(1.中國石油勘探開發研究院，北京100083；2.中國地質大學(北京)，北京100083)
在分析三維可視化技術在石油領域應用局限性的基礎上，給出了全球三維可視化系統的構建流程和數據組織管理模式。以ArcSDE為空間數據引擎，以Oracle 10g為平臺，建立了四川盆地油氣勘探海量空間數據庫。基於三維可視化軟件平臺Skyline TerraSuite和功能強大的三維可視化開發平臺TerraDeveloper，設計開發了基於全球三維模型的油氣勘探信息綜合管理平臺。該系統集成了基礎地理數據庫、區域地質數據庫、地面工程數據庫、遙感影像數據庫、地層數據庫、斷層數據和測井數據，不僅提供了強大的油氣勘探基礎數據管理、三維地形建模和模型可視化，還為專業技術人員提供了可視化的分析和設計平臺。
關鍵詞:三維可視化與三維地理信息系統四川盆地油氣勘探全球導航
三維可視化技術在四川盆地石油勘探信息管理中的應用研究
唐先明1，2，曲守禮1，雷新華2
(1.中石化石油勘探開發研究院，北京100083；2.中國地質大學，北京100083)
在分析當前三維可視化在石油領域應用的不足的基礎上，介紹了全球三維可視化系統的構建過程和數據結構。利用ArcSDE作為空間數據引擎，利用Oracle 10g，建立了“四川盆地石油勘探地理數據庫”。基於Skyline Terra Developer，設計並建立了“基於三維全球模型的三維石油勘探數據管理與集成平臺”軟件系統。該系統將地理數據庫、區域地質數據庫、地面工程數據庫、遙感圖像數據庫、地層數據庫、斷層數據、測井數據庫與三維地形建模集成在壹起，實現了石油勘探數據管理、三維地形建模和三維地質模型可視化等功能。它是壹個可視化平臺，幫助地質學家和技術人員進行設計和分析。
關鍵詞四川盆地三維可視化三維地理信息系統石油勘探全球導航
隨著計算機圖形圖像軟硬件技術的飛速發展，三維地形可視化技術在越來越多的領域得到了廣泛應用，構建壹個虛擬的全球地理環境，為各種專業人員提供三維實時交互，進行工作、研究和交流，逐漸從夢想變成了現實。三維可視化技術在石油行業已經得到高度重視和廣泛應用。它充分利用三維地震信息和地震屬性，用人們容易感知的三維圖形描述各種復雜的數據場和數據關系。
油氣勘探是通過不同的技術手段，在野外采集各種原始地質資料，進行處理和解釋，形成成果，然後運用各種科學方法進行盆地評價、圈閉評價和油氣儲量評價，進行勘探規劃部署、井位設計和綜合地質研究，完成勘探科研和生產任務。在油氣勘探過程中，各油田企業積累了海量、異構、多源的地理數據、勘探基礎數據和成果數據，這些信息的綜合應用對指導油田生產具有重要意義。利用三維GIS技術，基於“數字地球”整合管理地表地理信息和地下地質信息，構建油氣勘探開發研究分析、決策、規劃和實施的三維實時交互工作平臺，能夠有效評價潛在石油資源，及時、準確、直觀地定位油氣資源的空間分布和特征，正確、有效地開展勘探開發工作。
1三維可視化技術的應用現狀
到目前為止，三維地形可視化技術分為兩種，壹種是面繪制技術，另壹種是體繪制技術。在地質研究中，主要使用體繪制技術。三維地學模擬主要包括三維地質建模和可視化兩部分，其中前者是後者的基礎，後者是前者的表達[1]。目前，在三維地震數據可視化方面，有很多成熟的商業軟件系統，如EarthCube、Geoviz、gOcad、VoleGeo等。國外有石油物探局的3DV，國內有雙狐公司的三維地震微機解釋系統。這些軟件涉及地質建模、地震勘探、采礦評價、礦床模擬、規劃設計、生產管理等多個領域，在功能上各有優勢，很難說哪個更先進[2，3]。但它們主要是面向地質領域的專業化系統，基於局部區域而非全局區域，對海量基礎地理數據和遙感影像數據的支持也較弱。基於這種情況，本文基於國外優秀的三維可視化軟件平臺Skyline，利用面向對象編程語言Visual C#，設計開發了壹個基於全球三維模型的空間數據管理平臺，對四川盆地海量、異構、多源、多尺度的基礎地理數據、油氣勘探基礎數據和成果數據、遙感影像進行集成管理，實現流暢的三維地形顯示和油氣勘探地質分析。
2系統開發的技術背景和基本流程
隨著地學應用的深入，人們越來越要求基於全球視角和真三維空間來認識世界和處理問題。然而，三維空間是復雜的，包含了大量的信息，這就需要集成三維可視化和三維空間對象管理功能。同時，由於3D應用的巨大差異，需要采用開放的架構來實現用戶定制功能。基於這種認識，Skyline TerraSuite提供了通用的三維空間數據模型及其管理功能，並允許針對特定應用領域動態擴展建模和分析功能插件，以適應特定的三維應用。整個TerraSuite軟件系統如圖1所示。
系統的實現分為四個部分:三維地球場景的構建、中心數據庫的建立、三維可視化環境的定制和場景驅動及應用的定制。
圖1天際線TerraSuite軟件系統
2.1地球三維場景構建
場景構造是通過數學方法把要模擬的場景和物體表達成壹組存儲在計算機中的三維圖形對象。現場施工分為以下步驟:
(1)DEM數據采集:采集工區內各種分辨率的航天遙感影像所有比例尺或立體像對的等高線數據，建立該區域的數字高程模型(DEM)。
(2)DOM數據生成:利用地面控制點和DEM數據，對工區內的低、中、高分辨率遙感影像進行仔細校正，然後生成數字正射影像圖(DOM)。
(3)DLG數據收集:收集工區各級地形圖和野外數據，建立工區各級DLG。
(4)GIS數據轉換:通過GIS工具將數據采集階段獲得的DLG數據轉換成TerraBuilder可接受的數據格式。
(5)數據建模:在3D MAX或MultiGen或TerraBuilder中對壹些油田地面建築物、地標、油井或其他油田設備進行建模。
(6)地球三維場景構建:將上述數據導入TerraBuilder，創建逼真、地理、精確的地球三維模型(MPT文件)。
2.2建立中央數據庫
基於全球三維模型的油氣勘探信息綜合管理平臺是壹個高度集成的應用系統。在系統建設過程中，必須充分考慮系統涉及的關鍵問題，如多專業圖形、屬性、圖像和文本數據的整合，系統數據庫和系統軟件功能的整合，系統與網絡環境的整合等。為了實現功能的集成和擴展，考慮到石油勘探開發數據的區域性、多維性、時序性、海量性和異構性等特點，擬利用大型商用關系數據庫Oracle10g和空間數據引擎ArcSDE對這些海量數據進行集中管理，建立數據中心，便於解決數據共享、網絡集成、並發控制、跨平臺操作和數據安全恢復機制等問題。
2.3定制3D可視化環境
在全球三維場景的基礎上，可以疊加妳所關心的專題信息，通過與數據庫的接口，還可以整合存儲在中心數據庫中的地表和地下的多維度、動態的空間信息，從而創建壹個激動人心的交互式三維可視化環境，以突出壹個地區的特點，展示其功能和關系，以獨特的視角展示該地區。
2.4場景驅動和應用定制
(1)三維可視化程序:可以通過API接口直接調用已建立的三維可視化環境，也可以根據三維場景的參數生成實時場景，動態加載圖層，有助於直觀了解空間數據之間的關系。
(2)三維空間查詢和交互:直接在三維可視化環境中，對存儲在中心數據庫中的各種數據和場景實體提供交互查詢等操作，提供動態環境，為進壹步的空間決策服務。
(3)應用定制:利用TerraDeveloper軟件開發包提供的各種ActiveX控件，可以構建自己的面向3D的應用，實現與其他系統的應用集成[4]。
3系統總體設計
3.1系統架構
根據系統的功能需求，在技術上要求系統具有適應業務變化、高安全性、大容量數據存儲和處理的特點，因此系統的技術框架采用三層B(C)/AS/DS結構。同時，考慮到系統與其他專業系統之間的集成，擬采用基於SOA(面向服務架構)和Web Services(Web Services)的應用集成技術，構建基於“數字地球”的地表地理信息和地下地質信息綜合管理服務平臺。整個系統的架構如圖2所示。
3.2系統數據的組織形式
系統數據的組織形式是可視化系統的關鍵，其優劣將直接影響場景繪制的效率。在基於全球三維模型的空間數據管理平臺中，主要包括三部分數據:①場景數據，即場景環境中包含的地形信息，經過圖像處理後包含在。mpt文件；②實物圖形數據，即油氣勘探實物的圖形信息，是經過3D MAX等三維圖像處理軟件處理後的三維模型；③對象屬性數據，即油氣勘探屬性信息。關於對象的所有信息都包含在。fly文件，面向對象的場景數據以圖層的形式組織。目前，系統整合的四川盆地地區數據層主要包括:
(1)DLG——數字線劃:全區不同尺度的土地覆蓋、植被、道路、水系、居民點等圖層。
圖2基於全球三維模型的油氣勘探數據管理平臺體系結構
(2)DEM-數字高程模型:全區不同比例尺的數字高程模型數據。
(3)DOM-數字正射影像:全區不同比例尺、不同分辨率的彩色正射影像。
(4)DRG-數字柵格地圖:全區不同比例尺地形圖的柵格數據。
(5)國家地名數據。
(6) 1: 200000地質圖。
(7)基礎勘探資料:測量網、礦井、立體勘探區。
(8)勘探成果資料:地震異常、ⅰ型前積、ⅱ型前積、生物礁、生物礁、海灘和相帶等。
(9)構造數據:斷層、等值線等。(宣漢、潼南八)。
(10)井位數據。
(11)地面工程資料:天然氣管道、道路。
3.3系統功能模塊
基於全球三維模型的油氣勘探信息管理與集成系統分為石油勘探數據管理、三維基本操作、三維GIS導航查詢、三維分析等模塊。系統的主界面如圖3所示。
每個模塊的具體功能如下:
(1)石油勘探數據管理:系統利用GIS技術、XML技術、空間數據庫等技術，存儲和管理多比例尺基礎地理信息、勘探基礎數據和成果數據、多分辨率遙感影像、各種圖表和文字報表等地表和地下信息。實現了對地理底圖和油氣地質勘探獲得的數據和成果的記錄(導入)、轉換、編輯和查詢功能。此外，系統還提供了目標實體的超鏈接和相關服務，如與鉆探相關的測試表屬性數據和圖形數據的相關存儲和管理功能，以及與鉆探相關的各種基礎信息和測試結果的查詢。
基於全球三維模型的油氣勘探數據管理平臺系統界面。
(2) 3D基本操作功能:在全局3D場景中，實現以下功能:
放大、縮小、平移、旋轉等三維基本功能；
選擇壹個對象，使該對象居中，並瀏覽該對象。
飛到或跳到壹個特定的物體上；
獲取場景中任意壹點的經緯度坐標和高程值；
場景的點對象和線對象可以獨立於嘗試進行縮放；
提供場景的快照和打印輸出。
(3)三維GIS導航查詢:實現基礎地理信息、地質數據、勘查數據在全球坐標系上的三維定位導航分析。
任何地點的全球定位和導航；
二維和三維聯動功能；
測距、正交、高程和剖面生成；
表面實體的三維建模和各種屬性的管理；
可以自定義飛行路徑和視角的三維瀏覽功能。可以自己制定飛行路線，也可以選擇預定義的飛行路線進行三維飛行(圖4)。
(4)三維分析功能:
圖4基於全球三維模型的油氣勘探數據管理平臺飛行軌跡設置。
測量功能:測量距離(水平、垂直、隨地形起伏)和面積；
區域對象選擇:可以進行多邊形框選擇進行對象選擇，獲取所選區域內的對象集合，統計區域內實體的數量，形成分類列表；
剖面觀察:對選定區域的場景進行剖面觀察，可以分析地表起伏；
等值線繪制:用矩形框選擇指定範圍，可顯示該範圍的等值線圖，並可任意設置等值線顯示方式；
最優路徑分析:根據給定的放樣區間、最大上坡、最大下坡、允許放樣寬度等參數信息，根據地形走向，自動計算出最優放樣線；
視線分析:根據地面拾取兩點的系統，可以自動計算兩點之間的能見度；
地平線分析:可以分析場景中任意點和視角下地平線的可見性；
空間分析:為突發事件的發生地點選擇壹定的半徑，利用分析工具可以做出整個目標點的空間範圍，提供決策。
4系統應用擴展
基於全球三維模型的油氣勘探信息管理與集成系統不僅提供了地面和地下油氣勘探信息數據管理、三維建模與模型可視化、全球定位導航等強大功能。，還可以進行系統擴展和專業系統集成，實現油氣勘探開發的深度應用。如野外地質勘探路徑優化及工作安排、地震數據采集及觀測系統設計及優化、勘探井場位置優化及工程計算、開發井場部署規劃及鉆前工程分析、油氣集輸地面工程設計及方案優化、目標區塊水路信息規劃及優化、全球定位系統集成及油田現場服務等。
5結論
三維可視化技術在國內外已經成熟，但基於全球三維模型的三維地理信息系統(GIS)才剛剛起步，特別是對於地表和地下油氣勘探信息的三維壹體化管理，缺乏經典的模型和成熟的經驗。本文基於Skyline TerraDeveloper設計開發的全球三維油氣勘探信息管理與集成系統，重點研究了虛擬現實環境下的交互式地面和地下油氣勘探信息管理系統，給出了交互式虛擬現實全球導航平臺的系統組成方案和原型系統。整個系統運行可靠，易於移植和維護，具有強大的空間分析功能。結合三維地質建模與可視化系統的研究現狀、相關技術的發展趨勢和實際工程實踐的應用需求，筆者認為需要進壹步探索、研究和解決以下問題:
(1)研究並實現基於全球三維模型的現有空間數據集成管理平臺的地上地下三維壹體化無縫集成和可視化功能。
(2)不斷豐富與其他三維地震分析軟件的接口。
(3)基於VRML/X3D技術的網絡三維可視化系統的研究與開發，為普通大眾、專業技術人員和地質科學家提供更加通用的支持和服務奠定了基礎。
參考
[1]Simon W . houlding .三維地質科學建模:地質特征描述的計算機技術[M].柏林:施普林格出版社，1994。
朱良峰，潘新，吳信才。三維地質建模與可視化系統的設計與開發[J].巖土力學，2006，27 (5): 828 ~ 832。
蔣，，，等.三維可視化技術在地震資料解釋中的應用[J].中國海洋大學學報(自然科學版)，2004，34(1):147 ~ 152。
[4]Skyline軟件系統公司TerraDeveloper論文[EB/OL]。[2007-6-1]/.