专利名称：复杂地质构造块状模型构建方法
技术领域：
本发明涉及地质三维建模方法技术领域，确切地说涉及一种适应于复 杂地质结构的块状模型构建方法。
背景技术：
随着三维地震勘探对象的日渐复杂，采集、处理和解释方法的日渐成 熟，计算机在三维地震勘探中扮演的角色也越来越重要，人们迫切需要一 种方便的方法，能够将地质学家头脑中复杂的三维地质模型输入到计算机 中，使计算机能够认识和识别地质学家头脑中复杂的三维地质模型，同时 能为各种正演方法提供模型输入。
传统的层位地质模型无法准确形象描述三维复杂地质模型，从层位模 型到块状模型的转换是一个三维裁剪问题，该问题在计算机领域该问题没 有得到完全解决。
复杂地质构造块状模型构建为地质勘探提供新的技术手段，是石油地 球物理勘探中长期存在并在目前尚未完全解决的前沿性研究课题。受到广 泛的关注和重视，取得了很多理论和实际应用成果。但目前的研究大都集 中于以下两个方面
(1) 将层位面或断面拟合成为高次多项式曲面方程，形成一个三维曲 面裁剪问题，并利用求解高次方程组的方式求解层位面或断层面相交的交 线。这种方法一方面是高次多项式曲面拟合和高次方程组求解难度和计算 量比较大；另一方面是拟合的精度很难满足应用的要求。
(2) 利用层位面和断层面三角形网格化算法，求解出层位面或断层面 相交区域的交线和边框线，形成一个空间多边形区域，并在多边形区域进 行几何一致性和拓扑一致性处理。这种方法不足之处在于复杂的地质结构 一致性处理难度很大。目前还没有适应于任何复杂地质结构的块状模型构 建方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种适应于复杂地质结构的块状 模型构建方法，本发明彻底解决了复杂地质地区的三维模型输入和成块问 题，不用求解难度和计算量比较大的方程组，同时构建方法简单实用。 本发明是通过下述技术方案实现的
一种复杂地质构造块状模型构建方法，其特征在于步骤如下
a、 数据准备，将层位面或断层面进行三角形网格化描述；
b、 找出交点，将层位面或断层面进行三角形网格化后，复杂地质构 造块状模型构建中的层面相交问题转换为空间三角形相交问题，判断两个三角形是否相交，对相交的两三角形找出交点，交点相连即形成交线；
c、 一致性处理，在每个相交三角形内部进行几何一致性和拓扑一致性 处理；
d、 封闭块提取，在对三角形网格进行几何一致性和拓扑一致性处理 后，进行封闭块提取，获得封闭块外围边组成的界面，即三角形网格集合， 定义封闭块的地质属性，形成三维模型块。
所述a步骤中，层位面或断层面进行三角形网格化描述的是-
层位面和断层面形态的控制点P(x, y, z),或层位面或断层面与模型边 界的相交点P(x, y, z)。
点是描述层位面和断层面形态的基础数据，实际中根据需要可在此基 础控制点上进行插值，形成新的控制点，更有利于描述层位面和断层面。
由层位面或断层面上相邻的三个点相连而成的三角形T(x， y, z)，不容 许跨越层位面和断层面。
用三角形描述层位面和断层面应遵循的基本原则是第一，三角形尽 可能接近正三角形，避免狭长的三角形，这样有利于模型的数值处理；第
二，根据层位面和断层面的变化情况，由己知控制点进行插值生成新的三 角形网格点，在变化大的地方加密三角形网格，以便更准确地描述界面的 变化。
由一个或多个相连的层位面三角形或断层面三角形组成面S(x， y, z)， 面的最小单元是三角形，面代表局部的层位面或断层面。
由三维空间层位面、断层面和工区边界相互裁剪形成的子区域为子面 s(x, y, z)。
由多个子面构成的闭合三维空间块为块B(x, y, z)。 其中x, y为平面坐标，z为垂直方向坐标。
所述b步骤中，判断两个三角形是否相交，对相交的两三角形找出交 点，交点相连即形成交线具体是指
(1) 层位面或断层面数据进行分级区域化处理 将层面的三角形集合进行区域分割，假设层位面或断层面三角形集合
为N，则第一级分割后，成为两个子区域
和[N/2+l， N];第二 级区域化处理又将两个子区域进一步分割成两个更小的区域，则在第二级 共有4个子区域，依此类推，此外计算出每个子区域x, y, z方向上的最大 最小值；
(2) 子区域相交判断
通过子区域化后，形成了大小嵌套的子区域队列；由于相交三角形的 个数比较少，故子区域化后的相交的子区域也比较少，只需对相交的子区 域进行相交计算，而不需要对不相交的子区域进行进一步计算；判断子区 域相交的算法要求是必须很快，而对算法的准确性要求不是很高；算法 的准确性包含两个方面 一方面是两个相交的子区域判断为不相交；另一方面是将两个不相交的区域判断为相交。如果将两个相交的子区域判断为 不相交则会导致算法错误，应该必须要避免；但将不相交的两个子区域判 断成为相交只是增加了计算量，而不会导致算法错误；所以算法可以容忍 第二种误判情况而必须排除第一种情况；假设计算每个子区域A1， A2在 x, y, z方向上的最大最小值为xl隨,Xlmin， yl腿,ylmin, zl顧,zlfflin， x2max， x2min， y2max， y2min，Z2max,z2min，判断两个空间区域是否有重叠，即如果 xlmax<x2min或者 x2max<xlmin或者 ylmax<y2min或者 y2max<ylmin或者
Zlmax〈z2min或者Z2max<zlmin，则两个区域没有重叠，即两个子区域不会相
交；
(3)空间三角形相交计算
如果两个子区域相交，则需要对子区域内的每个三角形相互进行相交 计算；本质上讲，两个空间三角形相交是两个空间平面相交，其相交结果 为一条空间直线；但是，我们需要的是计算两个三角形相交的交点，将所 有交点连成一条线即为交线；所以计算两个三角形相交即计算一个三角形 的三条边与另外一个三角形构成的空间平面相交，如果交点在三角形内部， 且交点在边上即为有效交点；这样，问题归为计算一条空间线段与空间三 角形平面相交计算。
所述c步骤中，在每个相交三角形内部进行几何一致性和拓扑一致性 处理具体是根据相交线处层位面和断层面的边界信息作为限制条件，对 己有三角形网格的顶点作为插值参考点，重新剖分插值得到新的网格，通 过交点计算，可以得到相交三角形集合及其内部的交点集合，交线的一致 性处理可以通过每个相交三角形的一致性处理实现，这样层面相交的一致 性问题转换为在一个具有边约束的三角形网格化问题，约束条件如下
(1) 边界边必须属于某一个子三角形，其余边必须属于两个不同的 三角形；
(2) 对于每两个不相连的两条边，不相交。
所述d歩骤中，进行封闭块提取，获得封闭块外围边组成的界面，即 三角形网格集合，定义封闭块的地质属性，形成三维模型块具体是指采 用图形的判断方法提取封闭块边界的三角形网格，具体步骤是
(1) 将模型中形成的层位面和断层面的三角形网格复制两份，这样 每个模型中层位面和断层面都有双份网格，改变其中一份网格的旋向；对 模型边界面仅保留一份三角三维复杂模型的块状建立形网格面，其旋向保 持不变，此时，每个面三角形网格原有边邻信息丢失；
(2) 任选当前地质体的一个内部网格单元，设为当前三角形，将其 加入选定三角形集合，寻找共边且旋向相同的三角形，建立三角形的相邻 关系，将当前三角形与选定三角形的共边邻域互指，如果找到多于一个的 三角形，则选择三角形法线夹角最小的三角形；
(3) 重复第(2)步，直到三角形集合中的所有三角形的边邻域信息
7全部恢复为止，此时，得到一个封闭块的边界；
(4)对所有封闭块按上述步骤迭代处理，直到封闭块被分割为单一 性质区块为止。定义封闭块的地质属性如速度、密度等，形成三维模型块。
所述几何一致性是指相交的两个面三角形网格紧密相接，它们之间没 有缝隙，也不重叠。
所述拓扑一致性是指相交的两个面三角形网格完全匹配， 一个面上的 三角形网格能够在另一个面上找到对应的两个顶点重合的三角形。
本发明的优点表现在
本发明采用a、 b、 C和d四个步骤进行成块计算，具有以下几方面的 优点
1、 算法简单，计算量小。与背景技术中第(1)条所代表的现有技术 相比，不用求解难度和计算量比较大的方程组，构建方法更加简单；
2、 对于复杂地质构造处理难度小。与背景技术中第(2)条所代表的 现有技术相比，本发明采用在每个相交三角形内部进行几何一致性和拓扑 一致性处理，处理难度小；
3、 针对地质构造特点，解决了物探领域地质建模中的三维裁剪问题。 并且采用本方案后，尤其适应于复杂地质结构地区的三维模型输入和成块 问题。
4、 理论意义和应用价值大。三维裁剪问题是计算机领域尚未完全解 决的问题之一。本方法除了在理论上对三维裁剪问题的解决有较大的参考 价值，在物探领域内有较大的也有较大的应用价值。
下面将结合说明书附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说 明，其中
图1为一致性处理流程示意图
图2为取消三角形网格相邻关系示意图
图3为根据三角形旋向建立相邻关系示意图
图4为按三角形法向夹角最小确定关系示意图
具体实施方式
1、数据准备
对于复杂地质结构块状结构模型的数据结构，可以引用点、三角形、
面、子面、块的概念进行描述，其含义如下
点P(x,y,z):指层位面和断层面形态的控制点，或层位面和断层面与 模型边界的相交点，其中x, y为平面坐标，z为垂直方向坐标。点是描述 层位面和断层面形态的基础数据。实际中根据需要可在此基础控制点上进 行插值，形成新的控制点，更有利于描述层位面和断层面。
三角形T(x, y, z):由层位面或断层面上相邻的三个点相连而成的三角 形，不容许跨越层位面和断层面。用三角形面描述层位面和断层面应遵循
8的基本原则是第一，要是三角形尽可能接近正三角形，避免狭长的三角 形，这样有利于模型的数值处理；第二，根据层位面和断层面的变化情况， 由已知控制点进行插值生成新的三角形网格点，在变化大的地方加密三角 形网格，以便更准确地描述界面的变化。
面S(x,y,z):由一个或多个相连的层位面三角形或断层面三角形组成， 面的最小单元是三角形，面代表局部的层位面或断层面。
子面S(X, y, z):由三维空间层位面、断层面和工区边界相互裁剪形成 的子区域。
块B(x,y,z):由多个子面构成的闭合三维空间块
根据上述数据结构概念，需要将层位面或断层面进行三角形网格化描述。
2、交点计算
层位面或断层面进行三角形网格化后，复杂地质构造块状模型构建中 的层面相交问题转换为计算空间三角形相交问题。通常情况下， 一个层面
三角形网格数量比较大。如果层面网格点为1000X 1000,则网格三角形个数 为200万个。假设求两个层面相交计算，则需要进行200万X200万次两 个三角形相交计算，其计算量达到1016次三角形相交计算。这是不可以实 现的。但是，通常情况下，两个层面相交的相交三角形数量很少，绝大部 分三角形是不相交的。如果能够快速判断两个三角形不相交，则可以减少 计算次数。基于此，提出了 "基于折半搜索的空间层面交线求取"算法。 其基本过程如下
(1) 层位面或断层面数据进行分级区域化处理 基本思想是将层面的三角形集合进行区域分割。假设层位面或断层面
三角形集合为N，则第一级分割后，成为两个子区域
和[N/2+l,N]; 第二级区域化处理又将两个子区域进一步分割成两个更小的区域，则在第 二级共有4个子区域，依此类推。此外计算出每个子区域x，y, z方向上的 最大最小值。
(2) 子区域相交判断
通过子区域化后，形成了大小嵌套的子区域队列。由于相交三角形的 个数比较少，故子区域化后的相交的子区域也比较少，我们只需要对相交 的子区域进行相交计算，而不需要对不相交的子区域进行进一步计算。这 样可以大大减少计算复杂度。鉴于此，判断子区域相交的算法要求是必须
很快，而对算法的准确性要求不是很高。算法的准确性包含两个方面一 方面是两个相交的子区域判断为不相交；另一方面是将两个不相交的区域 判断为相交。如果将两个相交的子区域判断为不相交则会导致算法错误， 算法必须要避免；二将不相交的两个子区域判断成为相交只是增加了计算 量，二不会导致算法错误。所以算法可以容忍第二种误判情况而必须排除 第一种情况。假设计算每个子区域A1， A2在x，y, z方向上的最大最小值为xlmax， X丄min, ylmax， ylmin， zlmax， zlmin, x2max， x2min, y2max，y2min,z2max，z2jnin，
判断两个空间区域是否有重叠，即如果xlmax<x2min或者x2max<xlmin或者
ylmax〈y2min或者y2fflax<ylmin或者zlmax<z2min或者z2max<zlmin，则两个区域 没有重叠，即两个子区域不会相交。
(3)空间三角形相交计算
如果两个子区域相交，则需要对子区域内的每个三角形相互进行相交 计算。本质上讲，两个空间三角形相交是两个空间平面相交，其相交结果 为一条空间直线。但是，我们需要的是计算两个三角形相交的交点，将所 有交点连成一条线即为交线。所以计算两个三角形相交即计算一个三角形 的三条边与另外一个三角形构成的空间平面相交，如果交点在三角形内部， 且交点在边上即为有效交点。这样，问题归为计算一条空间线段与空间三 角形平面相交计算。
3、 一致性处理
所谓几何一致性是指相交的两个面三角形网格紧密相接，它们之间没 有缝隙，也不重叠。所谓拓扑一致性是指相交的两个面三角形网格完全匹 配， 一个面上的三角形网格能够在另一个面上找到对应的两个顶点重合的 三角形。因此，进行封闭块提取前需要进行边界处理。根据相交线处层位 面和断层面的边界信息作为限制条件，对己有三角形网格的顶点作为插值 参考点，重新剖分插值得到新的网格，这样获得的三角形网格是满足几何 一致性和拓扑一致性的。通过交点计算，可以得到相交三角形集合及其内 部的交点集合。交线的一致性处理可以通过每个相交三角形的一致性处理 实现。这样层面相交的一致性问题转换为在一个具有边约束的三角形网格
化问题，约束条件如下
边界边必须属于某一个子三角形，其余边必须属于两个不同的三角形。
对于每两个不相连的两条边，不相交。 其算法流程图如图1所示。
4、 封闭块提取
在对相交边界三角形网格进行几何一致性和拓扑一致性处理后，可以 进行封闭块提取，获得封闭块外围边组成的界面，即三角形网格集合。根 据图形学的概念，采用图形的判断方法提取封闭块边界的三角形网格，具
体步骤是
(1) 将模型中形成的层位面和断层面的三角形网格复制两份，这样 每个模型中层位面和断层面都有双份网格，改变其中一份网格的旋向;对模 型边界面仅保留一份三角三维复杂模型的块状建立形网格面，其旋向保持 不变，此时，每个面三角形网格原有边邻信息丢失，如图2.a所示；
(2) 任选当前地质体的一个内部网格单元，设为当前三角形，将其 加入选定三角形集合，寻找共边且旋向相同的三角形，建立三角形的相邻关系，将当前三角形与选定三角形的共边邻域互指，如图2.b所示，如果 找到多于一个的三角形，则选择三角形法线夹角最小的三角形，如图2.c 所示；
(3) 重复第(2)步，直到三角形集合中的所有三角形的边邻域信息 全部恢复为止，此时，得到一个封闭块的边界；
(4) 对所有封闭块按上述方法迭代处理，直到封闭块被分割为单一 性质区块为止。定义封闭块的地质属性(如速度、密度等)，形成三维模型 块。
权利要求
1、一种复杂地质构造块状模型构建方法，其特征在于步骤如下a、数据准备，将层位面或断层面进行三角形网格化描述；b、找出交点，将层位面或断层面进行三角形网格化后，复杂地质构造块状模型构建中的层面相交问题转换为空间三角形相交问题，判断两个三角形是否相交，对相交的两三角形找出交点，交点相连即形成交线；c、一致性处理，在每个相交三角形内部进行几何一致性和拓扑一致性处理；d、封闭块提取，在对三角形网格进行几何一致性和拓扑一致性处理后，进行封闭块提取，获得封闭块外围边组成的界面，即三角形网格集合，定义封闭块的地质属性，形成三维模型块。
2、 根据权利要求1所述的复杂地质构造块状模型构建方法，其特征 在于所述a步骤中，层位面或断层面进行三角形网格化描述的是-层位面和断层面形态的控制点P(x, y, z)，或层位面或断层面与模型边 界的相交点P(x, y, z);由层位面或断层面上相邻的三个点相连而成的三角形T(x,y,z)，不容 许跨越层位面和断层面；由一个或多个相连的层位面三角形或断层面三角形组成面S(x, y, z)， 面的最小单元是三角形，面代表局部的层位面或断层面；由三维空间层位面、断层面和工区边界相互裁剪形成的子区域为子面 s(x， y, z);由多个子面构成的闭合三维空间块为块B(x, y, z); 其中x，y为平面坐标，z为垂直方向坐标。
3、 根据权利要求2所述的复杂地质构造块状模型构建方法，其特征 在于所述b歩骤中，判断两个三角形是否相交，对相交的两三角形找出交点，交点相连即形成交线具体是指(1) 层位面或断层面数据进行分级区域化处理 将层面的三角形集合进行区域分割，假设层位面或断层面三角形集合为N，则第一级分割后，成为两个子区域
和[N/2+l， N];第二级区域化处理又将两个子区域进一步分割成两个更小的区域，则在第二级共有4个子区域，依此类推，此外计算出每个子区域x, y, z方向上的最大 最小值；(2) 子区域相交判断通过子区域化后，形成了大小嵌套的子区域队列；由于相交三角形的 个数比较少，故子区域化后的相交的子区域也比较少，只需对相交的子区 域进行相交计算，而不需要对不相交的子区域进行进一步计算；判断子区 域相交的算法要求是必须很快，而对算法的准确性要求不是很高；算法的准确性包含两个方面 一方面是两个相交的子区域判断为不相交；另一 方面是将两个不相交的区域判断为相交；如果将两个相交的子区域判断为 不相交则会导致算法错误，应该必须要避免；但将不相交的两个子区域判 断成为相交只是增加了计算量，而不会导致算法错误；所以算法可以容忍 第二种误判情况而必须排除第一种情况；假设计算每个子区域A1， A2在 X, y, Z方向上的最大最小值为Xlmax, xlmin, ylmax, ylmin, zlmax， zlmin, x2max,Z2min，判断两个空间区域是否有重叠，即如果 Xlmax<x2min或者 X2max<xlmin或者 ylmax<y2min或者 y2max<ylmin或者zl,〈z2一或者z2max<zlmin，则两个区域没有重叠，即两个子区域不会相 交；(3)空间三角形相交计算 如果两个子区域相交，则需要对子区域内的每个三角形相互进行相交 计算；本质上讲，两个空间三角形相交是两个空间平面相交，其相交结果 为一条空间直线；但是，我们需要的是计算两个三角形相交的交点，将所 有交点连成一条线即为交线；所以计算两个三角形相交即计算一个三角形 的三条边与另外一个三角形构成的空间平面相交，如果交点在三角形内部， 且交点在边上即为有效交点；这样，问题归为计算一条空间线段与空间三 角形平面相交计算。
4、 根据权利要求3所述的复杂地质构造块状模型构建方法，其特征 在于所述c步骤中，在每个相交三角形内部进行几何一致性和拓扑一致 性处理具体是根据相交线处层位面和断层面的边界信息作为限制条件， 对己有三角形网格的顶点作为插值参考点，重新剖分插值得到新的网格， 通过交点计算，可以得到相交三角形集合及其内部的交点集合，交线的一 致性处理可以通过每个相交三角形的一致性处理实现，这样层面相交的一 致性问题转换为在一个具有边约束的三角形网格化问题，约束条件如下(1) 边界边必须属于某一个子三角形，其余边必须属于两个不同的 三角形；(2) 对于每两个不相连的两条边，不相交。
5、 根据权利要求4所述的复杂地质构造块状模型构建方法，其特征 在于所述d步骤中，进行封闭块提取，获得封闭块外围边组成的界面， 即三角形网格集合，定义封闭块的地质属性，形成三维模型块具体是指 采用图形的判断方法提取封闭块边界的三角形网格，具体步骤是-(1) 将模型中形成的层位面和断层面的三角形网格复制两份，这样 每个模型中层位面和断层面都有双份网格，改变其中一份网格的旋向；对 模型边界面仅保留一份三角三维复杂模型的块状建立形网格面，其旋向保 持不变，此时，每个面三角形网格原有边邻信息丢失；(2) 任选当前地质体的一个内部网格单元，设为当前三角形，将其 加入选定三角形集合，寻找共边且旋向相同的三角形，建立三角形的相邻关系，将当前三角形与选定三角形的共边邻域互指，如果找到多于一个的 三角形，则选择三角形法线夹角最小的三角形；(3) 重复第(2)步，直到三角形集合中的所有三角形的边邻域信息 全部恢复为止，此时，得到一个封闭块的边界；(4) 对所有封闭块按上述步骤迭代处理，直到封闭块被分割为单一 性质区块为止；定义封闭块的地质属性如速度、密度，形成三维模型块。
6、 根据权利要求1或4所述的复杂地质构造块状模型构建方法，其 特征在于所述几何一致性是指相交的两个面三角形网格紧密相接，它们 之间没有缝隙，也不重叠。
7、 根据权利要求1或4所述的复杂地质构造块状模型构建方法，其特 征在于所述拓扑一致性是指相交的两个面三角形网格完全匹配， 一个面 上的三角形网格能够在另一个面上找到对应的两个顶点重合的三角形。
全文摘要
本发明公开了一种复杂地质构造块状模型构建方法，涉及地质三维建模领域，其步骤为a.将层位面或断层面进行三角形网格化描述；b.将层位面或断层面进行三角形网格化后，复杂地质构造块状模型构建中的层面相交问题转换为空间三角形相交问题，判断两个三角形是否相交，对相交的两三角形找出交点，交点相连即形成交线；c.在每个相交三角形内部进行几何一致性和拓扑一致性处理；d.在对三角形网格进行几何一致性和拓扑一致性处理后，进行封闭块提取，获得封闭块外围边组成的界面，定义封闭块的地质属性，形成三维模型块。本发明彻底解决了复杂地质地区的三维模型输入和成块问题，不用求解难度和计算量比较大的方程组，同时构建方法简单实用。
文档编号G06T17/50GK101582173SQ200910059740
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者鸿 刘, 敬龙江, 晨 朱, 振 李, 陶正喜, 才 鲁 申请人:中国石油集团川庆钻探工程有限公司