油气藏开发管理GIS中的图形表示技术

摘要:本文介绍GIS的定义及其应用领域,结合油气藏开发管理应用讨论其中的图形表示技术:二维等值线及等值面、三维图形技术、体视化以及虚拟现实技术等。指出二维图形技术不足以描述客观世界,传统三维图形技术不能描述物体内部信息,最后指明油气藏开发管理GIS中图形表示技术应当综合以上技术,并结合虚拟现实和体视化等先进图形技术构造适应工程需要的GIS系统。

关键词:GIS;油气藏开发管理;图形表示技术;三维图形;虚拟现实;体视化

1GIS与油气藏开发管理

地理信息系统(Geographic information System,简称GIS)是采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位、分布及与之相关的属性数据,并回答用户问题的计算机系统[1]。它是一种能把图形管理系统和数据管理系统有机结合起来的信息技术。它既能管理对象的位置又能管理对象的其它属性,而且位置和其它属性是自动关联的,其核心是计算机科学,基本技术是地理空间数据库、地图可视化及空间分析。

在油气藏开发过程中,积累了大量的图件和数据,这些信息的综合应用与管理,对于指导油气藏生产有很重要的意义。GIS技术的出现为其提供了解决方案[2]。目前GIS在油气藏开发管理中的应用主要集中于专题制图、数据管理、油气资源评价、石油勘探开发管理、综合决策及信息发布等方面[3]。油气藏开发管理GIS涉及到多种信息来源,按照信息的组成和结构特点,可以划分为三大类:属性类信息、空间类信息、空间属性类信息。属性类信息包括:油井的生产数据、监控数据、井身剖面数据等。空间类信息主要是二维地图类信息,包括:油田地理分布、地面管网与站场分布、电力供应网络与设备分布等。空间属性类信息主要是连续参数分布类信息,包括井间剖面、层位分布、油藏体的三维结构和参数分布等。其中空间属性类信息在油气藏开发中尤其重要[4]。

为了形象、直观的描述空间属性类信息,实现GIS可视化,给决策提供科学依据,图形学技术正越来越广泛应用到GIS中,用以绘制地理、物理等的高精度勘探、测量图形以及进行科学计算可视化显示等[5]。利用现有的二维GIS开发工具、结合图形技术就能够有效地集成属性类信息和空间类信息对于空间属性类信息的三维问题则需要应用ActiveX 技术开发特殊的图形工具,输出等值线图、剖面图、三维构造图[4]。

2油气藏开发管理GIS中的图形表示技术

2.1二维图形表示技术

通常情况下GIS可视化采用的方法是二维图形学方法。由于二维可视化涉及的数据量相对较少,采用成熟的可视化理论方法,因此二维图形学表示方法目前仍然是GIS可视化的主流方法[6]。

2.1.1几何图形表示技术

通过把三维图形透视变换映射成二维图形,用折线、曲线、网络线等几何图形表示数值的大小。这种方法的优点是直观、准确,但反映的信息有限[7]。

(a)等值线

等值线图是油气藏开发GIS中最常见图形表示技术,常用于显示地表状况、地下构造、参数分布等。等值线可以由离散空间采样点生成也可以在现有等值线基础上内插产生。二维等值线技术已经非常成熟,由于其直观、准确,表示技术成熟,能够准确反映出物理量(高程、压力等)的特征,因而得到非常广泛的应用,见图1(a)。但是由于二维等值线技术是在二维平面上显示空间信息,显示过于抽象,需要专业研究人员运用主观想象来推断其中蕴涵的具体物理含义和规律,因此不利于交流与探讨,使用范围存在一定的局限。

(b)等值面

油气藏GIS中的等值面法可以认为是在平面等值线的基础上,对其附加了空间具体物理含义(高程、压力等)的一种接近三维的改良图形显示方法。等值面在一定程度上反映了第三维信息在空间中的形状,有利于研究人员直观观察与探讨,是全面实现三维GIS的第一步,因而也得到一定程度的重视和研究,见图1(b)。

一般情况下,等值面仅仅反映了诸如地形之类的表面起伏特征,并没有地形下面的信息,也没有表现出诸如地形厚度等三维信息,所以很多地方将等值面技术称为2.5维表示方法,或者称为“地形面三维”或称为“面三维”。

2.1.2色彩/灰度表示技术

用色彩或灰度来描述不同区域数值的方法。由于人们对色彩的接受能力更强,根据人的视觉系统对彩色色度的感觉和对亮度的敏感度来描述数值特性,这种方法的优点是直观、形象。典型的方法有区域填充(专题地图)、晕渲等方法。其中区域填充(专题地图)用于表示行政区划、人口分布等面域类型性质的色彩、图案和符号的填充,是GIS可视化主要形式之一。晕渲法以光辉暗影的光照视觉效果为手段,主要表示地形起伏、地貌形态结构等。

2.2分形表示技术

当空间物体不规则,不能直接用方程表达时,可以考虑使用分形几何方法来真实地描述。Mandelbrot于1973年提出的分形技术基于以下考虑:分形物体有两个基本的特征,一是每点处有无限的细节;二是物体整体和局部特性之间的自相似性。在油气藏开发管理GIS中的应用集中于地形模拟等方面。分形地形所表示的不是现实地形的再现,但其表达对象形象,易于交流和理解。另外,分形地形生成速度快,在实时性要求高的场合下经常使用。

2.3三维图形表示技术

目前,使用较为广泛的3D图形表示技术有OpenGL、Direct3D、Java3D和VRML等。OpenGL是SGI开发的三维图形库,广泛应用于三维应用程序的编制,是与设备无关的图形建模语言,在UNIX、Windows等不同操作系统见可以方便移植、易于使用。

Direct3D是Microsoft公司开发的三维函数库,是DirectX的一个重要组成部分,它基于Windows系统的COM接口,利用了微软在操作系统上的优势。Direct3D在充分利用硬件资源、加快三维渲染速度方面有很好的性能。

Java3D则结合了Java语言的优势,具有快速编写和跨平台的特点;VRML是一种模型描述语言,在网页中与HTML语言融合,其本身没有建立应用程序的能力,但它提供了一种网络环境下描述三维场景的标准语言体系,由于受Internet传输带宽的限制,支持数据量有限。

三维立体图能真实地再现三维空间中的数据场分布,让观察者感知到三维空间的存在,对突出表达三维物体的分布特性有明显效果[7],在油气藏开发管理GIS中的应用越来越多。

2.4体视化技术

在前述的图形表示技术中,无论是二维的等值线、色彩/灰度,还是分形、三维模型等大多只关心物体表面的几何表示、变换和显示问题,而在表达物体内部信息上都有很大的难度。

体视化技术的任务即是揭示物体内部复杂结构、看到通常看不到的物体内部结构。体视化技术研究含有物理内部信息的体数据的表示、操作和显示问题。它通过对研究对象某种物理属性(如渗透率、孔隙度等)进行空间采样来获取体数据,在此基础上通过分割、匹配、插值、表面重建或者直接体视来研究对象。体数据含有比表面更丰富、更完整、更有价值的信息,而且更适于表示不规则物体,如油藏分布、山脉内部构造等。

在石油天然气开发中,利用先进的勘探技术获得表示地质结构的体数据(如利用地震波或者声波在不同地质构造层中传播速度和衰减程度不同的特点,结合Radon反演变换技术就可以重构出体数据),在此基础上结合虚拟现实技术开发出可供工程人员交互式“漫游和勘探”的辅助油气藏开发系统,对提高石油开发水平、节约开发成本、提高决策正确率等方面都能发挥巨大作用,也必然带来巨大的经济效益[8]。

2.5虚拟现实技术

虚拟现实(或称虚拟环境),是指由硬件、软件和人组成的一个系统,可让人在计算机软硬件模拟产生的一个虚拟三维空间中自由地行走探索,并可感知与他人或其他虚拟物体进行交互。

随着GIS技术的进一步发展和完善,将GIS与虚拟现实技术相结合,可以实现虚拟油田,把复杂的地表三维地形和地下地质信息转换为动态、可视和可交互的三维图形,研究者可以从各个角度观察地下地质情况,直接在其上设计井位和开发方案,结合油藏数模专业应用模型还可以追踪油气藏的生产史,优化开发方案,改善油气藏管理[9]。因此GIS与VR相结合,利用VR生动直观、沉浸、交互的特点,达到更好的理解研究目标的目的,将是一种必然趋势[10]。

图4 体视化技术表示的地质构成

2.6 动画技术

随着GIS理论研究和实际应用的飞速发展,不断扩大的应用领域对数据处理提出了另一个要求:时态性课题。在GIS中有效可视化时间成为一个研究热点问题。随着时间变化的地学现象是一个运动变化过程,将动画应用到GIS中产生了地图动画。

遵照对象演化发展规律制作出的动画可以把对象的快速变化模型化和可视化,将其应用到油气藏开发GIS中能就油气藏资源管理等做出预测,提出解决方案。

3结论

3.1可视化是GIS应用研究的关键技术,目前的GIS开发工具在可视化方面还存在许多缺陷,需要进一步研究与开发工具丰富图形表示方法;

3.2三维立体图打破了二维图形在平面上显示信息的局限性,能将信息以三维形式直观表现出来,使用户有进入到真实环境的感觉,是GIS可视化主要的形式之一;

3.3分形图形技术能实现地形纹理快速模拟,对定点地形进行再分形能够观察到更多细节。同时由于分形地形具有生成迅速的特点,对实现地形漫游中地形表面的快速生成模拟有重要意义;

3.4随着技术进步和用户需求的提高,结合体视化技术的三维图形技术将能够实现对地表下、地表、地表上的对象立体观察;在虚拟现实技术支持下,结合体数据的“数据溶入”技术使研究人员可以借助立体观察设备(头盔等)直接“进入”储层,考察储层相关性质,将对油气藏开发将产生深远影响。

3.5采用动画技术后,可以模拟出油气藏形成发展的动态过程,也可为储层参数等变化提供动态、持续变化模拟,直观展示油气藏开发动态变化,为决策提供参考依据;

3.6综合了三维图形技术、体视化技术与虚拟现实等高级图形技术的油气藏开发GIS,能够实现对复杂油气藏地质构造、储层物性参数变化等实时、动态、多角度、可交互可视化描述,从而提高油气勘探水平,缩短决策周期,为油藏的生产管理与决策发挥巨大作用。

参考文献:

[1]吴信才.地理信息系统原理与方法[M].北京:电子工业出版社,2002.

[2]Miller BM.Application of geographic information systems (GIS) to exploration studies in the San Juan Basin, New Mexico(abs.)[J], AAPG Bulletin,1990,74(5):719.

[3]方旭,黄厚宽,刘江梅.基于GIS技术的油气勘探数据库应用系统[J].计算机系统应用,1999(3):12~14.

[4]陈伟,李允,黎明等.地理信息系统与油田开发管理[J].西南石油学院学报,2001,23 (1):34-36.

[5]孙家广,杨长贵.计算机图形学[M].清华大学出版社,1998.

[6]孙敏.空间信息可视化:给数据以形象.中国计算机用户—赛迪网[J].2003,6.

[7]王英杰,袁勘省,余卓渊等.多维动态地学信息可视化[M].科学出版社,2003.

[8]管伟光,马颂德等.体视化技术及其应用[M].电子工业出版社,1998.

[9]何贞铭,吴信才.GIS在石油地质中的应用[J].江汉石油学院学报,2003

,25(2):75.

[10]刘晓艳,张宏,闾国年,沈婕.地理信息系统与虚拟现实之间的数据互操作研究[J].测绘通报,2003(2).

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