沉積相數(shù)據(jù)可視化的研究與應(yīng)用

尚福華，李惠娟

(東北石油大學 計算機與信息技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163318)

沉積相數(shù)據(jù)可視化的研究與應(yīng)用

尚福華，李惠娟

(東北石油大學 計算機與信息技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163318)

為了將各種沉積相數(shù)據(jù)的特征以及油水井的布局疊加展示，以便更加直觀地表現(xiàn)出剩余油層的分布情況，從而為油田的開發(fā)決策者提供決策依據(jù),研究了沉積相數(shù)據(jù)可視化的一些方法，因為地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是建設(shè)數(shù)字油田的關(guān)鍵步驟。以地質(zhì)數(shù)據(jù)成圖平臺為依托，結(jié)合常見的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、三角剖分技術(shù)對沉積相數(shù)據(jù)進行可視化的研究與應(yīng)用。主要介紹了數(shù)據(jù)可視化的發(fā)展、實現(xiàn)的步驟、關(guān)鍵核心技術(shù)以及三角剖分的主要思想、步驟、實現(xiàn)的方法等。其中可視化映射的方法主要以三角網(wǎng)格剖分為主，也描述了數(shù)據(jù)的預(yù)處理、凸包建立步驟以及三角網(wǎng)優(yōu)化等算法。系統(tǒng)以Java2D繪圖技術(shù)為核心，可視化映射速度快、精準度高、人機交互方便快捷，達到了預(yù)想的實驗?zāi)康摹?/p>

數(shù)據(jù)可視化；沉積相；仿射變換；三角剖分

1 概 述

數(shù)據(jù)可視化(Data Visualization)是利用計算機圖形學和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)[1]。數(shù)據(jù)可視化的出現(xiàn)為人們對數(shù)據(jù)的研究方式產(chǎn)生了極大的影響，相比于大型數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)以及冗長繁多的數(shù)據(jù)離鏈表，現(xiàn)在人們能直觀地觀察數(shù)據(jù)展示出來的各種圖表，從而更加方便用戶去查看數(shù)據(jù)的走向、位置分布、分布的疏密度以及不同位置的不同形態(tài)或者物件等等。數(shù)據(jù)可視化的核心思想就是用圖形元素(點、線、面)來表示數(shù)據(jù)關(guān)系。隨著數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及電子商務(wù)技術(shù)等的發(fā)展，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的使用范圍也越來越廣泛，帶來的效益也越來越大。

所謂的沉積相數(shù)據(jù)可視化，就是以油田地質(zhì)數(shù)據(jù)中的沉積相數(shù)據(jù)為研究對象，通過可視化技術(shù)將沉積相數(shù)據(jù)以二維圖幅的形式展示出來，實現(xiàn)由抽象不可見到直觀可見的過程。將各種沉積相數(shù)據(jù)的特征以及油水井的布局疊加展示，更加直觀地表現(xiàn)出剩余油層的分布情況，從而對下一步油田開發(fā)起到?jīng)Q策支持的作用。

由于計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使得數(shù)據(jù)可視化的能力越來越強大，也越來越能滿足用戶的需求，尤其是現(xiàn)在的可視化技術(shù)提供了大量的交互功能，為用戶的使用帶了極大的便利，用戶可以根據(jù)自己的喜好對感興趣的全部或局部數(shù)據(jù)進行各種角度的交互處理。因此數(shù)據(jù)可視化的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了大幅度的拓寬，除了原先的生物醫(yī)藥、交通、氣象預(yù)報、海洋領(lǐng)域，又增加了數(shù)據(jù)挖掘、社交、金融、通信以及網(wǎng)絡(luò)等等[2]。文中著重講述了油田地質(zhì)數(shù)據(jù)中的沉積相的可視化過程。

一般用三個較為重要的步驟來講述數(shù)據(jù)可視化技術(shù)：數(shù)據(jù)預(yù)處理(源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到DB(DataBase)中，包括數(shù)據(jù)選樣、數(shù)據(jù)變換等)、可視化映射(數(shù)據(jù)到可視化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換以及可視化結(jié)構(gòu)到視圖的轉(zhuǎn)換，包括坐標映射、幾何映射等)、可視化交互(建立人與系統(tǒng)之間的一種交流方式，包括選擇交互、過濾交互、細節(jié)交互等)。可視化的步驟模型如圖1所示[3-4]。

圖1 可視化的步驟流程

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

沉積相是對單層砂體規(guī)模、展布情況、接觸連通情況以及儲層成因的詳細刻畫，是對垂直方向上的非均勻物質(zhì)演化規(guī)律的有效反映。在該系統(tǒng)中，沉積相數(shù)據(jù)可視化映射主要用圖形學中最基本的點、線和面構(gòu)成。其中用點來說明不同的井位信息，指的是對于不同的井別(油井和水井)應(yīng)該按照不同的映射方式進行區(qū)別展示，并根據(jù)不同的坐標數(shù)據(jù)確定映射位置，并且確定該井所在位置包含的其他有關(guān)沉積相形成的數(shù)據(jù)信息，例如相別等。另外相別也是沉積相數(shù)據(jù)可視化的基本數(shù)據(jù)，根據(jù)沉積相數(shù)據(jù)來形成沉積相帶線，沉積相帶線是沉積相數(shù)據(jù)可視化的重要組成部分，由于沉積相是對單層沉積物質(zhì)的數(shù)字語言描述，因此比較適合用二維平面的角度來反映當前區(qū)域具有的沉積規(guī)律。閉合的相帶線所圍成的面描述了映射范圍中具體地層單元的該相別的空間分布情況，顏色代表的是不同相別之間的區(qū)分，需要用圖例來展示。

系統(tǒng)用到的數(shù)據(jù)是大慶油田中獲取到的真實數(shù)據(jù)，通過專家對數(shù)據(jù)進行處理，形成一系列的數(shù)據(jù)文件，系統(tǒng)對這些文件進行解編處理，建立專門的數(shù)據(jù)庫，將坐標點以BLOB的形式存儲于數(shù)據(jù)表中，再針對這些數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換等。從某種程度上來說，采取合適的坐標系轉(zhuǎn)換方法能夠簡化沉積微相的可視化過程。由于該系統(tǒng)主要針對大慶油田中數(shù)字油田的建立而設(shè)計，而且大慶地區(qū)的井網(wǎng)排列有一定程度的傾角，這就為井位點的排序、井網(wǎng)的剖分帶來了諸多不便。為了便于可視化映射，將原始井網(wǎng)的區(qū)塊形態(tài)進行逆時針旋轉(zhuǎn)等稍微的轉(zhuǎn)變，變?yōu)檩^為規(guī)則的形態(tài)[5]。

經(jīng)過大量的資料查閱，系統(tǒng)采用仿射變換處理坐標變換相關(guān)操作，其中包括井位屏幕坐標變換、圖幅的平移和縮放等。

仿射變換的一般形式為：

矩陣形式為：

3 數(shù)據(jù)點剖分映射

二維數(shù)據(jù)進行面幾何可視化映射時主要用到的是網(wǎng)格剖分技術(shù)，由于普通的三角網(wǎng)無法自動解決地質(zhì)數(shù)據(jù)二維可視化中的一系列問題，因此在普通的三角網(wǎng)剖分上提出一種基于改進約束三角網(wǎng)的地質(zhì)二維數(shù)據(jù)可視化方法[9-11]。

三角網(wǎng)建立的基本思路是：掃描數(shù)據(jù)點進行繪制凸包；采用逐點插入法構(gòu)建初始的三角網(wǎng)；將離散點插入到三角網(wǎng)中進行三角網(wǎng)的局部修改；為了使剖分的三角形效率和精準度更高，再對三角網(wǎng)進行局部優(yōu)化；對凸包進行合并處理。

(1)掃描離散點構(gòu)建凸包：凸包在可視化映射中的幾何映射中有廣泛應(yīng)用，常常是其他幾何形態(tài)構(gòu)建進行所必要的圖形基礎(chǔ)，也是進行可視化映射的必要步驟，并且在很多實際的科研項目中，難點的解決都需要借助凸包的構(gòu)建作為工具。凸包就是將二維平面上所用點集構(gòu)成的最外層的一個凸多邊形[12-15]。相當于在一個木板上訂上很多圖釘，用一條橡皮筋將所有的圖釘圈起來，這個橡皮筋就相當于是所有點的凸包。遍歷繪制中遇到的所有點，將位置坐標相同的點合并成一個點，并且找到x(橫坐標)和y(縱坐標)方向上的極大值與極小值。以找出來的這四個點(特殊情況下其中的兩點會重合，形成的初始凸包為三角形)連成線形成初始的凸包四邊形，用相鄰的兩點按逆時針組成有向線段，搜索其右側(cè)能與之形成最大面積的三角形的另一個點，將該點記錄下來，重復(fù)這個操作直到鏈表中沒有其他的坐標點，這個時候初始的凸包就建立完成了。三角形面積可以用鏈表中點的坐標通過行列式來表示：

圖2 凸包三角剖分

(3)逐步向區(qū)域內(nèi)插入新點：在建立的初始三角網(wǎng)中還存在很多離散的點，如圖3中點G。通過逐步向區(qū)域中插入離散點，可以將點G，H按照一定的規(guī)則插入到三角網(wǎng)中。首先找出含有點G的三角形即

圖3 插入離散點

ΔBFD，然后尋找與ΔBFD相接臨的三角形，看其外接圓是否包含點G，若包含如ΔABF，則將ΔBFD與ΔABF形成一個區(qū)域，然后刪除掉兩個三角形的公共邊BF，最后將點G與形成區(qū)域的所有頂點連接起來形成AG、BG、DG、FG四條邊，此時已完成將離散點G插入到三角網(wǎng)中的全部過程。

(4)優(yōu)化三角網(wǎng)：使用Lawson局部優(yōu)化算法，凡是經(jīng)過此算法進行局部優(yōu)化的三角網(wǎng),它在該局部區(qū)域內(nèi)的三角形都會變成Delaunay三角形。Delaunay三角形有唯一性(以任何一個點為起點都不會影響最終的三角網(wǎng)結(jié)構(gòu))、局部性(不影響之前剖分好的三角網(wǎng)結(jié)構(gòu))、最優(yōu)性(形成的三角網(wǎng)是最優(yōu)的)、最規(guī)則性(最小角進行排序)、最近性(保證三角網(wǎng)的均勻)、存在凸多邊形的外殼(網(wǎng)格的最外層界限所有點均為凸點)、空圓特性(任一外接圓中不含有別的點)以及對偶性等。Lawson優(yōu)化算法的主要實施方法是判斷擁有公共邊的兩個三角形是否需要重新設(shè)定公共邊，遵循的原則是空外接圓和最小角最大的原則。實現(xiàn)起來就是判斷一個三角形的外接圓是否包含另一個三角形的另一個頂點，若包含(如圖4中的點C在ΔABD的外接圓內(nèi))，則將BD邊刪除，連接AC，即將對角線進行交換重繪。這種方法易于理解且便于實施到程序中。

圖4 局部優(yōu)化三角網(wǎng)

(5)合并凸包：根據(jù)兩個凸包投影的關(guān)系，先找出兩個凸包的支撐點，根據(jù)凸包的合并原理，利用公共支撐線和支撐點在兩個凸包之間生成新的三角形，同時為了保證兩個凸包合并時沒有交叉，也要對原有凸包里面的公共支撐線進行新的三角剖分。

4 應(yīng)用實例

該軟件是針對實現(xiàn)數(shù)字油田而設(shè)計的，用于實現(xiàn)“同一平臺的一口井計劃”。系統(tǒng)首先將沉積相可視化的映射結(jié)果結(jié)合井位坐標圖作為底層展示。系統(tǒng)主要以Java語言開發(fā)為核心，使用了先進的RIA(RichInternetApplications)豐富互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，前端采用.NET網(wǎng)頁框架和Applet網(wǎng)頁嵌入技術(shù)，后端主要采用Java2D繪圖技術(shù)。在繪圖過程中采用Java2DAPI，通過一個Web瀏覽器使用Java插件軟件，使用JavaWebStart(Java運行時環(huán)境中較新的一門技術(shù))來部署應(yīng)用程序。

該系統(tǒng)通過仿射變換將原有的沉積相數(shù)據(jù)坐標點轉(zhuǎn)換成用于剖分三角形的坐標點集，通過三角剖分將點集剖分成三角形區(qū)域塊，將相同的沉積相通過曲線平滑形成相帶線。圖5為結(jié)果展示。

圖5 可視化映射展示圖

5 結(jié)束語

文中詳細研究了數(shù)據(jù)可視化的發(fā)展及應(yīng)用技術(shù)，針對數(shù)據(jù)可視化映射的研究較為詳細，將沉積相數(shù)據(jù)進行可視化映射的意義非常重大，并且文中算法具有以下特點：

(1)思路簡單，易于實現(xiàn)，算法較成熟；

(2)算法的效率較高，將時間和空間復(fù)雜度進行了較好的搭配；

(3)針對不同的數(shù)據(jù)做了不同的數(shù)據(jù)預(yù)處理，簡化了后面可映射難度。

另外，該系統(tǒng)的可視化映射不僅速度快并且精準度高，大大提高了以往地質(zhì)數(shù)據(jù)可視化的效率。系統(tǒng)又對映射結(jié)果進行了交互處理，主要包括選擇交互、過濾交互以及抽象交互等。選擇交互可以顯示數(shù)據(jù)的一部分，對該數(shù)據(jù)進行操作；過濾交互是對感興趣的部分進行約束交互，不滿足的部分不予考慮或被隱藏；縮放交互是對局部或者整體進行縮放，抽象交互及在過濾交互的基礎(chǔ)上對約束數(shù)據(jù)進行詳細細節(jié)的抽象操作。建立了人與系統(tǒng)之間的一種交流方式，能更好地幫助用戶理解和揭示數(shù)據(jù)信息。

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Research and Application of Data Visualization of Sedimentary Facies

SHANG Fu-hua，LI Hui-juan

(School of Computer and Information Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

In order to overlay display the characteristics of sedimentary facies data and distribution of oil and water wells，as well as be more convenient and intuitive to show the distribution of remaining oil and helpful for the decision makers of foundation for decision making,some methods of sedimentary facies data visualization are studied because visualization of geological data is a key step in the construction of digital oil field.Based on the geological data mapping platform,data visualization technology and triangulation technology is applied to research the distribution characteristic and data rules of sedimentary facies.In this paper,the development,implementation steps and key core technology of data visualization and main ideas,steps and implementation method of triangulation technology are introduced.The method of visualization mapping is mainly based on triangulation and the methods of the data preprocessing,steps of establishing convex closure and triangular mesh optimization is discussed.The system relied on takes Java2D as the core of rendering technology.Its high speed of visual mapping,high accuracy and convenient man-machine interaction make the system very excellent,which achieves the expected objective.

data visualization;sedimentary facies;affine transformation;triangulation technology

2015-12-13

2016-04-06

時間：2016-08-01

國家自然科學基金資助項目(61170132)；國家重大專項(2011ZX05020-007)

尚福華(1962-)，男，教授，博士(后)，研究方向為人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、計算機理論與方法；李惠娟(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160801.0909.062.html

TP39

A

1673-629X(2016)08-0191-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.08.041