一种海洋天然气水合物三相动态虚拟构建方法与流程

本发明属于海洋天然气水合物稳定机理的动态虚拟场景构建技术领域，具体涉及一种海洋天然气水合物三相动态虚拟构建方法，通过虚拟化技术实现了动态构建海洋天然气水合物三相场景。

背景技术：

天然气水合物资源具有分布广、能源密度高等特点，是一种潜在的能源，同时也是一种亚稳定能源，如海洋天然气水合物在深海不同压力、温度下可表现为固、液、气三种状态，其相态转换直接制约着形成天然气水合物的最大深度和矿层厚度，同时也是天然气水合物开采难度大的主要原因。通过虚拟现实技术，模拟天然气水合物赋存环境及三相动态转换过程，能形象生动反映天然气水合物在不同温度、压力等环境下的形态，有助于辅助设计水合物开采方案。

以往对于其三相相态转换的研究和认识主要以文字描述、图片等二维方式为主，一些机构研制的天然气水合物开采模拟实验装置，也可以一定程度上说明三相转换，但无法全面表达其动态过程，且由于实验条件、场地等限制，无法广泛地用于开采模拟、实验分析、教学和科普等领域。

目前，国内外尚没有天然气水合物三相转换虚拟现实场景，天然气水合物三相转换是一个动态过程，为满足应用天然气水合物三相知识点进行开采模拟、实验分析等需求，亟待提出一种建立海洋天然气水合物三相虚拟场景和动态展示的新方案。

技术实现要素：

本发明提出一种海洋天然气水合物三相动态虚拟构建方法，克服以往无法形象化表达复杂的海洋天然气水合物三相变化的问题，通过视角定位交互方式动态控制天然气水合物三相变化视景，沉浸式体验以协助观察天然气水合物三相变化细节，对于天然气水合物分解与合成过程模拟、开采过程模拟以及教育和科普等具有重要意义。

本发明是采用以下技术方案实现：一种海洋天然气水合物三相动态虚拟构建方法，包括以下步骤：

(1)根据天然气水合物赋存区的温度、地质、地理等相关资料，构建三维深海环境场景，包括海底地质体、海底生物、海水等；

(2)构建天然气水合物三维模型，包含固态、液态、气态三种模型，通过设置形状、大小、颜色、透明度、材质等参数以区别不同状态下的天然气水合物模型；

(3)在深海水合物赋存区三维几何模型场景中，建立相对三维直角坐标系，基于眼球追踪定位技术，通过眼动位置及其观察方向，得到观察视线与水合物赋存区三维模型内某观察面的交点，所述交点为观察点，通过三维空间几何解析，计算出观察点的位置；

(4)根据观察点位置，进行深度-压力转换，获得观察点深度对应的压力值；

(5)根据观察点空间位置与温度场模型，计算观察点位置处的温度值；

(6)基于天然气水合物相平衡的影响因素，设置相关参数生成天然气水合物相平衡曲线，并以此来模拟天然气水合物海洋环境，所述影响因素包括气体组份、孔隙水成分、孔隙半径、沉积物粒径；

(7)结合天然气水合物相平衡曲线、水温梯度、地温梯度、海底地形、天然气水合物底界等构建天然气水合物三相判决模型，根据该模型确定当前深度与温度条件(或压力与温度)下，观察点处天然气水合物的物理状态；

(8)在三维场景中的眼球注视点(即观察点)处，根据天然气水合物固液气状态判断结果，并实时修改天然气水合物模型的空间坐标以及其“是否可见”参数，动态渲染观察点处及其周边的天然气水合物三维模型与视景，实现以眼球追踪为驱动的天然气水合物三相状态动态模拟效果。

进一步的，所述步骤(3)中：设天然气水合物赋存区模型为一个圆柱体，海平面简化为一个水平面，即为圆柱体的上顶面，所建立的相对三维直角坐标系区别于虚拟现实场景中的三维坐标系，以圆柱体上顶面的圆心为坐标原点，x轴正方向为东，y轴正方向为北，z轴垂直于xoy平面，向上为正，z轴代表深度，通过建立的相对三维直角坐标系可知场景内的深度值均为负值；

设xoz平面为观察面，e(xe,ye,ze)点代表眼动位置，e’(x’,0,z’)点代表观察点，代表眼动方向，点e’是与xoz平面的交点，则点e’在xoz平面上，所以其y’坐标值为0；设圆柱体在yoz平面上投影，eyoz、点e’yoz分别为点e、点e’在yoz平面上的投影点，为在yoz平面上的分向量，垂直于y轴，α为与y轴的夹角；

根据眼动位置及其观察方向进行三维空间几何解析，获得观察点的位置，即求点e’的z’值，假设则则：

同理可得：

进一步的，所述步骤(7)中，在判断天然气水合物的物理状态时，在观察面上，构建天然气水合物三相状态判别模型，设相平衡曲线函数为b(t，z)，水温梯度函数为t(t，z)，地温梯度函数为g(t，z)，海底地形表面函数为s(z)，天然气水合物底界为d(z)，则构建天然气水合物三相状态判别模型为：

其中，t＝f(x，0，z)，f(x，0，z)为海洋温度场模型，0代表固体，1代表气体，2代表液体。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明方案所提出的方法实现了对海洋天然气水合物三相(固液气)变化进行动态虚拟构建，利用眼球追踪交互定位视角位置，通过三维空间几何解析，计算出视角相对的水合物赋存区三维模型位置及对应的深海深度，结合深度压力转换与温度场模型确定观察点出的压力与温度，根据由天然气水合物相平衡曲线、水温温度、地温梯度、海底地形、天然气水合物底界等构建的天然气水合物三相判决模型确定该位置天然气水合物的物理状态，然后动态展示该位置的虚拟视景，实现以眼球追踪为驱动的天然气水合物三相状态动态模拟效果；

通过对海洋天然气水合物三相转换的虚拟化构建和表达，从而直观、形象表达了海洋天然气水合物的稳定机理，基于本发明，可构建不同海区的天然气水合物三相虚拟场景，并可以广泛地用于海洋天然气水合物实验室模拟分析研究、现场开采模拟展示、教学和科普等领域。

附图说明

图1为本发明实施例所述天然气水合物三相动态虚拟构建方法的原理示意图；

图2为本发明实施例三维空间几何解析示意图；

其中，左侧图(1)的圆柱体表示海洋虚拟场景，设xoz平面为观察面，e点代表眼动位置，e’点代表观察点，代表眼动方向，由于点e’是与xoz平面的交点，则点e’在xoz平面上，所以其y’坐标值为0；右侧图(2)为左侧图(1)中圆柱体在yoz平面上的投影，eyoz、点e’yoz分别为点e、点e’在yoz平面上的投影点，为在yoz平面上的分向量，垂直于y轴，α为与y轴的夹角；

图3为本发明实施例所述天然气水合物相平衡曲线及其稳定区示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种海洋天然气水合物三相动态虚拟构建方法，其原理如图1所示，具体包括以下步骤：

(1)根据天然气水合物赋存区的温度、地质、地理等相关资料，构建三维深海环境场景，包括海底地质体、海底生物、海水等；

(2)构建天然气水合物三维模型，包含固态、液态、气态三种模型，通过设置形状、大小、颜色、透明度、材质等参数以区别不同状态下的天然气水合物模型；

(3)在深海水合物赋存区三维几何模型场景中，建立相对三维直角坐标系，通过眼动位置及其观察方向，计算观察视线与水合物赋存区三维模型内某观察面的交点，所述交点为观察点，通过三维空间几何解析，计算出观察点的位置；

(4)根据观察点的深度值，进行深度-压力转换，获得观察深度对应的压力值；

(5)根据观察点空间位置与温度场模型，计算观察点位置处的温度值；

(6)由于影响天然气水合物相平衡的因素包括气体组份、孔隙水成分、孔隙半径、沉积物粒径以及实验条件下的微波、表面活性剂等，影响因素的变化会改变相平衡状态，因此根据需要，设置相关参数生成天然气水合物相平衡曲线，以此来模拟天然气水合物海洋环境。

(7)结合天然气水合物相平衡曲线、水温梯度、地温梯度、海底地形、天然气水合物底界等构建天然气水合物三相判决模型，根据该模型确定当前深度与温度条件(或压力与温度)下，观察点处天然气水合物的物理状态；

(8)在三维场景中的眼球注视点(即观察点)处，根据天然气水合物固液气状态判断结果，并实时修改天然气水合物模型的空间坐标以及其“是否可见”参数，动态渲染观察点处及其周边的天然气水合物三维模型与视景，实现以眼球追踪为驱动的天然气水合物三相状态动态模拟效果；

(9)将三维海洋天然气水合物场景作为一个系统，输入到支持眼球交互的vr一体机中进行沉浸式体验。

本方案所述步骤(3)在具体实施时，采用以下方式：

设天然气水合物赋存区模型为一个圆柱体，如图2(1)所示，海平面简化为一个水平面，即为圆柱体的上顶面，所建立的相对三维直角坐标系区别于虚拟现实场景中的三维坐标系，以圆柱体上顶面的圆心为坐标原点，x轴正方向为东，y轴正方向为北，z轴垂直于xoy平面，向上为正，z轴代表深度，通过建立的相对三维直角坐标系可知场景内的深度值均为负值；

设xoz平面为观察面，e点代表眼动位置，e’点代表观察点，代表眼动方向，点e’是与xoz平面的交点，则点e’在xoz平面上，所以其y’坐标值为0；图2(2)为图2(1)中圆柱体在yoz平面上的投影，eyoz、点e’yoz分别为点e、点e’在yoz平面上的投影点，为在yoz平面上的分向量，垂直于y轴，α为与y轴的夹角；

根据眼动位置及其观察方向进行三维空间几何解析，获得观察点的位置，如图2(1)所示，即求点e’的z’值，假设则如图2(2)所示，则：

同理可得：

所述步骤(7)中，在判断天然气水合物的物理状态时，在观察面上，构建天然气水合物三相状态判别模型，设相平衡曲线函数为b(t，z)，水温梯度函数为t(t，z)，地温梯度函数为g(t，z)，海底表面函数为s(z)，天然气水合物底界为d(z)，则构建天然气水合物三相状态判别模型为：

其中，t＝f(x，0，z)，f(x，0，z)为海洋温度场模型，0代表固体，1代表气体，2代表液体。

本方案依据相平衡稳定理论公式：1/t＝3.79×10^-3-2.83×10^-4lgp，其中，t为温度/k，p为压力/mpa，来讲述天然气水合物相平衡曲线，天然气水合物相平衡曲线如图3所示，图3中天然气水合物相边界曲线和假定的水温梯度曲线、地温梯度曲线所包围的区域△obc就是压力温度条件适合于天然气水合物形成的区域。又因为在海水中天然气水合物的密度要低于海水密度，△abc区域在海水范围内，所以在此区域形成的天然气水合物将会上浮，并由于温度升高而溶解。因此在△obc区域内去掉△abc区域，即△abo区域是形成的天然气化合物的稳定带；通过水深和压力的转换、地温梯度的计算得到天然气水合物相平衡边界，以相平衡曲线为标准，如图3逐步判断当前压力与温度(或深度与温度)下，当前观察点处天然气水合物的物理状态，从而得到天然气水合物稳定带信息。

实际上，由于海水温度有日、月、年、多年等周期性变化和不规则的变化，主要受纬度、洋流、季节、深度影响，经直接观测表明：海水温度日变化很小，变化水深范围从0～30米处，而年变化可到达水深350米左右处，在水深350米左右处，有一恒温层。三大洋表面年平均水温约为17.4℃，其中以太平洋最高，达19.1℃，印度洋次之，达17.0℃，大西洋最低，为16.9℃。水温一般随深度的增加而降低(深度每下降1000米，温度约下降1°～2℃)，在深度1000米处的水温约为4～5℃，2000米处为2～3℃，深于3000米处为1～2℃，故而本实施例中海洋温度场数据可以来源于实际海域的观测数据，也可以采用大气所发布的海洋温度格点数据，采用一定插值算法构建海洋温度场模型，比如，采用多重二次型插值法等。

本方案将天然气水合物相平衡曲线作为场景动态调整的运作机理，能够真实反应天然气水合物在当前环境下的状态，从而直观、形象表达了海洋天然气水合物的稳定机理；以眼球追踪为驱动，将海洋环境大场景与天然气水合物三相模型小场景进行有机结合和自适应，便于观察者了解天然气水合物的更多细节；该方法易于推广，可以根据不同海区海水深度和该海区的水合物赋存量建立不同空间尺寸的三维模型，以表达该地区的水合物三相实际情况，可广泛用于不同海区天然气水合物三相实验分析及教学领域，对于天然气水分解与合成过程模拟、开采过程模拟、教育、科普具有重要意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。