而達到消除異常點，平滑網(wǎng)格的目的。

步驟6.2：loop網(wǎng)格細分

圖8是loop網(wǎng)格細分示意圖，loop細分法則按照1-4三角形分裂，每條邊計算生成一個新的頂點即e頂點，loop細分前的離散點為原始頂點，每個原始頂點更新位置，需要更新位置的頂點稱為v頂點。

新增的頂點位置以及原始頂點位置更新規(guī)則如下：

(1)網(wǎng)格內(nèi)部v-頂點位置：

設內(nèi)部頂點v0的相鄰點分別為v1、v2、…、vn，則該頂點更新后位置為

其中

(2)網(wǎng)格邊界v-頂點位置：

設邊界頂點v0的兩個相鄰點分別為v1、v2，則該頂點更新后位置

(3)網(wǎng)格內(nèi)部e-頂點位置：

設內(nèi)部邊的兩個端點分別為v0、v1，相對的兩個頂點分別為v2、v3，則新增的頂點位置

(4)網(wǎng)格邊界e-頂點位置：

設邊界邊的兩個端點分別為v0、v1，則新增的頂點位置為

步驟7：利用步驟1正則化處理的參數(shù)進行反正則化處理，使反正則化處理的結(jié)果返回步驟1輸入數(shù)據(jù)所在坐標系的坐標，地質(zhì)體閉合曲面三維模型的重建完成，重建的模型如圖9所示。

步驟8：利用得到的地質(zhì)體閉合曲面三維模型作為地質(zhì)屬性建模提供形態(tài)約束，在地質(zhì)體曲面三維模型內(nèi)部填充屬性值即得到真正的三維實體模型，如圖10所示。