異種油藏網格模型三維可視化優化方法研究

申 皓,劉青昆,龔蔚青,胡國棟

(1.遼寧師范大學 計算機與信息技術學院,遼寧 大連 116081;2.中石化石油勘探開發研究院,北京 100083;3.北京華盛海天科技發展有限公司,北京 100191)

三維可視化技術日趨成熟，其在石油勘探領域的應用越來越重要,目前主要常見于國外主流商業化油藏三維地質建模、油藏數值模擬等大型專業軟件中，如PETREL和ECLIPSE等[1]。為了能對主流商業軟件地質研究成果加以研究和利用，需要能夠加載不同軟件的模型成果文件。但不同的軟件網格描述方式不同，需要分別編寫相應的處理程序，增加分析工具的研發成本。同時大規模油藏模型對計算機的存儲容量、處理速度、繪制速度等都提出了很高的要求[2-3]，當進行旋轉、縮放等操作時運算數據量大，會出現速度緩慢、顯示不連續等問題。因此，本文提出異種油藏網格模型三維可視化優化方法。該方法能夠加載不同描述方式的異種網格模型，同時在不影響油藏模型顯示效果的前提下，對網格模型數據進行優化，最大限度地減少原始模型的網格和頂點的數目，進而使得優化后的網格模型能進行快速實時繪制，提高了網格規模的擴展性。

1 異種網格模型及特點

矩形和角點是目前使用較多的結構化網格，可以用I、J、K定義每個網格的位置。矩形網格主要用DX、DY、DZ關鍵字來描述,角點網格主要用COORD、ZCORN關鍵字來描述，它們的網格存儲格式不同[4-5]。此外，不同軟件導出的網格模型可能存在I、J增量方向的差異，其網格排序也不同。本文把不同存儲格式、不同排序的網格模型統稱為異種網格模型。

2 異種網格模型繪制方法研究

2.1 統一網格存儲格式研究

將統一網格存儲格式的方法定義為兩個函數接口，在對各自模型成果文件進行讀取時，只需提供這兩個接口函數，便可獲取各結構化網格模型各網格8個頂點坐標數據。

兩個接口函數為：一個是網格頂點坐標獲取接口GetVertice()，通過唯一頂點索引index可以得到對應唯一頂點坐標(x,y,z)，即不重復的網格頂點坐標都有一個唯一索引標簽與之對應；另一個是網格頂點坐標索引獲取接口GetHexahedron()，用于獲取(i,j,k)網格 8個頂點的坐標索引值，此索引值與網格頂點獲取接口參數索引值index相同。

2.2 統一網格排序研究

網格排序存在差異是指I、J增量方向不同，如圖1、圖2所示。進行網格遍歷時，I方向，(i+1,j,k)網格相對于當前(i,j,k)網格可能在右或在左，如果(i+1,j,k)網格為無效網格或與(i,j,k)網格相鄰面的4個頂點不重合，需保存兩個網格相鄰面的4個頂點數據。當I增量向右，則保存(i,j,k)網格右平面4個頂點數據；當I增量向左，則保存(i,j,k)網格左平面4個頂點數據。J方向也如此。為了識別網格模型I、J增量方向及方便后續網格模型優化，本文通過設置頂點標記索引和網格頂點相對索引來實現。

定義所有網格 8個頂點的標記索引為 0、1、2、3、4、5、6、7。通過獲取I正方向鄰接面頂點關系表(I，I+1網格相鄰面)、J正方向鄰接面頂點關系表(J，J+1網格相鄰面)，即相鄰面 8個頂點標記索引，來判定網格模型I、J增量方向，并設置對應的頂點相對索引。

I、J方向識別算法基本步驟如下：

(1)初始化相對索引數組RI，RI(i)=-1，其中，i=0,1,…,7;

圖1 I方向示例圖

圖2 J方向示例圖

(2)獲取I正方向鄰接面頂點關系表;

(3)獲取J正方向鄰接面頂點關系表;

(4)判斷I方向相鄰面頂點標記索引與J方向相鄰面頂點標記索引關系，以此確定I、J增量方向;

(5)根據步驟(4)獲取的I、J增量方向，設置對應的頂點相對索引數組RI。

3 網格模型消隱算法實現

針對大規模油藏網格模型會占用大量存儲空間、運算量大、降低模型繪制速度的問題，本文實現模型消隱算法對模型網格數據進行優化處理，只繪制表層油藏網格模型。網格模型消隱算法基本步驟如下：

(1)獲取相對索引數組RI。

(2)遍歷每個單元網格 Girdi,j,k(i=1,…,NX;j=1,…,NY;k=1,…,NZ)。

(3)判斷當前網格是否為有效網格。若滿足要求，進行下一步；否則跳至步驟(2)。

(4)獲取當前網格頂點坐標索引GIi,j,k。

(5)判斷相鄰網格GirdI,J,K(I=i,i-1或i+1;J=j,j-1或j+1;K=k,k-1或k+1)(判斷相鄰網格順序：上方向、下方向、左方向、右方向、前方向、后方向)是否為有效網格。若滿足要求，進行下一步;若不滿足且當前判斷為后方向相鄰網格，跳至步驟(2)，否則跳至步驟(5)，繼續判斷其他相鄰網格。

(6)獲取當前網格相鄰網格頂點坐標索引GII,J,K。

(7)根據步驟(4)、(6)獲得的坐標索引 index判斷(i,j,k)網格與其相鄰(I,J,K)網格相鄰面 4個頂點是否重合。若不滿足要求，進行下一步;若滿足且當前判斷為后方向相鄰網格，跳至步驟(2)，否則跳至步驟(5)，繼續判斷其他相鄰網格。

(8)根據網格頂點坐標索引接口獲取當前(i,j,k)網格8個頂點坐標索引數組VI(i),其中,i=0,1,…,7，并根據當前網格相鄰面4個頂點相對索引獲取4個頂點坐標。

(9)依次判斷4個頂點是否已經保存進表層頂點坐標數組SV中。若已經保存，則返回已保存頂點坐標索引，即SV數組下標;否則保存,并返回新頂點坐標索引，進行下一步。

(10)將步驟(9)獲取的4個頂點坐標索引保存在表層四邊形頂點索引數組SQVI中，如果當前相鄰網格為后方向相鄰網格，進行下一步；否則跳至步驟(5)。

(11)若 i≤NX,j≤NY,k≤NZ，跳至步驟(2);否則結束。

4 實驗與結果分析

實驗環境為：Inter(R)Core(TM)i5-3450@3.10 GHz CPU，3.48 GB內存，基于 MFC應用程序框架和OSG三維引擎進行編程實現。

4.1 繪制效果測試

實驗采用了Eclipse導出的 (NX,NY,NZ)=(20，20，10)規則矩形 網格 模 型和(NX,NY,NZ)=(119，57，10)角點網格模型，兩種結構化網格模型在 E-clispe軟件中繪制的效果如圖3所示,通過本文方法進行網格模型繪制，其效果圖如圖4所示。

圖3 Eclipse繪制的模型圖

圖4 基于本文方法繪制的模型圖

對比圖3和圖4可知，基于本文方法繪制的模型圖與Eclispe繪制的一樣，證明了本文方法能夠兼容不同格式的網格模型。

4.2 繪制性能測試

實驗分別采用 4 000、10萬、50萬、100萬、500萬個規則矩形網格模型進行優化前和優化后性能測試，結果如表 1、表 2所示(表中旋轉縮放效果好、差分別代表：模型能實時繪制、顯示連續順暢，模型不能實時繪制、顯示不順暢）。

從表1和表2可以看出，優化后的網格模型較優化前的網格模型存在諸多優勢，網格規模越大，優化效果越明顯，極大地提高了網格規模的擴展性和系統性能需求，充分證明了本方法具有很高的可行性。

針對實時繪制大規模網格模型存在速度慢、效果差以及油藏網格模型存在描述方式不同等問題，本文提出了異種網格模型三維可視化優化方法，并通過不同網格模型、不同規模模型測試對比，證明了該方法是可行的，能夠兼容不同軟件不同描述格式的地質研究成果，其應用在大規模網格模型實時繪制方面性能有很大提升，且效果顯著。

表1 模型消隱前實驗值

表2 模型消隱后實驗值

[1]ADMIN.石油行業常用軟件綜合介紹[EB/OL].(2008-09-29)[2014-02-26]www.hipetro.com/shiyouruanjian.html.

[2]何暉光，田捷，張小鵬，等.網格模型化簡綜述[J].軟件學報 ，2002,13(12)：2215-2224.

[3]趙新華.大數據量網格模型的建模與簡化技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2002.

[4]韓峻,施法中,吳勝和,等.基于格架模型的角點網格生成算法[J].計算機工程，2008，34(4)：90-93.

[5]蘇丹丹.基于角點網格剖分的三維地質建模的研究與實現[D].西安：西安科技大學，2010.