三维地震数据可视化原理及方法

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1、第16卷第3期CT理论与应用研究Vol.16No.32007年9月（20-28）CTTheoryandApplicationsSep.,2007文章编号：1004-4140（2007）03-0020-09三维地震数据可视化原理及方法张二华，高林，马仁安，杨静宇（南京理工大学计算机科学与技术学院，南京210094）摘要：可视化是实现三维地震数据真三维解释的有效方法，本文介绍了三维地震数据可视化的基本原理，论述了用光线投射算法实现可视化的主要步骤，详细推导了合成可视化图像的计算公式，分析了阻光度曲线的物理意义及对可视化图像

2、的调节作用，并用两个实际三维地震数据进行了试验。结果表明该方法能够由原始三维地震数据直接对地质体进行成像，能将分散的、孤立的信息互相联系起来，揭示隐藏在数据中的地质现象和规律。关键词：科学计算可视化；体绘制；光线投射算法；三维地震数据体中图分类号：P315.63文献标识码：A三维地震已经成为油气勘探开发的主要方法，其特点是采样密度大、成像精度高。传统的解释方法是利用一条条地震剖面或水平切片来分析三维地质特征。对于庞大的三维数据体，即使将每一条剖面和水平切片都显示出来，一个地质体的完整形态也是分散在各个独立的二维图像中，

3、无法直接看到地质体的三维形态。在实际工作中常常只对部分剖面和水平切片进行解释，所显示出来的信息是片面的、孤立的，只利用了一小部分信息，大部分信息没得到利用，难以了解地层的三维细节。多年以前人们就认识到了三维数据二维解释的局限性，并指出了三维数据三维解释的出路，科学计算可视化是实现三维数据三维解释的有效途径。科学计算可视化的思想是用图形和图像来表达数据，直接观察蕴涵在数据中的现象或规律，提高解释的效率、可靠性和精度，其核心是三维数据场的可视化，实现方法可分为两大类。第一类是基于面的绘制方法，它首先由三维数据场构造出中间几

4、何图元（如等值面等），再绘制这些三维面，其优点是计算简单，缺点是不能反映数据场的全貌及细节。第二类方法不需构造中间几何图元，直接由三维数据场产生屏幕上的二维图像，称为体绘制（volumerendering），或直接体绘制（directvolumerendering），这种方法能产生三维数据场的整体图像，图像质量高，但计算量较大。[1－3]20世纪90年代以来，国外就开始了三维地震数据的可视化研究，但早期大部分三维地震数据可视化仍然采用传统的切片显示方法，或者由多个切片组成栅状图来洞察地质体的三维特征。从本质上讲，这类方

5、法仍然没有摆脱三维数据二维解释的局限性。收稿日期：2007-06-14。3期张二华等：三维地震数据可视化原理及方法21[4]1999年GeraldD.Kidd将三维地震数据体中每一个数据采样点建立一个体素（最小单位立方体）模型，采用直接体绘制方法成功得到了一个海底扇沉积体系的清晰图像，开创了三维地震数据体可视化的新思路。本文在深入理解有关参考文献的基础上，介绍了体绘制方法的基本原理，论述了用光线投射算法实现三维地震数据可视化的主要步骤，详细推导了合成可视化图象的计算公式，并用两个地区的实际三维地震数据对可视化的效果进行

6、了试验。1三维数据场可视化的原理及光学模型可视化就是用投影的方法将三维数据在二维屏幕上显示出来。屏幕上的二维图像是由一个个离散的像素点组成的，每个像素点有各自的颜色（或亮度），可视化的计算过程就是求投影面上各像素点的颜色，再由这些像素点组成一幅二维彩色图像。单纯的数据本身并无颜色之分，为了得到彩色图像，必须给数据赋予颜色，数据的颜色是在物质分类的基础上人为赋予的，因而是伪彩色，数据的颜色实质上代表物质的类别。为了体现距离层次感及相互遮挡的效果，还要给数据赋予透明度值。在投影计算中需要建立一个光学模型来描述三维数据是如何

7、产生、阻挡以及散射光线的，体绘制中最常用的光学模型是光线吸收与发射模型。在该模型中，假定连续分布的三维数据场中充满着小粒子，这些小粒子既可以发光，又可以吸收射入的光，每一粒子所发出的光在向视点传播的过程中被其他粒子散射掉一部分，到达视点的光强是衰减后的光强，可沿视线累加求出各粒子对像素点光强度的贡献，从而得到该像素点最终的光强。[5]根据理论推导，假如三维粒子的发光强度C为常数，或者对于同类物质所赋予的颜色C为常数，则经过一段传播距离D后，到达视点的光强度I(D)为：I(D)=IT(D)+C(1−T(D))（1）0式中

8、T(D)为长度为D的这段介质的透明度，I0为射入的背景光强度。该式表达了背景光I0与所赋颜色值为C的光源在透明度T(D)作用下的合成光强度。其中第1项表示从背景射入的光经过三维数据场的吸收以后(乘以数据场的透明度）到达观察点的光强，第2项表示某个三维数据点发出的光对观察点处光强的贡献。上式中的T(D)为透明度，1－T(D)即为阻光