异种油藏网格模型三维可视化优化方法研究

申 皓,刘青昆,龚蔚青,胡国栋

(1.辽宁师范大学 计算机与信息技术学院,辽宁 大连 116081;2.中石化石油勘探开发研究院,北京 100083;3.北京华盛海天科技发展有限公司,北京 100191)

三维可视化技术日趋成熟，其在石油勘探领域的应用越来越重要,目前主要常见于国外主流商业化油藏三维地质建模、油藏数值模拟等大型专业软件中，如PETREL和ECLIPSE等[1]。为了能对主流商业软件地质研究成果加以研究和利用，需要能够加载不同软件的模型成果文件。但不同的软件网格描述方式不同，需要分别编写相应的处理程序，增加分析工具的研发成本。同时大规模油藏模型对计算机的存储容量、处理速度、绘制速度等都提出了很高的要求[2-3]，当进行旋转、缩放等操作时运算数据量大，会出现速度缓慢、显示不连续等问题。因此，本文提出异种油藏网格模型三维可视化优化方法。该方法能够加载不同描述方式的异种网格模型，同时在不影响油藏模型显示效果的前提下，对网格模型数据进行优化，最大限度地减少原始模型的网格和顶点的数目，进而使得优化后的网格模型能进行快速实时绘制，提高了网格规模的扩展性。

1 异种网格模型及特点

矩形和角点是目前使用较多的结构化网格，可以用I、J、K定义每个网格的位置。矩形网格主要用DX、DY、DZ关键字来描述,角点网格主要用COORD、ZCORN关键字来描述，它们的网格存储格式不同[4-5]。此外，不同软件导出的网格模型可能存在I、J增量方向的差异，其网格排序也不同。本文把不同存储格式、不同排序的网格模型统称为异种网格模型。

2 异种网格模型绘制方法研究

2.1 统一网格存储格式研究

将统一网格存储格式的方法定义为两个函数接口，在对各自模型成果文件进行读取时，只需提供这两个接口函数，便可获取各结构化网格模型各网格8个顶点坐标数据。

两个接口函数为：一个是网格顶点坐标获取接口GetVertice()，通过唯一顶点索引index可以得到对应唯一顶点坐标(x,y,z)，即不重复的网格顶点坐标都有一个唯一索引标签与之对应；另一个是网格顶点坐标索引获取接口GetHexahedron()，用于获取(i,j,k)网格 8个顶点的坐标索引值，此索引值与网格顶点获取接口参数索引值index相同。

2.2 统一网格排序研究

网格排序存在差异是指I、J增量方向不同，如图1、图2所示。进行网格遍历时，I方向，(i+1,j,k)网格相对于当前(i,j,k)网格可能在右或在左，如果(i+1,j,k)网格为无效网格或与(i,j,k)网格相邻面的4个顶点不重合，需保存两个网格相邻面的4个顶点数据。当I增量向右，则保存(i,j,k)网格右平面4个顶点数据；当I增量向左，则保存(i,j,k)网格左平面4个顶点数据。J方向也如此。为了识别网格模型I、J增量方向及方便后续网格模型优化，本文通过设置顶点标记索引和网格顶点相对索引来实现。

定义所有网格 8个顶点的标记索引为 0、1、2、3、4、5、6、7。通过获取I正方向邻接面顶点关系表(I，I+1网格相邻面)、J正方向邻接面顶点关系表(J，J+1网格相邻面)，即相邻面 8个顶点标记索引，来判定网格模型I、J增量方向，并设置对应的顶点相对索引。

I、J方向识别算法基本步骤如下：

(1)初始化相对索引数组RI，RI(i)=-1，其中，i=0,1,…,7;

图1 I方向示例图

图2 J方向示例图

(2)获取I正方向邻接面顶点关系表;

(3)获取J正方向邻接面顶点关系表;

(4)判断I方向相邻面顶点标记索引与J方向相邻面顶点标记索引关系，以此确定I、J增量方向;

(5)根据步骤(4)获取的I、J增量方向，设置对应的顶点相对索引数组RI。

3 网格模型消隐算法实现

针对大规模油藏网格模型会占用大量存储空间、运算量大、降低模型绘制速度的问题，本文实现模型消隐算法对模型网格数据进行优化处理，只绘制表层油藏网格模型。网格模型消隐算法基本步骤如下：

(1)获取相对索引数组RI。

(2)遍历每个单元网格 Girdi,j,k(i=1,…,NX;j=1,…,NY;k=1,…,NZ)。

(3)判断当前网格是否为有效网格。若满足要求，进行下一步；否则跳至步骤(2)。

(4)获取当前网格顶点坐标索引GIi,j,k。

(5)判断相邻网格GirdI,J,K(I=i,i-1或i+1;J=j,j-1或j+1;K=k,k-1或k+1)(判断相邻网格顺序：上方向、下方向、左方向、右方向、前方向、后方向)是否为有效网格。若满足要求，进行下一步;若不满足且当前判断为后方向相邻网格，跳至步骤(2)，否则跳至步骤(5)，继续判断其他相邻网格。

(6)获取当前网格相邻网格顶点坐标索引GII,J,K。

(7)根据步骤(4)、(6)获得的坐标索引 index判断(i,j,k)网格与其相邻(I,J,K)网格相邻面 4个顶点是否重合。若不满足要求，进行下一步;若满足且当前判断为后方向相邻网格，跳至步骤(2)，否则跳至步骤(5)，继续判断其他相邻网格。

(8)根据网格顶点坐标索引接口获取当前(i,j,k)网格8个顶点坐标索引数组VI(i),其中,i=0,1,…,7，并根据当前网格相邻面4个顶点相对索引获取4个顶点坐标。

(9)依次判断4个顶点是否已经保存进表层顶点坐标数组SV中。若已经保存，则返回已保存顶点坐标索引，即SV数组下标;否则保存,并返回新顶点坐标索引，进行下一步。

(10)将步骤(9)获取的4个顶点坐标索引保存在表层四边形顶点索引数组SQVI中，如果当前相邻网格为后方向相邻网格，进行下一步；否则跳至步骤(5)。

(11)若 i≤NX,j≤NY,k≤NZ，跳至步骤(2);否则结束。

4 实验与结果分析

实验环境为：Inter(R)Core(TM)i5-3450@3.10 GHz CPU，3.48 GB内存，基于 MFC应用程序框架和OSG三维引擎进行编程实现。

4.1 绘制效果测试

实验采用了Eclipse导出的 (NX,NY,NZ)=(20，20，10)规则矩形 网格 模 型和(NX,NY,NZ)=(119，57，10)角点网格模型，两种结构化网格模型在 E-clispe软件中绘制的效果如图3所示,通过本文方法进行网格模型绘制，其效果图如图4所示。

图3 Eclipse绘制的模型图

图4 基于本文方法绘制的模型图

对比图3和图4可知，基于本文方法绘制的模型图与Eclispe绘制的一样，证明了本文方法能够兼容不同格式的网格模型。

4.2 绘制性能测试

实验分别采用 4 000、10万、50万、100万、500万个规则矩形网格模型进行优化前和优化后性能测试，结果如表 1、表 2所示(表中旋转缩放效果好、差分别代表：模型能实时绘制、显示连续顺畅，模型不能实时绘制、显示不顺畅）。

从表1和表2可以看出，优化后的网格模型较优化前的网格模型存在诸多优势，网格规模越大，优化效果越明显，极大地提高了网格规模的扩展性和系统性能需求，充分证明了本方法具有很高的可行性。

针对实时绘制大规模网格模型存在速度慢、效果差以及油藏网格模型存在描述方式不同等问题，本文提出了异种网格模型三维可视化优化方法，并通过不同网格模型、不同规模模型测试对比，证明了该方法是可行的，能够兼容不同软件不同描述格式的地质研究成果，其应用在大规模网格模型实时绘制方面性能有很大提升，且效果显著。

表1 模型消隐前实验值

表2 模型消隐后实验值

[1]ADMIN.石油行业常用软件综合介绍[EB/OL].(2008-09-29)[2014-02-26]www.hipetro.com/shiyouruanjian.html.

[2]何晖光，田捷，张小鹏，等.网格模型化简综述[J].软件学报 ，2002,13(12)：2215-2224.

[3]赵新华.大数据量网格模型的建模与简化技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2002.

[4]韩峻,施法中,吴胜和,等.基于格架模型的角点网格生成算法[J].计算机工程，2008，34(4)：90-93.

[5]苏丹丹.基于角点网格剖分的三维地质建模的研究与实现[D].西安：西安科技大学，2010.