基于逐段迭代射線追蹤算法的三維可視化軟件實現(xiàn)

肖吉星+王軍民

摘要：隨著地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展，三維地震勘探技術(shù)作為新的地球物理勘探方法，在石油界已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，由此，三維地震模型的可視化和正演成為地球物理勘探的重要部分；加之近年來計算機圖像處理能力的加強以及計算速度的提高也為快速的三維可視化提供了實現(xiàn)基礎(chǔ)。本文基于成熟的逐段迭代射線追蹤法，用C語言實現(xiàn)多層水平層狀均勻介質(zhì)算法，并結(jié)合QT，OPENGL實現(xiàn)模型可視化和模型正演程序界面，并實現(xiàn)了可拖動、旋轉(zhuǎn)的基本交互。

關(guān)鍵詞：三維結(jié)構(gòu)；逐段迭代；射線路徑；射線追蹤；模型可視化；模型正演

近年來，隨著地球物理勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，地震勘探已經(jīng)進入了高精度、高分辨率勘探階段，三維地震勘探的地位進一步的得到石油界的廣泛認(rèn)可，因此三維地震模型的可視化和正演成為地球物理勘探技術(shù)的重要組成部分。利用三維地質(zhì)模型可以以3D真實感的圖像的形式形象的表達地質(zhì)構(gòu)造的真實形態(tài)、特征以及三維空間物性參數(shù)分布規(guī)律。實現(xiàn)正演模擬的三維可視化對于地震資料處理、解釋具有重大意義，可以大大提高解釋的直觀性與準(zhǔn)確性。

1 逐段迭代射線追蹤方法理論介紹

逐段迭代射線追蹤方法是對Fermat原理和Snell定理的地球物理應(yīng)用與延伸，地震波在地層的傳播過程中，同一條射線路徑上滿足相同射線參數(shù)，實際上在地層中任意連續(xù)三點都滿足這些射線參數(shù)，而三點間的具體形式為Snell定律。從射線的任意一端出發(fā)，依據(jù)Snell定理，求出中間點，然后以一個小單位長度為步長移動，順次進行下去，直到另一個端點，完成一次射線路徑迭代計算。當(dāng)整條路徑的總矯正量滿足精度要求時，就認(rèn)為最后一次的追蹤計算結(jié)果為射線路徑，不然，就一直重復(fù)上述過程，直到找到路徑為止。這種計算方法在保證了計算速度的情況下，也可以滿足大部分需求的精度要求。

下面以透射波的推導(dǎo)過程為例給出具體公式：假設(shè)空間中的一界面z=f（x，y），設(shè)P1點的坐標(biāo)為 ，P3點的坐標(biāo)為 ，則P1點到 P3點的總旅行時為：

對（1）求導(dǎo)，對結(jié)果進行一階不完全泰勒展開，即對射線長度不做展開。此時

最后推得 ，其具體形式為：

求解的到 后，用 代替原來的 。重復(fù)以上過程直到達到所需精度要求。反射波的情況與之類似。

2 軟件設(shè)計

軟件UI使用了Qt進行設(shè)計，主要實現(xiàn)模型創(chuàng)建，參數(shù)設(shè)置，參數(shù)修改，數(shù)據(jù)處理，三維模型呈現(xiàn)，模型交互等功能。三維模型建立采用了OPENGL實現(xiàn)，將計算模塊與三維模型建立模塊最大程度的分離，符合軟件設(shè)計低藕性、內(nèi)聚性的特性。

3 軟件展示及總結(jié)

軟件實現(xiàn)了模擬透射波傳播路徑模型，并可以通過修改震源，檢波器的坐標(biāo)，以及地層參數(shù)對各種不同的情況進行正演模擬與展示。

參考文獻：

[1]高爾根，徐果明，蔣先藝，等.三維結(jié)構(gòu)下逐段迭代射線追蹤方法[J].石油地球物理勘探，2002，37（1）：11-16

[2]李飛，徐濤，武振波，等.三維非均勻地質(zhì)模型中的逐段迭代射線追蹤[J].地球物理學(xué)報，2013，56（10）：3514-3522.

[3]劉殿秘.網(wǎng)格法射線追蹤研究及應(yīng)用[D].吉林大學(xué)，2004.

[4]趙博.三維地震模型可視化與正演[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京）， 2008.

[5]Rost R J. OpenGL（R） Shading Language[M]. Addison Wesley Longman Publishing Co. Inc. 2004.endprint