石油物探三维GIS系统设计与实现研究

       0 引言

       石油物探，主要指通过物理测量及综合研究方法，利用地球物理学的原理和石油地质学理论，根据地下岩层物理性质的差异，综合分析地质构造和岩层的性质，最终寻找油和气的储存及分布情况[1]。目前，石油物探技术已成为石油勘探中一种不可或缺的手段[2]。

       目前，石油物探技术在与3S的集合应运方面存在以下问题：通过表层调查资料的解译，利用速度信息和岩性信息等参数建立一个综合一致的近地表模型[3]；多源数据统一存储和管理；结合现有多源数据（影像、矢量、属性、DEM、模型）进行综合分析，并最终将分析结果用三维真实场景展示，并最终指导现场作业[4][5]。

       石油物探三维GIS系统，基于三维地理信息技术、遥感技术以及表层结构模型设计技术，充分利用物探中现有不同渠道的各类数据信息，对其进行系统化的研究分析。系统在基础影像、DEM、矢量基础之上，解决了多参数数据的加载及输入问题；数据编辑问题；对地震勘探表层试验数据进行解译，完成近地表模型的三维可视化以及该模型的逐点激发井深设计，提高激发井深设计精度；获取指定深度的表层结构信息后，直接按预设格式输出数值和图形。石油物探与三维GIS的结合有助于外业勘探工作，提前做好变观设计，在保证地质任务完成的同时，提高测量和采集工序以及表层资料解释工作的效率和准确率，节省成本。

       1系统关键技术研究

       1、细节层次模型技术

       一般情况下，三维对象的渲染需要占用大量的系统资源，所以其渲染速度相对比较慢。为解决这一问题，本系统采用了“细节层次模型技术”。细节层次模型技术，对三维对象进行分层管理，即根据观察地球的距离远近采用不同的展示方式。在距离较远时观察物体可多采用粗糙模型，距离较近时可采用精细模型，这样既可以满足从远至近所形成的模糊至清晰的视觉观察效果，又能大大地提高系统运行的效率。

       2）高速3D引擎技术

       系统采用了高速3D引擎技术，对矢量、影像、DEM数据提前进行了切割预处理。处理后的数据作为“缓存”放在特定的服务器上，客户端同样采用了缓存技术，通过两方面的结合，这样即可加快系统运行时数据的下载速度，又提高了系统对海量数据（矢量、影像、DEM、模型）的管理和展示效率。

       3）近地表数据库结构的建立方法

       设计系统内近地表数据库结构，分类存储各种近地表物探测量数据，包括微测井、小折射、岩性等数据。要求数据库结构合理，数据分类方法准确，尽可能地减小数据冗余，提高数据处理效率。

       4）精细近地表模型的三维可视化表达

       联合解释小折射、微测井等试验手段得到的表层数据信息，建立综合一致的近地表模型，同时解决近地表建模中涉及到的散点网格化方法、等值线生成算法等数值算法。

       5）地理信息与表层结构信息的无缝集成

       实现地理信息与表层结构信息元素一体化显示。结合物探实际工作需要，进行地理信息与近地表模型的关联集成，实现对近地表模型的虚拟钻孔、纵向剖切等功能，并实现根据指定地理信息，获取并输出相应表层结构信息的功能。

       2系统设计与系统实现

       2.1总体设计

项目是以某城区为试验区，利用现有的物探地理信息系统，联合解释小折射、微测井、岩性取心、岩性探测等试验手段得到的表层数据信息，建立综合一致的近地表模型，通过关键技术实现地理与近地表结构信息同步显示分析。同时，系统将面向领导和相关职能部门，提供及时准确的三维立体图像、表层结构模型及相关的数据，进行直观的决策分析。系统目标是建立表层结构模型及多元数据数据库，实现三维地理信息技术与近地表结构信息技术的整合，最终建立石油物探表层结构一体化平台。

       2.2架构设计

       系统以EV-Global作为开发平台，空间信息采用文件服务器方式进行管理，服务端程序采用Java进行编写，在物探公司项目《三维物探测量辅助系统的技术开发》的基础上，结合近地表信息建立的表层结构模型，形成一套可以集地理信息与表层结构信息一体化的系统，可以实现地理信息与表层结构信息无缝集成，无碍浏览使用。从逻辑层看，系统自底向上包括：数据存储层、数据访问层、系统服务层、系统应用层和系统用户层，逻辑架构如图1所示。

图1 逻辑架构图

       2.3功能设计

       2.3.1数据存储

       系统能够读取具有特定格式的物探勘测数据和表层调查资料（如激发线、接收线、微测井等数据），经过坐标转换等操作后，导入数据库进行统一地存储和管理。用户选择将要导入的数据文件后，设置导入的数据类型，设置本工区的坐标转换参数，即可完成数据导入。对于不符合格式的勘探数据，系统会弹出提示信息，说明错误原因。

       2.3.2数据的管理和显示

       系统中入库存储的数据按照工区进行管理，并将各种矢量数据在三维场景中结合高清影像进行展示，使得信息更加丰富、直观。工区全景展示包括工区边界、满次覆盖边界、接收线理论数据、激发线理论数据在内的相关信息。工区中的数据（接收线和激发线数据）可根据识别区域的高清影像拐八度绕开相应地物，使成果更加真实有效。

       2.3.3数据解释

       系统可以对存入数据库的表层调查资料进行解释，通过空间插值，生成相应的解释数据。用户设置输入和输出文件路径后，设置网格大小以控制插值精度，网格越小，得到的解释结果精度越高。用户点击数据处理按钮后，系统将解释结果输出到指定目录。

       2.3.4近地表模型的三维可视化

      系统可根据表层数据的处理结果，通过模型转换工具（此工具为该课题开发的辅助工具），将散点式的解释数据转化为三维场景可以直接读取的精细近地表模型，并最终实现地理信息与近地表模型一体化展示。图2为近地表模型在三维场景中的可视化效果。

图2 五号桩近地表模型（整体）

       2.3.5虚拟钻孔

       系统支持根据地理信息对近地表模型进行虚拟钻孔的相应操作。用户可以根据实际工作需要，在感兴趣的某点或某区域进行单击或绘制多边形选中部分炮点开始执行虚拟钻孔操作，并可查看相关地层信息。局部放大后，可以点击钻孔以查看表层信息，如图3所示。

图3 查看表层信息

       2.3.6虚拟剖面

       系统支持对近地表模型进行虚拟剖面。用户在地表绘制剖面线后，系统生成相应的剖面。用户可以通过在剖面上点击鼠标查看相应位置的表层信息。

       2.3.7表层信息输出

       系统支持表层信息输出。用户在地面选中要查看的点对象后，设置需要查看的深度；系统根据用户设置，获取指定深度的表层结构信息后，按照约定格式输出到指定目录。

       2.4系统实现

       石油物探三维GIS系统以某城区为试验区，以EV-Global为三维基础开发平台，空间信息采用文件服务器方式进行管理。系统功能主要基于石油物探技术和三维地理信息系统技术，以区域高清影像、DEM、矢量为基础底图；以石油物探数据的存储、管理、解译、展示、分析和输出为操作流程[8]；以提供远程GIS 服务，服务器跨平台支持为主要方式；以实现物探信息表层结构一体化为目标。系统将多种类型和多种格式的物探数据集中在一个平台中进行统一的管理和应用，并最终在石油物探的不同环节（探测施工设计、物理点偏移及井深井位设计）极大的提高了生产效率，有效的指导物探在设计及施工作业，对其他区域的物探工作具有一定的实用价值[9]。系统效果如图4、图5所示。

图4 激发井深设计

图5近地表模型三维可视化

       3结束语

       物探测量中，基于地下地质目标完成的施工设计，由于受复杂地表条件及低降速带构造的影响，在现场施工时通常需要进行变观设计，通过改变炮点或检波点的坐标位置，以完成地质任务，地表越复杂，这种被动的变观越多，极大地影响了施工效率和采集质量；表层调查资料解释都采用单一方法进行资料解释，对不同的采集资料采用不同的解释软件，生成成果文件，人工进行比对、解释，因此经常出现解释结果互相矛盾的情况，并且结果对表层信息刻画不够精细，三维可视化功能也不强，不能实现模型切片、双光源等三维效果显示。石油物探三维GIS系统实现了近地表模型的三维可视化，并完成对地下表层信息的分析、处理和输出工作。即避免了地表信息对炮点和检波点在后期作业过程中的变观，又可进行多源数据的综合解译，避免解译矛盾的频繁发生。为油田的勘探开发提供必要的数据支持，同时也供物探公司在地震勘探施工过程中，详细了解该区块的地下地质构造，为激发井深设计提供技术支持。有助于外业勘探工作，提高工作效率，节省成本。

       系统开发完成后用三块工区的实际资料，进行应用效果测试。利用该流程，能够解决多参数数据输入问题，设计激发井深并直接输出数值，能够输出图形和ASCII码数据，并支持绘图仪出图，为野外地震采集提供技术支持。为当前石油勘探数据种类繁多、处理平台多样造成的数据管理问题提供一种较好的解决方案。此方案除应用于石油物探行业以外，还可应用于与地质体研究和预测相关的其他工作中，如地质勘探、地震预测和评估等，可为相关工作提供一个较好的建议。