基于OpenGL的油田地下管線探測數據三維成像方法

龔大利， 劉得軍， 葉 琿， 李 輝， 張 嵩

( 1. 中國石油大學(北京) 地球物理與信息工程學院，北京 102249; 2. 中國石油昆侖合燃壓縮氣有限公司,安徽 合肥 230075 )

0 引言

在油田開發過程中，輸油、輸氣、輸水管線及光纜、電纜作為油田的重要基礎設施，一般埋藏在地下1.0～3.0 m，屬于隱蔽工程，擔負原油、天然氣等各種能源的輸送和調配，以及工業、生活等的供排水功能.由于歷史及其他原因，地下管線有的資料殘缺不全，有的資料精度不高或與現場不符，管線位置不明確，給井場開挖、打樁施工等現場作業帶來不便[1].由于沒有有效的技術手段解決該問題，每年都有井場作業施工時打漏地下管線的現象發生，進而造成油氣泄漏、停水、停電、通訊中斷等.因此，為適應油田現代化建設和加強油田地下空間規劃管理的需要，防止在油田建設中對現有管線系統造成破壞以引發不必要的損失，開展可視化地下管線探測方法研究具有重要意義[2-3].

傳統的管線探測方法包括磁力法、電磁感應法、磁共振法、超導效應法、磁通門法、磁光效應法、磁阻效應法等[4-10].這些方法存在探測深度有限，易受探測現場其他電磁信號干擾，更重要的是無法對有效探測信號進行可視化成像并直觀反映管線的位置及其分布.筆者利用磁阻傳感器陣列采集井場工作區域內磁異常信號；對所采集信號進行降噪處理，進而提升地下管線所致磁異常信號的信噪比，根據數據點所提供的信息對地下情況做出判斷，并利用OpenGL三維圖形顯示和處理功能實現地磁異常探測儀器數據可視化，利用該方法直觀反映管線的位置及分布信息，從而實現對油田地下管線的精確探測.

1 OpenGL圖形庫

OpenGL作為當前主流的底層圖形庫之一[11-13]，通過在軟件中提供硬件所不支持的特性，克服IrisGL接口只能提供底層硬件所支持特性問題，讓應用程序在性能相對較弱的系統上可以使用高級的圖形功能.OpenGL的基本工作流程見圖1.由圖1可以看出，頂點、線、多邊形等幾何數據在處理時通過運算器、逐頂點操作處理單元，而像素、圖像和位圖等數據在此過程中通過另一條處理路徑[14-15].2種類型的數據在最后階段的處理方式是相同的，即經過光柵化和對像素段操作.

圖1 OpenGL工作流程

2 數據成像方法

2.1 三維場景的設置

在三維圖形應用程序中，三維模型在屏幕上的視覺效果主要受三維模型在空間中的位置、視界空間的位置及大小，以及攝像機鏡頭的擺放位置等參數影響，因此場景設置主要是對3個參數的設置.在OpenGL中，存在與3個參數對應的3個變換——視圖變換、模型變換和投影變換，共同影響三維模型的成像結果.

視圖變換類比于設定攝像機的位置和鏡頭的朝向，在OpenGL中由gluLookAt()函數指定.

模型變換用來設定與模型的位置及方向相關的參數，以及在空間及尺度變換的參數.在設置視圖和模型變換前，需要調用glMatrixMode()函數并傳入值為GL—MODELVIEW的參數.

投影變換類似于為攝像機選擇1個鏡頭，它決定視界的形狀.在文中選擇正交投影，正交投影的視界是1個標準的矩形平行四面體，相同的長度不會因距離攝像頭的遠近變化而發生改變.設置投影變換前，需要調用glMatrixMode()函數并傳入值為GL—PROJECTION的參數.

為方便起見，將曲面和視界的中心置于原點，攝像頭的位置需要位于Z軸正方向.將視界的寬度和高度設置為窗口客戶區的大小，由于中心位于原點，得到視界在X，Y軸方向的值.視界在Z軸方向選取固定值.經過驗證，攝像頭的位置取為距視界Z軸正方向坐標的50個單位長度點是比較合理的.選擇無論遠近視覺效果相同的正交投影，最后調用函數glOrtho(x, -x,y,-y,z,-z)確定視界，其中x，y，z為視界3個方向的切割平面坐標.

2.2 三維曲面的生成

OpenGL利用基本圖元生成三維圖形和曲面，最常用的基本圖元是三角形，它能保證各個頂點在同一平面內.生成曲面即遍歷每個數據點.假設在外層的迭代中遍歷所有列，內層的迭代中遍歷每一列上的所有行，對行上的數據點的遍歷的順序需要滿足條件：

(1)這些數據點按照每3個1組的方式進行拆分；

(2)相鄰的2組之間存在2點交集；

(3)每組的3點遵循相同的排列次序 (順時針或逆時針)；

(4)每組的3點中有1個點與其余點不處于同一行內.

雖然OpenGL提供描繪三角形圖元句法，但是不需要直接使用.因為OpenGL提供更方便使用的圖元組合——三角形條帶句法，可以避免指定相互連接的三角形條帶中重復出現的頂點.三角形條帶的描述句法為

glBegin(GL—TRIANGLE—STRIP);

glVertex3f(x1,y1,z1);…;glVertex3f(xn,yn,zn);

glEnd();

其中{(xn,yn,zn)}為互不重合的數據點集，可以減小函數調用次數，提高程序的運行速度.假設數據點的規模是m×n，則前一種方式需要6(n-1)(m-1)次調用,后一種方式需要2n(m-1)次調用，在n較大時，后者調用次數約為前者的1/3.

三維曲面生成過程見圖2，其中點表示數據點在XY平面上的投影：

2.3 顏色的渲染

Z軸方向的高度反映數值的大小，即信號的強弱.如果不指定顏色，整個曲面將會用同一種顏色繪制.為了能對信號的強弱有更加直觀的體現，可以在曲面上加入顏色的變化，而在OpenGL中完全可以在指定頂點坐標的同時指定頂點的顏色，使用缺省設置，或者調用glShadeModel(GL—SMOOTH);OpenGL自動生成2個頂點顏色之間的過渡色.

圖2 三維曲面生成過程示意

文中將顏色分為10個色階，紅色和藍色分別表示數據文件中信號最強和最弱，利用OpenGL的RGBA顏色模式，可以通過在顏色三分量中逐漸減小紅色分量、增加藍色分量的方式搭建.最終產生10×3的色階數組，作為常量數組.色階中各顏色分量之間等差的情況下能夠取得最佳的顯示效果.

在生成三維曲面之前，先獲得該數據文件中的最大值和最小值，以及兩者之差d.當遍歷數據點時，每取得1個數據，將該點的值減去數據的最小值，將該差值除以d，將會得到1個0～1間的數，將該數乘以10后取整，獲得1個0～9間的整數，即為該數據點對應的顏色在色階數組中的下標.

3 數據采集及數據處理

3.1 數據采集

實際測量數據采集過程見圖3，為8探頭傳感器采樣時序及掃描探測方式.采集過程：傳感器1號探頭、2號探頭、……、8號探頭依次開始采樣，完成第一行共8個樣點的采樣后，再沿傳感器探頭行進方向依次進行第2行、第3行、……、第N行的掃描采樣.

圖3 傳感器行進方向與掃描探測過程

3.2 數據處理

在地磁信號探測過程中通常有一些附加噪聲迭加在地磁數據真實信號上.主要噪聲源包括地磁傳感器測量噪聲、載體磁場干擾、周圍環境磁性干擾及其他各種誤差和失真因素影響等.這些噪聲使地磁測量信號產生畸變，給地磁信號的測量分析帶來困難.因此，需要利用信號處理技術，提高信噪比，將淹沒在噪聲中的地磁信號提取出來.

小波變換具有良好的時頻局部化性質和多分辨率分析特性，采取合適的閾值選擇規則和比例調整方式對地磁測量信號進行降噪處理，可以區分測量地磁信號中的有用信號與噪聲，具有傳統分析方法不可比擬的優越性(見圖4).

圖4 利用小波變換分析技術對磁異常信號降嗓處理

4 現場應用

4.1 已知管線探測成像

為探測已知地下管線，選取大慶油田某井場附近1根埋藏在地下3 m左右的管線.實際埋藏管線見圖5(a)；利用OpenGL將管線探測儀對該管線的探測數據進行成像，成像結果見圖5(b).由圖3(b)可以看出，曲面中突起的深色區域為圖3(a)實際埋藏管線，其磁異常信號強度是明顯高于周圍介質的，同時可以直觀顯示管線的分布及走向.

圖5 某井場已知管線的探測成像結果

4.2 未知管線探測成像

為探測未知地下管線，選取大慶油田某井場附近疑似存在的地下管線，對管線的位置及走向未知的區域進行探測并進行可視化顯示.該區域埋藏分布較為集中的平行金屬管線，選取其中一段區域進行探測并將探測數據通過OpenGL進行成像，結果見圖6.由圖6可以看出，存在2處磁場脈沖信號強度異常區域，顯示為曲面顏色較深區域的突起和凹陷，說明在圖6(a)中曲面的突起處和凹陷處分別存在1條管線.因為受到金屬介質影響，探測儀發出的磁場脈沖信號明顯高于周圍介質；通過圖6(b)可以確定曲面橙色凸起部分存在金屬管線.同理，可以確定曲面藍色凹陷部分存在非金屬管線.

圖6 某井場未知地下管線的探測成像結果

4 結束語

根據地下管線探測儀探測的油田地下管線磁異常數據，基于Visual C++和OpenGL軟件平臺，利用OpenGL豐富的三維圖形繪制功能及顏色渲染功能生成帶色階的三維探測數據曲面，不同信號強度的數據用不同的顏色進行繪制，從而在探測儀顯示屏上可準確、直觀顯示油田地下管線的位置及走向等信息.此外，通過所開發的軟件平臺可方便地對所生成的三維數據圖像進行旋轉、放大、縮小、局部顏色增強等操作，進而在顯示屏上即可初步實現對油田地下管線的定性分析與位置判斷，強化現場實時分析功能，為探測數據的后期處理奠定基礎.