声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我～同工作的同事对本掌位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：§ !I二盘≯啊年嘭月话日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布木学位沦文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容：对于保密论文，按保密的宵关规定和程序处理。研究生签名：孑．卜南了。日j 年06月《日南京理工大学硕士学位论文基于错切一变形的三维地震数据场可视化方法研究l 绪论1．1研究背景与意义本文是结合大庆油田的实际科研项目对基于错切一变形的可视化方法进行研究，并采用基于错切一变形的体绘制算法研究三维地震数据场可视化的具体方法。寻找石油矿藏是我国的一项长期的战略任务。其主要方式是通过地震勘探了解大范围内的地质结构，发现可能的含油构造，并通过测井数据了解局部区域的地层结构，探明油藏位置及分布，估计蕴藏量及勘探价值【l 】。

地震勘探时，人们在地表用炸药爆炸等方式产生人工地震，激发地震波，当地震波向地下传播遇到物理性质不同的岩层( 其波阻抗不同) 时，一部分能量产生反射，一部分能量产生透射，其中反射波向上传播被安放在地表的检波器( 传感器) 接收，透射波则继续向下传播，当遇到另一个波阻抗界面时，又产生反射和透射，随着地震波的向下传播，人们就能接受到来自地下各个岩层的反射波，经过计算机进行数字信号处理后就得到了三维地震数据场，其中在某一个与地面垂直的二维方向上，就是地震剖面[2J。以前，由于没有合适的三维显示设备，地震数据的解释分析都局限于二维的表达方式【j J ，人们只能利用地震剖面及水平切片来显示三维数据，地质解释人员依据这些二维图像来推测、想象地下地层的空间形态和结构。这种传统的解释方法存在局限性，以层界面为对象，用二维的解释手段来认识三维空间，难于从整体上把握构造特点和岩性特征。实际工作中，用抽稀的测线与切片作解释，也就是说只利用了一小部分信息而大部分信息未被利用，资料的利用率低，数据体中尚有大量信息未被利用【4】。传统解释方法给人们直观、完整、准确地理解地下地质情况造成了困难。理想的解释方法应当融合地震、地质、测井等多个专业，包括沉积、构造、储层，岩石物理，油藏等多方面的研究，并且遵从由宏观了解到微观研究再到深化宏观认识的过程。

早在多年以前人们就认识到了这个问题，并指出了三维数据三维解释的方向。计算机性能的突飞猛进和科学可视化技术的出现，使得进行真正意义上的三维数据三维解释成为可能。科学可视化是在1987年正式提出并在计算机图形学基础上发展起来的一项新技术，它涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互等多个领域【5j ，其思想是用直观的图形输出来代替枯燥的数据输出，借助人类强大的视觉及形象思维能力，对数据进行本质上的理解12】。将科学可视化技术应用于地震资料，就产生了三维地震可视化技术。三维可视化不但能够提高地震解释的效率、精度和完整性，而且易于人们理解大量集成的数据，方便了解释人员的工作【6】。利用可视化技术可以从大量的地震勘探数据或测井数据中构造出感兴趣的等值面、等值线，显示其范围和走向，并用不同的颜色标注出多种参数及相互关系"J 。从第一章绪论硕士论文而使专业人员对数据作出正确解释，并得出矿藏是否存在、矿藏位置及储量大小等重要结论。可视化技术不仅可以对打井作业做出指导，减少无效井位，节约资金，而且必将大大提高寻找油藏的效率，并具有重大的经济效益及社会效益[1】。1．2三维地震数据的采集及物理意义本文的研究对象是三维地震数据场，这里主要从三维地震数据场的形成、物理意义、采集方式作以详细阐述，然后得出数学描述。

形成：三维地震数据体是地震反射波在地下岩层中传播时获取的地震波振幅数据。地下的岩石是成层分布的，层与层之间因岩石的物理性质不同而存在差异，表现为波阻抗不同，当地震波传播到这些岩层分界面时会发生波的反射和透射。地震勘探时，人们在地表用炸药爆炸等方式产生人工地震，激发地震波，当地震波向地下传播遇到波阻抗界面时，一部分能量产生反射，一部分能量产生透射，其中反射波向上传播被安放在地表的检波器( 传感器) 接收，透射波则继续向下传播，当遇到另一个波阻抗界面时，又产生反射和透射，随着地震波的向下传播，人们就能接受到来自地下各个岩层的反射波，经过计算机进行数字信号处理后就得到了三维地震数据，其中在某一个与地面垂直的二维方向上，就是地震剖面。图1．2．1显示了地震数据所显示的地震剖面。物理意义：地震波属于脉冲振动，地震勘探中所获得的地震记录实际上是一系列地震波传播到地表t, ／弓t起地表质点振动的脉冲图形。在传播过程中，地震波的高频部分逐渐被大地所吸收只剩下低频的部分，从而变化成有一定持续时间的地震子波。某个检波器接受到的所有反射子波叠加成一道信号即是一个地震道，经偏移归位处理后，它代表该点垂直向下的各个岩层面反射回来的地震子波按反射时间由先到后( 即反射面由浅到深) 的顺序迭加起来的结果。

同一层面的反射子波在相邻地震道之间由于波形相似三维数据场可视化，反射时间也较接近，波峰( 最大振幅所在位置) 比较靠近，在地震剖面上能够相互叠套成串，一连串的波峰组成一条线，称为同相轴，该线上的波峰处于同一波动相位，岩层面对应于子波波峰的位置【2】。采集方式：采集三维地震信号时，在地表布置有很多纵横交叉的测线，其中纵测线为主测线，横测线为联络测线。若用坐标系表示，则X轴和y轴代表地表所在的水平面，x轴平行于主测线方向，y轴平行于联络测线方向，x轴与y轴垂直。在主测线和联络测线上按一定间距排列测点，每个测点上放置一个检波器，每隔一段时间( 一矽为l 毫秒、2毫秒或4毫秒) 对检波器接收到的振动信号进行一次采样，若以时间轴为z轴并垂直于水平面向下，则采集到的三维地震信号组成一个三维地震数据体。该数据体有三个坐标，其中x、Y为空间坐标，z为时间坐标，用反射时间代表反射面深度，也可以通过时深转换将时间转换为深度，因而z实际上也为空间坐标。(图1．2．1所示)2南京理工大学硕士学位论文基于错切一变形的三维地震数据场可视化方法研究地肫撼怿1蠹j姐t￥≠ 瘫图1．2．1地震勘探原理示意图因此三维地震数据体实际上就是在地表获得的地下三维空间规则网格结点上的地震振幅场，可表示为A=，魄Y，z) ，其中A为振幅三维数据场可视化，x, y，z为空间坐标。

三维地震数据体可以看成是地下三维空间的三维振幅图像，数据沿三个正交坐标轴按一定空间间隔规则采样，一般使用三维数组s。来存储采样数据，其下标表示网格上采样点的位置。体素是三维数据体的基本研究单位，体素有两种定义：1．环绕采样点的常值区域视为体素，即一包含六个面、十二条边和八个顶点的长方体；2．采用切片形式，将某一平面上四个数据点构成的矩形看成体素【8】。(图1．2．2所示)数据特点：三维地震数据场是一规则的数据场，地震数据与其他数据相比，具有如下特点：1) 数据量大，通常的数据量都在百兆以上；2) 特征值分布较为杂乱，不同物质之间没有明晰的分界；3) 地震剖面之间各体素处梯度方向杂乱无章，没有明晰、光滑连续的分界面。4) 通常是通过整体特征反映地层变化规律，单个体素附近的细节信息重要性较小。图1．2．2三维地震数据体示意图第～章绪论硕士论文1．3研究现状及发展二十世纪九十年代以来，国外就开始了三维地震数据的可视化研究，国内外可视化技术普遍是在后处理层次上的实现，所谓后处理就是将数据获取与处理分开[1⋯，本文的研究方式也是这样。国外在可视化的实践和应用中取得了明显的效果，出现了一些成熟的可视化软件，著名的有Landm ark公司的EarthCube和O penVi ew ，G e00uest的G eovi z和CPS一3，CSD公司的Voxel G eo及DG I公司的EarthVi si on等。

国内也仅有个别大学在三维地震数据可视化方面作过方法研究¨ “ 。目前三维地震数据场的可视化技术主要包括基于面的可视化和直接体绘制可视化两种技术：基于面的可视化算法，它由三维空间数据场构造出中间几何面元，如曲面、平面、切片等，然后再用传统的计算机图形学实现面绘制。最常见的中间几何图元就是等值面。在三维地震数据体的可视化研究中，由于传统的二维地震剖面和水平切片的作图方法在人们的思维定势中根深蒂固，影响很深，因而大部分可视化方法不可避免地沿袭了这种作图方式，企图通过各种切片来洞察地质体的三维特征【2】。面可视化方法包括两个解释过程，首先将单个地层和断层( 仅是原始数据场中的部分属性) 映射为切片，再将这个切片绘制出来【6】。这种切片式可视化方法仍带有三维数据二维解释的痕迹，所表达出来的信息是片面的、孤立的。切片和剖面本身就是片面，相邻两片之间的信息无法表现，它们之间很难建立联系、进行联想，难以反映原始数据的全貌，丢失了宝贵的三维细节，仍然没有摆脱二维解释方法的局限性。不仅如此，这些面也不是有意义的地质界面，而是人为的空间截面，本质上仍然是一种三维数据二维显示的方法，没有体现三维数据场可视化的真正含义，无法直接看到反射面的形态以及相互之间的接触关系。

尽管这种方式只是将部分原始数据转换成平面图或曲面图，不能反映整个原始数据场的全貌及细节，但由于比较容易绘制，因而是一种常用的可视化算法。直接体绘制，该种方法并不构造中间几何图元，而是直接由三维数据场产生屏幕上的二维图像。主要包括光线投射法、足迹表法、体元投射法、子区域投射法以及本文要重点研究的基于错切一变形的体绘制算法等。这种算法能产生三维数据场的整体图像，具有图像质量高、便于并行处理的优点，缺点是较难实现，且计算量很大【l “ 。近年来直接体可视化技术也应用到三维地震数据体的可视化中，1999年Geral dDKi dd将三维地震数据体中每一个数据采样点建立一个体素模型，根据采样点的振幅赋予不同的颜色和不透明度，应用光线投射算法成功地得到了沉积体系的可视化图像，Paradi gm 公司在此基础上开发了Voxel Geo软件，得到了国内外用户的广泛应用。基于错切一变形的体绘制算法是在光线投射算法基础上产生的一种高效的可视化方法，但它首先需要确定体素的颜色和不透明度等参数，目前参数的设置还带有很大的主观性，可视化的效果取决于对数据的正确分类与识别，参数合适时能很好地体现

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