三维地质建模及其可视化研究与实现

摘要

摘要

本文针对三维地质建模及可视化研究发展现状，在系统分析当前各种建模

方法，并综合计算机辅助设计、科学计算可视化、计算机图形学、地质学等学

科理论的基础上，提出了表面、体元混合建模的方法，并根据该方法设计了一套可行的三维地质建模及可视化技术方案，开发实现了一套三维地质建模及其

可视化软件系统。

本文首先分别以ＮＵＲＢＳ曲面拟合和二维Ｄｅｌａｕｎａｙ三角剖分方法为２条线索，使用表面建模法建立了三维地质构造模型：（１）研究了基于ＮＵＲＢＳ曲面的三维

地质面重构方法，探讨了该方法的优劣及其应用场合。（２）研究了基于交线识

别及数据预处理的二维Ｄｅｌａｕｎａｙ三角形逐层剖分方法，有效的解决了二维剖分方法产生的层位与断层作用处的几何不一致与拓扑不一致的问题。

在使用表面建模法建立三维地质构造模型后，本文研究了三维Ｄｅｌａｕｎａｙ四

面体剖分方法并将它应用到地质建模中：以四面体为体元建立空间四面体模型来表达地质体内部拓扑结构，并基于四面体模型，实现了构造模型、块体模型以及它们间的相互转换。

在以上建模方法研究和试验的基础上，本文以ＯｐｅｎＧＬ为三维图形开发包，

Ｍｏｔｉｆ作为用户界面开发工具，在Ｓｕｎ工作站的Ｓｏｌａｒｉｓ平台下，使用Ｃ／Ｃ＋＋

语言开发了‘套三维地质建模与可视化软件系统，并使用该系统对胜利油田的实际地质数据建立了一个三维地质模型的应用实例。

关键字：三维地质建模，可视化，Ｄｅｌａｕｎａｙ剖分，ＮＵＲＢＳ曲面拟合，ＯｐｅｎＧＬＡｂｓｔｒａｃＩ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ３－Ｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓａｎａｌｙｚｅｓｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙｔｈｅｍａｔｕｒｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎｅｘｉｓｔｅｎｃｅ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｓｕｒｆａｃｅ／ｂｏｄｙ—ｃｅｌｌｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅ

ｔｈｅｏｒｅｔｉｃｂａｓｉｓｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ，ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ，Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎ

ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄｏｉｌｆｉｅｌｄｄｅｐｉｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ａｎｄｉｎｒｅｇａｒｄｔｏｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆ

ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓａｃｏｍｐｌｅｔｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｃｈｅｍｅ，ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓｔｈｅ３－Ｄ

ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ．Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｓｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＮＵＲＢＳｓｕｒｆａｃｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎａｎｄ２－Ｄ

ＤｅｌａｕｎａｙＴｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎａｓｔｈｅｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ，３一Ｄｇｅｏｌｏｇｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｍｏｄｅｌｉｎｇｉｓｂｕｉｌｔｆｌｒｓｔｌｙ：（１）ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＮＵＲＢＳｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅ３－Ｄ

ｇｅｏｌｏｇｉｃｓｕｒｆａｃｅｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓａｌｓｏ

ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．（２）Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆ２－ＤＤｅｌａｕｎａｙＴｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｄａｔａｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｇａｐｐｏｉｎｔｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅ３－Ｄｇｅｏｌｏｇｉｃ

ｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｆａｕｌｔａｇｅｓｕｒｆａｃｅｄｏｅｓｎ’ｔｍａｔｃｈｔｈｅｔｉｅｒｓｕｒｆａｃｅ

ｗｈｅｒｅｔｈｅｆａｕｌｔａｇｅｓｕｒｆａｃｅｉｎｔｅｒｓｅｃｔｓｔｈｅｔｉｅｒｓｕｒｆａｃｅｉｓｓｏｌｖｅｄ．

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Ｍｏｄｅｌｉｎｇ、ＴｅｔｒａｈｅｄｒｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＢｏｄｙＭｏｄｅｌｉｎｇＣａｌｌｂｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｅａｃｈｏｔｈｅｒ．

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ＳｈｅｎｇｌｉＯｉｌＦｉｅｌｄａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇ，ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ

Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＤｅｌａｕｎａｙＴｒｉａｎｇｌｅ，ＮＵＲＢＳ

Ｓｕｒｆａｃｅ，ＯｐｅｎＧＬ

知识水坝为您整理声明

本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取

得的成果，撰写成博士／硕士学位论文＝！三缍地厦建撞丛墓互塑丝婴

窥墨塞班＝：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重

要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含

任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的

成果。

本声明的法律责任由本人承担。

学位论文作者签名：麦＾移

２００５年３月１曰

知识水坝为您整理第一章引言

§１。１研究背景第一章引言

随着科学技术的迅猛发展，大量产生的科学数据与缺乏解释数据的有效手段

之间的矛盾日益尖锐。一方面不断产生数据，一方面无法解释和利用这些数据，

一些科学家惊叹：我们所能做的仅仅是把这些海量数据储存起来！科学计算可视

化（ＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，简称可视化）便是在这样的背景下

提出和发展起来的，它是－－ｆ］综合数据处理、辅助设计、图形（图像）显示的～

门交叉学科“１。其目的是用真实的静态或者动态图像（图形）来描述观测数据、显示计算过程和分析结果，从而揭示大量分离、复杂的数据中包含的信息和内在联

系，帮助人们更深刻理解各种现象的发生、发展及相互影响。

在石油工业中，面临的一个严峻问题是：如何寻找规模小而埋藏深的油气田，并且改造现存油田、延长现存油田的产油寿命。油气勘探的主要方式，是通过人

工地震产生的地震波在地质构造中的传播，来重构大范围内的地质构造，并通过

测井数据了解局部区域的地层结构，探明油藏气藏位置及其分布，估计蕴藏量及

其勘探价值”１。由于钻井费用昂贵，所以不允许盲目钻探开发。为此，首先必须

进行准确快速的油气资源评价，再在油气资源评价结果的基础上进行油气资源的

开发。于是，地震数据和测量数据能否得到有效解释便成为正确定位矿藏位置和提高钻井成功率的关键。

由于三维地震数据（３ＤＳｅｉｓｍｉｃＤａｔａ）及测井数据的数据量极其庞大，而且

分布不均匀，因而无法根据纸面上的数据作出空间分析和判断。面对日益复杂、隐蔽的油气藏，为提高钻井的成功率，这就需要为勘探工作者提供一个全新的三

维地质构造形态和属性特征的三维图形或图像。

三维地质建模及其可视化就是将可视化技术应用到地质勘探中，利用计算

机建立三维地质模型对三维地震数据进行描述、重构，并在三维空间显示，帮助

地质勘探人员能对原始数据作出正确解释，得到矿藏是否存在、矿藏位置及储量

人小等重要信息，从而提高钻井的准确率和成功率。三维地质建模及其可视化已

经成为油气勘探开发一体化中的重要环节，同时也是可视化应用研究中～个生机

勃勃的重要领域。第一章引言

§１．２国内外研究现状

发达国家在地震勘探可视化领域的研究丌展较早。经过十几年研究开发，陶外已经出现了一批成熟的商业化应用软件。比较著名的有Ｌａｎｄｍａｒｋ公司的

ＥａｒｔｈＣｕｂｅ和ＯｐｅｎＶｉｓｉｏｎ、ＧｅｏＱｕｅｓｔ公司的ＧｅｏＶｉｚ以及ＤＧＩ公司的ＥａｒｔｈＶｉｓｉｏｎ等，它们基本上代表了当今地震勘探三维脚视化应用的最高水平。这些软件包可

将二维地震、三维地震、测井曲线、地质分层、井轨迹、网络化层面、断层面等

进行完整的三维立体显示，用户可以用鼠标控制旋转角度来观察地质目标，直观便捷。

国内在这方面的研究起步较晚。在国内的石油公司、地球物理公司等单位普

遍使用的地震软件大都是从国外引进的，并以Ｌａｎｄｍａｒｋ公司和ＧｅｏＱｕｅｓｔ公司的解释系统居多。国内三维可视化技术的研究在各行业都已展开，但是还没有真ｉＥ

实现实用化的三维地质可视化软件。由于三维可视化的复杂性，在国内还没有见

到好的具有自主知识产权的地震勘探三维可视化系统。

§１２１ＧＯＣＡＤ

（；ＯＣＡＤ（ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＯｂｊｅｃｔＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ），即地质对象计算机辅

助设计，它最初是由法国Ｎａｎｃｙ大学的Ｊ．Ｌ．Ｍａｌｌｅｔ教授推出的研究计划，目的

是要丌发一种新的地质对象计算机辅助设计方法，以适应地质、地球物理和油藏

ｌ：程的需要，为多学科的综合研究提供主要的技术支撑。ＧＯＣＡＤ研究讨．戈０的核心

技术是Ｊ．Ｌ¨Ｍａｌｌｅｔ教授于１９８２年提出的的离散光滑插值（ＤＳＩ）技术。此外，在

ＧＯＣＡＤ计划中采用了适应能力很强的三角形网格剖分和四面体剖分技术，这对于

模型的修改和三维可视化十分方便。ＧＯＣＡＤ研究计划还包括了ＤＳＩ方法在地震射

线追踪、叠前深度偏移、时间偏移等方面的研究。目前，ＧＯＣＡＤ正向着非均匀网

格波传播、非均匀网格反演等方向发展。

由Ｔ－Ｓｕｒｆ公司丌发和销售的ＧＯＣＡＤ是一个强大的交互式创建三维子面模型

的软件。该系统允许用户在三维环境中引入、创建、修改、集成、显示、输出地质对象，还提供对这些对象做地质、物性分析．ＧＯＣＡＤ的源代码是一套口＋程序，

包括实用程序（ｕｔｉ】ｉｔｙ）、数学模块（ｍａｔｈ）、线模块（１ｉｎｅ）、面模块（ｓｕｒｆａｃｅ）、

体模块（ｖｏｉｕｍｅ）、应用程序（ａｐｐｌｉｅａｔｉｏｎ）、图形库（ｇｒａｐｈｉｃｓ）和Ｍｏｔｉｆ：ｒ具集，其中用户界面基于ＸＷｉｎｄｏｓ／ＭｏｔｉＦ．ＧＯＣＡＤ计划将地质建模数字化向前推进了一大步，为深入研究数字化建模丌辟了道路。Ｆｉ前，ＧＯＣＡＤ计划的许多研究成果已经被围外的许多地球物ｔ颦－ｉ｝百：ｆ和

石油公司使用，ＧＯＣＡＤ计划也得到了世界｝一很多公司和大学的支持。国内ｍｂ科