提高天地图三维平台油田单井模型加载效率的方法

倪 艳，陈建华，李 吟，刘 慧

（1.新疆油田公司数据公司，新疆克拉玛依834000；2.新疆油田公司北京联络处，北京100011）①

提高天地图三维平台油田单井模型加载效率的方法

倪 艳1，陈建华1，李 吟1，刘 慧2

（1.新疆油田公司数据公司，新疆克拉玛依834000；2.新疆油田公司北京联络处，北京100011）①

随着天地图三维平台在新疆油田中的逐步应用，结合油田油井三维模型的特点和要求，从建模过程、模型封装和优化加载程序、制定标准化加载方法减少人工干预步骤3个方面对关键优化技术进行探讨，并给出单井模型示例对优化效果进行了验证。通过优化前后的运行性能参数对比，证实了优化建模技术能提高天地图三维平台三维模型数据加载效率和响应速度，为天地图三维平台在数字油田和智能油田建设方面发挥更大作用提供一定的参考。

天地图三维平台；数字油田；单井模型；模型加载效率

随着新疆数字油田的深化应用和新疆油田智能油田建设的启动，综合运用3S（RS、GIS、GPS）、测绘、三维虚拟仿真等可视化技术得到了迅速的发展。尤其是在现今，大数据时代产生的海量数据和各种分析决策的结果80%都与空间位置有关，3S技术已经成为发展智能油田、智慧城市技术的重要基础和数据保障，在油田和城市多个应用领域方面发挥着越来越重要的作用。同时，随着国家将信息安全和网络安全纳入国家安全战略，对安全、自主、可控的空间信息平台的要求日益迫切。

2012-04，新疆油田公司与国家测绘地理信息局签订战略合作协议，并与国家天地图公司合作，引入了天地图地理信息二维、三维平台系统，但由于天地图三维平台主要是为城市三维开发的，不完全适合油田三维的模型加载现状，且油田单井三维模型数据加载工作量大，尤其是在加载油田单井模型时出现响应速度缓慢以及模型数据加载效率低的问题。模型加载完成后由于平台增加了近1700多个场景，使得平台运行速度很慢。从前期的1 s响应到加载井位模型后30 s响应，严重影响了在油田的应用效果。因此，如何提高平台三维模型加载效率，同时又不影响三维场景图像的显示效果是急需解决的重要问题。通过运用模型优化技术建立灵活简便的三维场景模型，无疑是解决该问题的关键症结所在。本文分别从建模过程、模型封装和优化加载程序、制定标准化加载方法减少人工干预步骤3个方面，对关键优化技术进行了深入研究探讨，并通过在油田单井模型加载和显示实际验证取得了良好的应用效果，显著提高了天地图三维平台模型加载效率和响应速度，更好地为油田生产提供相关的地理信息资源和技术服务。

1 三维模型建模优化方法

油田三维场景包含的内容比较丰富，从空间上来讲可以分为地上、地下2部分，从对象上又可以分为建筑、管网以及油田生产设备设施。其中，运用比较广泛的是地形地貌、建筑物、单井和联合站、处理站工艺流程。目前，构建三维对象模型的手段有多种方式：一种是在软件开发上广泛使用如Open GL、Direct X／Direct3D、Quick-Draw3D、VRML、IDL及Java3D等图形接口，通过如VisualC＋＋等编程语言所构建三维对象模型［1］；另外一种是通过使用3DMAX、AutoCAD、Google Sketch Up等建模工具所构建三维模型。由于三维对象作为一种复杂的精细模型所要求的资源较高，因此创建三维模型不是对所有要描述的要素都逼真和细致地表达，应根据项目任务的不同需要结合应用场景、质量、进度、经济、技术等约束条件进行综合取舍和权衡，使得三维模型既能满足精度要求，又能和模型的形象化描述之间达到均衡，尤其是大规模的三维场景视图所需要的模型的精细度和层次对三维展示平台的性能有很大的影响。因此，非常有必要采用一些三维模型优化技术在建模过程中有效地运用，可以提升模型的可用性和应用效果。

由于油田的复杂性和特殊性，在其中运行和维护的设备设施数量众多，因此所需要建立的三维实体模型数量需求非常庞大，在这种条件下就需要针对不同的应用场景，选择与之相适应的建模技术优化方法来满足油田在三维领域多样化应用上的要求。模型优化方法在不影响视觉效果和工艺流程的情况下，通过适当精简模型面数，尽量降低模型中多边形的数量［2］。在实际建模和应用过程中，在不影响整体显示外观情况下，一般采用以下几种优化方法尽可能减少三维对象模型库中的多边形数量，以达到目的。

1.1 减少三维模型面数

在三维模型建模时，如果建模方法不当，就会产生数量巨大而且冗余的多边形，尤其是涉及到三维对象模型复杂的内部细节和部位，往往会产生被其他多边形挡住的多边形，这样的情况通常在2个模型的遮挡部位、结合面、重合面等，这些多边形在系统运行时不起任何作用，而且还影响着系统的加载效率，所以需要及时把它们清除。

1.2 在模型中使用三角形代替多边形

在模型建模过程中，通过利用三角化算法，在模型处理过程中，把所有的非三角形通过精简和合并都转化成三角形，同时在模型中通过合并减少总的三角形数量［3］（如图1～2所示），保持一定的精度而且不会影响视觉效果表达。这种方法能够大幅加速三维图像的生成和显示速度。

图1 2个三角形合成1个三角形

图2 3个三角形合成2个三角形

1.3 使用纹理代替多边形

纹理是构建三维模型的一个重要组成部分，纹理的好坏和精细程度直接反映到三维模型与真实展现场景的相似度。使用纹理可以把二维图像上的像素值映射到三维模型的对应顶点上，从视觉效果上丰富模型细节，增强模型的真实感，在不损失所表达信息的前提下使模型绘制和像片纹理映射的速度达到最优［4］，同时还可以避免对模型的每个细节都用多边形表示，因此减少附加多边形的使用，提高图形显示速度。

1.4 LOD技术

层次细节（LOD，Level Of Detail）模型有连续LOD和离散LOD两种类型［5］。一般来讲，模型的细节层次越高，多边形的数量就越多。通过简化技术可以根据当前视点到模型距离的不同，创建不同细节程度的模型，来满足应用的要求，也就是通过制作多个细节层次不同的模型，根据视口位置判断来确定载入哪种模型。这种技术的特点是确定模型展现的层次化，当视口距离近时调用精细模型，距离远时调用较简单模型［6］，这样在大型复杂的场景中可以大大减少计算量，使得系统的运行速度得到较大的提升。

采用上述方法对油井三维模型进行优化，通过精简模型面数去除冗余，经多次试验验证，在保证模型精度的前提下，油井三维模型面数减少了50%以上（如图3所示）。

图3 油井三维模型建模优化效果对比

2 模型封装和批量加载技术

模型封装是通过将模型文件合成的方法，最终形成1个场景模型文件来改善和提高加载效率［7］。目前在天地图三维平台中，单井模型需要逐个加载，重复加载频率高，由于1个模型导入平台，就会产生1个场景，同时也需要输入相应的位置坐标，最后生成1个三维平台能够加载的场景文件。如果模型数量大，这样往往会造成加载效率低下的问题，尤其是1次导入上万口井模型，就会形成大量的模型场景文件，使得加载效率低下，平台响应速度慢，中间还经常需要大量的人工干预来检查坐标位置匹配，远不能满足油田应用的需要。通过查阅国家天地图公司提供的三维系统平台的全部技术资料以及与该公司三维系统平台开发人员进行技术交流后得知，由于该平台是为城市三维而研发的，如果完全满足油田的需要必须在三维数据组织和加载方式上进行有效的改进。在实际应用过程中，主要是通过模型封装和开发批量加载工具来改进天地图三维平台加载效率。

在以往天地图三维平台中加载油田单井模型，首先需要将指定单井模型导入3DMAX软件中，通过查找指定单井模型世界坐标及模型坐标，将指定单井模型文件导出成1个平台加载文件；然后在天地图三维平台上输入该模型的世界坐标及模型坐标，将平台加载文件导入天地图三维平台；最后检查模型坐标和影像图坐标是否吻合。流程相对繁琐，效率也不高，因此需要通过模型封装和精简模型场景，把多个文件封装合成1个模型文件，减少平台加载文件的个数，可以提高模型加载速度和运行效率。

另外，通过开发辅助的批量加载工具，实现1次可批量加载上百口单井模型（如图4所示），从而实现规模加载单井模型，减少平台加载文件导出次数。导出数据文件的多少主要取决于单井模型的文件大小，如果单个模型面数少，1次可批量加载单井的数量将更多。在实际场景验证过程中，通过使用批量加载程序，由原来1次只能加载1口单井模型到现在可1次加载110口单井模型，加载效率明显提高。通过使用该工具可以使上百口井位模型全部形成1个场景，极大地减少了系统的场景数量，从根本解决天地图三维平台响应速度慢的问题。

图4 精简模型面数后批量加载效果

3 建立油田三维模型加载标准和规范

图5 三维模型加载流程

目前，新疆油田拥有多尺度、多分辨率的DLG（数字线划图）、DOM（数字正射影像）、DEM（数字高程模型），有效地利用这些已有数据进行油田三维建模，可以在很大程度上节约成本和开发时间。同时，由于油田需要建立的三维模型数量巨大，为适应油田三维模型建设和展示的需要，需要尽快建立油田三维标准模型库，完善油田三维模型制作及加载工作流程及相关标准。目前，已经完成了《三维模型批量加载作业流程》（如图5所示），通过规范化的加载流程和步骤，从而提升天地图三维平台的整体运行效果。

4 结论

1） 结合天地图三维平台在新疆油田的应用中存在的问题，提出了改进的方法和措施。

2） 探讨了从三维模型实例建立、模型封装和模型加载过程中所用到的优化技术和方法。通过灵活运用该方法，在天地图三维平台软件加载单井模型中有效减少三维建模和加载的工作量，并通过实际的应用效果进行了验证。

3） 通过使用模型优化技术，有效解决单井三维模型在天地图三维平台加载效率和响应速度之间的矛盾，大幅度提高了系统的实时响应速度和加载效率，达到理想的应用效果，为天地图三维平台在油田的应用积累了宝贵的经验。同时，也为新疆油田三维模型数据规范和加载模式进行了有效的探索，为下一步大规模应用奠定了基础。

［1］ 耿维忠，谢步瀛，胡笳.基于Creator和Vega的视景仿真系统的研究与实现［J］.东华大学学报：自然科学版，2010，36（4）：356-359.

［2］ 苏永芝，刘党辉，张振伟.基于MultiGen Creator的航天发射场三维模型优化技术［J］.系统仿真学报，2013，25（8）：1816-1819.

［3］ 江能兴，周淦淼.基于3DS MAX的三维模型的优化研究［J］.计算机与数字工程，2012（4）：137.

［4］ 淮永建，郝重阳，罗冠，等.复杂几何模型动态视相关的简化［J］.西北工业大学学报，2002（2）：338-340.

［5］ 淮永建，郝重阳.基于LOD实时图形绘制和加速技术［J］.中国图象图形学报，2002（1）：99-101.

［6］ Martin Reddy.A survey of level of detail support in current virtual reality solutions［J］.Virtual Reality，1995（2）：95-98.

［7］ Soucy M，Laurendeau D.Multiresolution surface modeling based on hierarchical triangulation［J］.Computer Vision and Image Understanding，1996，63（1）：1-14.

Method of Loading Efficiency for Single Well Mood to Increase TIANDITU 3D Platform in Oilfield

With the gradual application of TIANDITU platform in the Xinjiang oilfield，combined with the characteristics and requirements of oil well from the 3D model，the modeling process，model encapsulation and optimization of loader，standard loading method to reduce the manual intervention step，three aspects of optimization of key technologies were studied，and the single well model example was given to verify the optimization effect.By running the performance comparison before and after optimization，confirming the optimization modeling technique can improve TIANDITU platform of 3D model data loading efficiency and response speed，as TIANDITU platform construction of digital oilfield in the oil field and intelligent play a greater role to provide certain reference.Key words：TIANDITU platform；digital oilfield；single well model；model loading efficiency

TE938

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.024

1001-3482（2014）11-0092-04①

2014-05-28

倪 艳（1980-），女，四川乐山人，主要从事二／三维地理信息系统及天地图平台在油田的应用研究。