真三维地学建模实体无缝表达与拓扑描述研究

对区域地层信息进行真三维建模（3DGM），并描述地质体、开挖体及其间的拓扑关系，是3DGMS地学工程应用的新要求。由于地学实体形态复杂、边界不确定，导致3DGM 难度大，地学实体拓扑关系表达更为困难。本课题针对3DGIS与3DGMS的交叉前沿，选择地学实体无缝表达与拓扑描述这一核心问题进行研究，包括1）地学实体的理解规则，2）地学实体表达的尺度关联规律，3）实体数据的无缝组织原理，4）地学实体拓扑关系的描述规则，5）实体拓扑分析的一般模型。拟以再现实体的层次分割、凸体、包络盒、GTP及其四面体剖分为技术要点来解决复杂地学实体的表达与拓扑描述问题，旨在突破当前3DGIS与3DGMS的共同瓶颈，填补地学实体拓扑描述与应用分析的空白，进而为面向实体的3DGMS 研发提供理论基础，为基于实体分析的地矿与岩土工程应用提供技术基础；并期望以此对GTP模型进行扩展，形成一种通用的真三维地学实体建模方法。 2100433B

基于多视角图像的三维真实感建模多年来一直是计算机视觉和计算机图形学领域的一个重要的研究课题。区别于传统的基于局部特征点的点云重建和交互式勾勒表面轮廓的建模方法，我们从一个全新的角度，深入研究了基于拓扑结构的三维场景建模技术。受概念设计阶段的草图表达的启发，我们将物体的拓扑结构引入基于图像的三维建模，从特征表达和提取、拓扑结构的恢复、表面模型的重建、以及表面纹理的生成四个方面，对基于图像的真实感三维建模中涉及的各个问题进行了研究，获得了一系列的研究成果。具体包括: 1）在拓扑结构特征的表达和抽取方面，我们主要研究了人造场景中物体的点-线-面的拓扑结构表达方式，并提出了高效的拓扑结构特征提取算法，大大精简了大规模图像集中的特征的存储和计算。2）在拓扑结构的恢复方面，我们结合线条周围和表面上的局部点特征来辅助线条特征的匹配和表面的邻接关系抽取，充分利用了SIFT点特征对于尺度、光照、视角等变化的鲁棒性，在差异性较大的图像集合中获得空间一致的整体拓扑结构，实现了自动的拓扑结构恢复。3）在表面模型的三维重建上，我们提出了一种全自动的表面模型重建方法。主要结合图像上的密集的特征点的对应和重建结果，以及图像各平面区域的外观信息，根据平面基元间的邻接、遮挡等几何关系进行平面延伸、补齐，以及全局修正，获得了准确的三维几何模型。4）对于三维模型表面纹理的生成，针对图像集合中各图像差异性较大、尤其是有大面积前景遮挡的情况，我们提出了一种保持几何一致性的图像拼接算法，针对具有较强几何特征和纹理不够丰富的两种图像区域，自适应地生成样本图像集合，最后通过马尔科夫随机场的优化，实现从多样本中选择合适的图像来源，获得视觉连贯的、无缝的图像拼接。我们从整个三维建模流程中各个环节对基于拓扑结构的的特征抽取、特征匹配、三维重建和纹理生成进行研究，验证了所提拓扑结构特征表达在人造场景的三维重建的有效性，从建模的自动程度、数据存储效率及建模视觉效果上都优于现有算法。

三维地质建模主要应用于开发阶段的油藏静态描述，在储层预测方面起到的作用有限。去年有机会在一个海上的项目里试验了一下，感觉有一定的效果。这里主要想说明只要建模技术得到恰当的应用，可以得到更广泛的成果。这个工区有高分辨三维地震，并进行了反演，并根据反演进行了储层预测。在反演数据体的基础上通过建立三维地质模型，发现对曲流河砂体的描述更为合理准确。

这个工区面积50平方公里左右，只有14口钻井，但三维地震分辨率较高。由于三维地震对曲流河道已经有一定的反映，河道的分布已经是一个确定性的问题，因此采用了确定性的Kriging插值算法，同时通过Co-Kriging利用三维地震反演体对计算进行了条件约束。我也用随机模拟计算过，效果不如Kriging好，说明随机模型也不总是最好的算法

左面为直接根据反演数据提取出的砂体，右面为根据模型提取的砂体。可以看出曲流河砂体得到更清楚的描述。建模过程中最大的难点是建立准确的速度场，使测井曲线与三维地震十分准确的对应。这又一次说明了基础工作在建模过程中的重要性。

在这个实例中我感觉主要改进的是数据在空间上的平衡。三维地震是采集的原始数据，因此应该是可靠的。但受采集条件和处理参数的影响，数据在空间上的统一性较差，通过以归一化的测井曲线进行校正，使数据在空间上得到了有效的平衡，从而使砂体反映的更清楚。

最初的想法来源于对反演处理的一个疑问。在反演处理中提高分辨率的方法主要是利用基于模型的反演。但问题是目前的反演软件中，初始模型的建立也是通过测井曲线的插值，而且这种插值是一种比较简单的数学插值，插值过程中反而没有地震参数的参与。这就导致一个矛盾，如果模型的权重比较小，分辨率就提不上去，如果模型的权重大了，虽然分辨率得到了提高，但很可能会失真，因为初始模型来自于简单的数学插值。而在地质模型的计算中，却可以有效的利用地震数据的空间分布特征。正好弥补了反演技术中的不足。2100433B

若要将三维地质建模技术直接应用到油藏开发生产，必须也能够与油藏地质研究相结合。

下面是一个华北油田的例子。我认为是一个将三维地质建模直接应用于生产研究的很好的例子。

由于渤海湾盆地沉积、构造的复杂性，在许多区块地层对比是一个很大的难题，尤其是断点的对比，出现50m左右的误差是很平常的事。但断点对比的不准确，会直接影响到断层两侧油藏关系的认识，并进而影响到生产措施的实施。在利用最初的地层对比方案建立断层模型的时候发现，两条主要断层的断点是分散在断层模型两侧的，显然这是由于地层对比的误差所导致的。对于常规建模工作来说，我们完全可以不必考虑所有的断点，只要根据多数断点建立起一个平均的断面就可以。如果出现不准确的问题，哪是地层对比人员的事，不是我们的责任。但油田采油厂的人从生产要求的角度出发，采用了断层建模与地层对比相交互的方法。即通过Petrel的断层模型找出与断层面不吻合的断点，然后对断点进行重新对比。经过多次的反复，最终将所有的断点都收敛到了一个断面上。其结果不仅使断层模型更为准确，也帮助解决了地层对比工作中长期存在疑问。从而使建模技术很快的被油田一线生产人员所接受和喜爱。