三維姿態監測技術在地震測井中的應用

摘要：在地震測井施工中，為監測地下檢波器的運動特征，需應用三維監測技術。首先從映射幾何的角度深入分析OpenGL的三維監測技術，建立OpenGL虛擬場景，然后分析檢波器模型內外方位元素的表達，利用三維繪圖技術建立檢波器的立體模型，最后對所獲取的坐標數據進行快速的三維繪圖技術處理，形成實時可靠的立體模擬界面。實驗結果表明：檢波器的方位角模擬精確度能保證在1度以內，滿足后期簡化數據處理的要求。該技術應用在地震測井中時，具有遠程、可靠、兀損檢測等特點，為操作人員提供直觀可靠的觀測決策平臺，并且結合實際需求能夠擴展多種功能模塊，可廣泛應用于測井過程中方位數據的獲取。

關鍵詞：地震測井；虛擬場景；姿態監測；OpenGL

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）03-0103-05

0 引言

地震測井施工、隧道、橋梁、高層建筑大型民生工程的三維可視化一直是國際上非常重視并致力于解決的問題。國外的ADI、Invensense、ST、Freescale、MEMSIC、VTI、Infine、Murata、National等均研發了高精度的三維姿態測量系統，性能均達到了軍用級別，且已經成功運用于上述各個領域。自1992年以來，OpenGL三維可視化技術得到了計算機圖形學界的普遍關注和認可，實現了對三維物體的計算機模擬等功能。另外，MEMS加速度計在傾角測量方面的成功應用，使相對直觀且可靠的空間形變觀測測量方法的開發應用成為可能。我國雖然起步較晚，但在國家自然科學基金委、教育部、科技部等單位的支持下，中科院、清華大學、西安微電子研究所、北京大學微電子所等單位也開展了基于OpenGL的三維可視化監測研究。而OpenGL三維可視化技術較成熟應用主要是針對崩塌和滑坡，且內容和技術方法眾多，目前包括地表形變、深部位移、降雨、地下水、地聲、地應力、人類活動等，對于地震測井的現場施工尚未應用。本文將OpenGL成像過程中涉及到的參數和矩陣與測井檢波器的內外方位元素聯系起來，結合計算機圖形變換的原理創建檢波器的三維模型，加入多參數的實時修正，形成具有實時數據交互功能的三維空間可視化監測平臺。

1 地震測井三維姿態監測技術與實現

地震測井過程中，由于測井檢波器處在井下，觀測人員無法直接觀測檢波器的空間位置，而監控平臺上的三維可視化技術能夠在計算機上直觀地呈現觀測檢波器的狀態信息。測井檢波器放到井下時，處在一個三維空間里，每個檢波器都有上、下、左、右、前、后方向。因此人眼與檢波器之間就有了相對位置，就是通常所說的物體空間位置。在數學上，可以用3個有刻度的坐標來描述這個空間位置關系，這就是笛卡爾直角坐標系，如圖1所示。

空間上，相對觀測人員正前方，首先假定一個圓點O，該點的坐標為（0，0，0），相對該點左右的方向是x坐標，上下方向為y坐標，前后方向為：坐標。這樣空間任一點就具備了三維空間的坐標。整個三維可視化技術的數據處理過程都是在這樣的坐標系下完成的。

1.1 0penGL虛擬場景的建立

模擬真實的地震測井檢波器，創建一個虛擬的三維地震測井勘探空間，首先要解決虛擬場景的建模。本文使用OpenGL來完成模型構建，包括如何在三維空間中設置模型的位置和方向，以及如何確定觀測者的位置。產生目標場景視圖的變換過程如圖2所示。

物體的坐標首先經過視圖和模型變換形成了模型視圖矩陣，這個矩陣作用于物體坐標，產生視角坐標。接著，如果還指定了其他裁剪平面，用于從場景中刪除某些物體或者提供物體的裁剪視圖，這些裁剪平面就會在此時生效。此后，OpenGL使用投影矩陣產生裁剪坐標。這個變換定義了一個視景體，位于這個空間之外的物體將被裁減掉，不會在場景中出現。隨后通過透視除法，產生規范化的設備坐標。最后，經過變換的坐標通過視口變換，成為窗口坐標。可以通過控制視口的大小對最終的圖像進行放大、縮小或拉伸。

1.2 三維立體檢波器模型的建立

真正的三維立體檢波器對象的產生，需要混合真實檢波器的表面顏色，創建一個平滑著色的對象，其實現方式為：首先清除屏幕及深度緩存，然后重置模型觀察矩陣，最后繪制三維圖形的各個面。

對于檢波器探管的模擬，需要進行紋理映射，選擇銀門色的金屬紋理來創建簡單的小三維物體。為了看見三維物體，往屏幕內移動5個單位，然后繞z軸旋轉45度。這將使模擬檢波器的圓柱形順時針旋轉45度，讓圓柱形看起來更像檢波器。

在旋轉45。后，讓物體同時繞x軸和y軸旋轉30度，使物體像在一個點上旋轉的探管那樣旋轉。關閉混合（三維檢波器看上去是實心的），設置顏色為亮門色，然后繪制一個單獨的有紋理映像的圓柱形。檢波器探管的模擬效果圖如圖3所示。

1.3 檢波器的圖形變換

OpenGL將圖形顯示在屏幕上需要經過多個變換過程，本文模擬的檢波器立體模型主要是經過透視投影變換、視區變換、剪切變換、以及幾何變換4個過程。首先以透視投影的方式將檢波器模型映射在假定的屏幕上，如圖4所示，顯示屏的四邊形區域向后擴充延展成梯形區域，視場中的檢波器模型顯示在屏幕上，而視場外的將被OpenGL裁減掉。

然后，從屏幕的左下角開始向右上角定義視場前表面在屏幕上的顯示關系。建立視場時，實際上已經建立了6個剪切面，它們決定圖形的區域性顯示。為了更方便地繪制圖形，本文定義了額外的剪切面。定義剪切面ax+by+cz+d=0；剪切ax+by+cz+d<0的部分，如圖5所示，如果n、b、c、d為圖中的值，則剪切圖示平面下面的部分。

在完成視場、視點、視區與剪切變換之后，就要進行檢波器模型的自由幾何變換：即在世界坐標系下幾何圖元相對坐標原點的平移、旋轉與縮放變換。如圖6所示，移動坐標原點就相當于檢波器模型的平移運動，旋轉變換是指檢波器模型所在的坐標系發生旋轉變換。縮放變換比較復雜，由于檢波器模型是相對原點和坐標系定義和繪制的，縮放坐標系即是坐標系中的檢波器模型的縮放。

1.4 多個檢波器的三維可視化監視

本文對于地震測井多個檢波器的三維可視化設計了一種友好的監視界面，負責引導操作人員完成對地震測井中檢波器運動數據的獲取和狀態信息的查看。首先檢波器運動數據的獲取主要通過互補濾波器的運動數據解算，再通過自組網絡傳回終端軟件并存人數據庫。然后對檢波器的狀態信息查看功能可設計出三維監視對話框，即三維檢波器監視向導。對話框由一系列運行進程組成，通過在對話框上添加相關按鈕的消息響應（即顯示不同檢波器的信息），可實現多個檢波器按某種次序依次彈出或關閉，從而形成循環監視。

1.5 三維可視化實時處理

地震測井三維可視化的實時處理，要求可視化圖像以足夠快的速度顯示，觀測人員視覺的暫存現象使可視化圖像看起來是連續的。三維可視化實時顯示是連續繪制的圖像，通常每一個畫面稱為一幀圖像，實時顯示是以時間為基準的。15幀/s的動畫播放看起來是連續的，本文以雙緩存技術為基礎，通過連續時間變化的畫面完成三維可視化的實時顯示。OpenGL雙緩存技術對于圖像像素數據的操作，是將圖形繪制在屏幕上。在完成繪制前，圖像存儲在幀緩存中。OpenGL的幀緩存是多個顯示緩存的邏輯集合，比如深度緩存、顏色緩存等。坐標數據更新模塊在雙緩存模式下運行，在完成屏幕更新繪制計算后才進行調用，從而完成屏幕與后臺緩存圖像的交換顯示，其原理如圖7所示。

2 測試結果

本文以四川省遂寧市某大型物探基地測試分析區為例。在野外對4只檢波器探管進行測試，數據采集時，軟件會開啟一個進程，采集過程中，操作人員存儲采集數據文件并實時監控探管位置信息。

這里主要采用標準的方位校準進行測試，測試顯示結果如圖8所示，顯示了實時監測的檢波器運動信息，該界面中單頁全部顯示4只檢波器的姿態信息，為了便于觀察檢波器的各個角度的姿態，軟件集成了支持手動移動或旋轉檢波器姿態功能，同時其顯示的刻度比例可任意調節。

表1顯示在10。的傾斜范圍內，經過OpenGL三維建模后的方位角輸出和地質羅盤測量的方位角之間的對比。

從表1可以看出，這兩對影像在幾何形狀上只有極其微小的差別，與攝影測量中的物體成像過程基本一致。并且檢波器的方位角精確度能保證在l。以內，足以滿足后期簡化數據處理的要求。構造地震測井檢波器的三維影像，可以滿足現場測井監測的要求。

3 結束語

針對傳統表層調查中的地震測井監測技術手段的不足，本文將三維可視化建模技術引入監測體系，設計出了一種形象直觀的三維監測模式，并在計算機系統上利用QT通過OpenGL實現了微測井監測的三維動態可視化監測功能，并且實現了檢波器在任意方向的旋轉、放大和縮小，有利于從空間任意方向和角度來觀察分析微測井的過程。同時，在軟件中采用了向導模式來引導操作人員，增加了該軟件使用的方便性、科學性和可操作性，最后通過實際測試驗證了該軟件的可靠性。它的使用可以在一定程度上改善我國微測井三維可視化監測體系的建設，具有一定的推廣價值。