专利名称：一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法
技术领域：
本发明涉及一种在隐式表达的地质构造模型约束下，自动进行速度建模和射线追踪的系统与方法，特别涉及一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法。
背景技术：
由于射线携带着大量对于地震反演、建模和偏移十分有用的信息，因此射线追踪方法在地震勘探数据处理中扮演着非常重要的角色。如果地下速度已知，射线路径、旅行时、振幅和出射角等参数都可以通过射线追踪的数值计算得到。早在1977年Cerveny等人就提出了射线追踪方法，后来的Cerveny和Hron又进行了补充和完善，这些构成了经典的射线追踪理论。射线追踪从数学理论到计算机实现也非常直接，但直到近些年，三维射线追踪在实际地震反演和建模中的应用也非常有限，大多是科研领域进行模拟实例研究，例如为了实验新的处理方法生成三维合成地震记录，或者是检验某种假设和近似的合理性。这种方法在石油工业界所以不能够被广泛应用的一个重要原因，就是对于真实的复杂地质构造区域三维地震勘探应用是非常耗费计算资源的，而且传统方法的误差也是很大的。国内外已有许多基于网格的速度建模方法用于射线追踪和层析反演。2004年Chapman也介绍了一种基于射线的速度建模算法，能够感知层面框架，当射线遇到层面时能沿射线传播物理属性。但是，这些传统方法通常基于四面体网格，网格的生成受断面和层面约束，包括不整合和上覆地层等，在复杂地下构造的地区，网格生成往往十分困难且生成网格质量不高。2006年，Ruger等人提出一种从精细采样的均勻速度网格中自动生成地层速度结构网格的方法，该方法无需提供额外的约束信息(如断层和地层)， 速度网格在不连续区域被嵌入Delaimay细分的四面体网格中，但他们并没有从根本上解决约束网格生成的难题。传统的射线追踪通常将工作流分割成几个不同的阶段拾取构造特征、生成速度模型和射线追踪，除了前一阶段的输出会作为下一阶段的输入外，各个阶段往往相互独立，没有其它必然联系。本发明公开了一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法，射线追踪的三个主要阶段构造建模、速度建模和射线追踪具有统一的方法基础——隐式表达方法，不仅能有效表达复杂地质构造，而且各阶段有机联系，除前一段为后一阶段的输入外，还为后一阶段提供结构支撑和计算方法支撑，构成一个统一的整体。
发明内容
本发明要解决的技术问题是研究在复杂地质构造模型中自动进行速度建模和高精度射线追踪的方法，用于地震勘探数据反演、建模和偏移的系统，以解决现有射线追踪方法在复杂地质构造中实施困难的问题，从而克服现有技术中精度不高、效率较低以及难以有效支撑地震反演、偏移和模拟的困难。本发明解决其技术问题所采取的技术方案是提供一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法，其在隐式模型表达的构造模型约束下，进行速度建模和界面感知射线追踪，包括以下步骤步骤A，基于隐式的地质界面和地质体生成方法构造三维地质构造模型，包括符号距离场和地层二叉树；步骤B，在隐式表达的三维构造模型基础上自动构造速度模型；步骤C，根据构造模型和速度模型进行射线追踪。步骤A中的符号距离场是构造模型的隐式表达形式，符号距离场的零等值面用以表示相应的地质层面；地层二叉树是描述地质层面和地质体空间拓扑关系的数据结构，具有以下性质每一个非叶子节点代表一个层面，每一个叶子节点代表层面所分割的一个空间区域，即地层体；主地层总是相应辅地层的父或祖先节点；对任一地层二叉树节点，它的左节点、自己、它的右节点对应的层面总是成为层序或逆层序的子排列。步骤B进一步包括步骤Bi，根据地层二叉树和符号距离场为每个地层体指定四面体网格，这些四面体网格包括完全位于地层体内部和与地层体边界地层面相交的四面体网格，相交的四面体网格在与其相交的不同地层体中各保存一份复本；步骤B2，根据速度生成规则为每个地层体指定的四面体网格顶点赋速度值，并以地层体为单位组织速度文件；速度生成规由地层面基速度函数和速度梯度共同决定，其中速度梯度来源于地质学家和地球物理学家的先验知识或者由偏移速度分析获取。步骤C进一步包括步骤Cl，根据运动学方程，采用等时分割的方法，对射线路径分段计算；每一计算分段称为一个射线步，对每个射线步，如果其与四面体单元的边界三角形相交，那么它将被该面截断，相交点成为该射线步新的终点。步骤C2，检查射线步是否与断层相交由于断层面采用四面体网格面显示表达， 且取消了断层两侧四面体拓扑邻接关系，共享断层面的相邻四面体各自保留一份公共面复本，当射线步与四面体的边界三角形相交时，检查该面是否为断层面，如果是，则将该射线步终点标记为位于断层，即该射线步与断层相交；步骤C3，检查射线步是否与地层面相交，由于地层面采用了隐示函数表达，不能直接判定相交，可使用判断空间点层位的规则在地层二叉树中确定如果射线步的起点和终点位于地层二叉树同一叶节点，可以确定该射线步完全位于某地层体内而没有与地层面相交；否则，该射线步至少与一个地层面相交。进一步确定交点的确切位置检查从该射线步起点所在地层体叶节点到根节点的溯祖路径上的每个节点，对于非叶节点，如果射线步的起点和终点在符号距离场中符号相反，则可以确定射线步与该地层面相交，射线步的起点和终点在符号距离场中的值的比例可以确定交点的确切位置。步骤C4，当射线步与断层或地层相交时，将发生反射和折射，使用符号距离场，可迅速计算出射线与层面相交点处的法向量，以方便计算射线入射角与出射角。当射线步相交于断层时，反射射线步仍在当前地层体的当前四面体中进行，但具有新的射线方向；折射射线步将在与当前四面体共享断层面的相邻四面体中进行，根据判断空间点层位的规则可以确定新四面体所在地层体，如果不在当前地层体，需要加载相应地层体速度文件，并使用新地层体的速度生成规则为折射射线步起点插值出速度值。当射线步相交于地层时，反射射线步仍在当前地层体中进行，但具有新的射线方向；折射射线步将起始于新的地层体，新地层体使用修正的判断空间点层位的规则确定，并加载相应地层体速度文件，使用新四面体复本为折射射线步起点插值出速度值。步骤C3及C4中的判断空间点层位的规则是指从地层二叉树根节点开始选择性遍历，由当前二叉树节点对应的层面的符号距离场中插值出给定空间点的值，由该值的符号决定下一个遍历的子节点是左子节点还是右子节点，如此继续遍历，直至抵达叶子节点即给出了空间点所在层位；修正的判断空间点层位的规则的是指当遍历至相交地层的非叶节点，如果当前地层体位于左子树，则从右子树继续遍历，反之亦然。本发明与现有技术相比所具有的优点是1、本发明由于采用的隐式方法表达构造模型，能直接服务于速度建模和射线追踪，适用于复杂地质构造环境；2、本发明速度建模中，采用多重复本方法，以地层体为单位生成速度文件，能嵌入地质学家和地球物理学家对地质规律的认识，能实现地层界面处速度的间断表达，为射线追踪有供有力支撑；3、本发明利用符号距离场和地层二叉树，形成了一整套合理的射线相交、反射和折射规则，有效提高了射线追踪的精度与效率。
图1为地质构造剖面和对应生成的地层二叉树；图2为与地层面相交的四面体示意图；图3为具有双重复本的速度模型表达示意图；图4为带有多个断层的复杂地质构造模型；图5为单射线在复杂构造模型中的反射、折射示意图；图6为复杂构造模型中内部任意点源射线到某剖面的传播示意图；图7为带有蘑菇体的复杂地质构造模型；图8为内部任意点源射线在带有蘑菇体的复杂地质构造模型的传播(只考虑反射)示意图；图9为射线在蘑菇体边界具有高对比速度的构造模型中传播的剖面示意图；图10为实际地震勘探地质构造模型对应的速度模型；图11为内部任意点源射线在实际地震勘探地质构造模型中的传播(只考虑折射) 示意图；图12为内部任意点源射线在实际地震勘探地质构造模型中传播的构造波前面示意图。
具体实施例方式下面结合
本发明的具体实施方式
。一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法包含三个步骤，包括步骤A，基于隐式的地质界面和地质体生成方法构造三维地质构造模型，包括符号距离场和地层二叉树；其中，步骤A中基于隐式的地质界面和地质体生成方法，可采用“一种基于水平集的地层面及地质体生成方法”(已获得国家专利，专利授权号为ZL200810112^3. 6)， 也可采取其它的数学方法为每个层面生成相应的符号数据场(如Frank，Τ.，Tertois, A. L. , Mallet, J. L. ,2007. 3D-reconstruction of complex geological interfaces from irregularly distributed and noisy point data. Computer&Geosciences 33 :932-943 ； Calcagno, P. , Chiles, J. , Courrioux, G. , Guillen, A. , 2008, Geological modeling from field data and geological knowledge-part I !Modelling method coupling 3D potential-field interpolation and geological rules :Physics of the Earth and Planetary Interiors 171 (1-4)，147-157.)层面作为符号数据场的零等值面。隐式表达方法采用符号距离场作为表示形式，用符号距离场的零等值面来表达隐式曲面。在本发明中，为每一个地层面构造符号距离场，符号距离场的零等值面用以表达地质层面。同时，定义了一种描述地质层面和地质体空间拓扑关系的数据结构——地层二叉树，它具有以下性质每一个非叶子节点代表一个层面，每一个叶子节点代表层面所分割的一个空间区域，即地层体；主地层总是相应辅地层的父或祖先节点；对任一地层二叉树节点，它的左节点、自己、它的右节点对应的层面总是成为层序或逆层序的子排列。图1为地质构造剖面和其对应生成的地层二叉树的示意图，其中，Si(i = 1,2,3,4)代表地层面，对应于地层体的上表面，Ti(i = 1,2, ...，9)代表被地层划分的空间子区域，图中地层S2将空间区域划分成Tl和T2两子区域，两个子区域又分别被划分。步骤B，在隐式表达的三维构造模型基础上自动构造速度模型；步骤Bi，根据地层二叉树和符号距离场为每个地层体指定四面体网格，这些四面体网格包括完全位于地层体内部和与地层体边界地层面相交的四面体网格，相交的四面体网格在与其相交的不同地层体中各保存一份复本；步骤B2，根据速度生成规则为每个地层体指定的四面体网格顶点赋速度值，并以地层体为单位组织速度文件；速度生成规由地层面基速度函数和速度梯度共同决定，其中速度梯度来源于地质学家和地球物理学家的先验知识或者由偏移速度分析获取。速度建模本质上是一种属性建模，当速度模型应用于界面感知的射线追踪时，对速度模型精度要求很高，特别是在断层、地层等界面处的速度表达。已有许多基于网格的速度建模方法用于层面感知的射线追踪，但是这些基于网格的界面感知速度建模算法的主要困难在于复杂构造模型约束下的网格生成。基于隐式表达的速度建模的一个主要挑战在于隐式地层并不是四面体网格界面，没有网格顶点对应于地层面。要查找每一个网格顶点所属的地层并为它们赋值，通过列举或与所有层面进行比较是一种耗时且笨拙的做法。对那些与层面相交的网格，如何为各顶点赋速度值有不同解决方法。因为不是所有四个顶点都来自同一地层体，通过直接线性插值的方法为内部点赋速度值会导致错误的结果。2007年 Bargteil等人在解决地质体重建中一类相似问题时提出了一种方法，该方法将完全位于地层上方或下方的四面体设置为常数，对于与层面相交的四面体则根据两种材料之间的比例采用一种体近似策略。对于塑性变形的固体材料来说，这是一种简单而有效的方法，但并不适合用于射线追踪的速度建模。因为在射线追踪过程中，有大量的射线与层面的相交计算， 层面相邻的速度的不准确会影响射线方向的计算。各向同性介质中，速度可以被定义具有常量梯度、指数函数、圆锥函数或是可分析的特征。由于地层的沉积特性使得地质构造具有横向各向同性的对称特征，在垂向深度方向，速度可能不再是常量梯度。然而，在动态构造区域，经过长期构造演化，地层可能发生倾斜，从而导致横向对称轴的倾斜。大多数的地震勘探研究都是基于层状地质模型，由于沉积特性，层内速度呈线性变化。然而随垂向深度增大，速度的变化可能并不总是连续的，特别是遇到地层时。因此，需要构造一种符合地学认识的速度模型，使得速度在层内连续变化， 而在层面交接处可能发生间断。基于以上地质认识，用于射线追踪和反演的速度模型必须与地层介质的分布一致。因此，速度建模主要包括两个部分为地层体指定四面体网格，以及根据倾斜横向各向同性原理为网格顶点赋速度值。本发明采用了一种速度梯度方法来计算每个地层体内网格顶点的速度。首先，为每个地层体底层面指定一个2D基速度函数ν (x，y)，根据地层界面上的基速度值和速度梯度(通常为地质学家和地球物理学家的先验知识或由偏移速度分析获取)，使用下式计算地层体内的速度ν (P) = V0 (P) +g*h (P)式中，ν⑵表示要求取的四面体网格顶点P的速度值，Vtl⑵为指定地层界面的基速度值，g为地层体的速度梯度，h(P)表示顶点P到地层的法向距离。显然，h(P)可以直接由地层构造模型的符号距离场计算得到，同样按照符号距离场负梯度方向从P追踪到地层面，可以得到地层基速度Vtl(P)。速度模型被细分成四面体网格，在射线追踪过程中，需要使用射线所经过的每个网格顶点的速度值。四面体单元内部点的速度值由四个顶点的速度值线性插值而得，但对于与层面相交的四面体网格，这种插值方法就不再合适了。因为地层界面并没有显式地定义为四面体网格的约束信息，而用隐式方法表达的地层面不能由四面体的三角网格面所表达。因此，如果仅使用简单插值方法，网格与层面相交处的速度值就可能不正确或无法解释。如图加所示，四面体网格单元与地层相交，顶点A位于地层面之上，其它三个顶点B、C 和D位于地层面之下，现在要计算内部点E的速度值。如果直接使用四个顶点的速度值进行线性插值，那么得到的E点速度值可能不正确或令人无法解释，因为A点和B、C、D三点速度值使用不同的速度梯度计算而得。错误的速度值将导致的错误的射线追踪，而这些地层界面处是射线追踪极为敏感的区域，对射线追踪十分重要，它将决定射线的方向。本发明采用了双重复本的方法来解决这一问题，为了计算层面之上的相交网格单元内的点的速度值，将层面之上的地层体速度生成规则延伸到该相交网格单元的所有顶点 (包括层面之上和之下)，并将这些顶点的速度值记录在层面上地层体速度文件中。对于相交网格单元的位于层面之下的顶点，使用同样的方法，将层面之下的地层体速度生成规则延伸到该相交网格单元的所有顶点，并将这些顶点的速度值记录在层面下地层体的速度文件中。对于更为复杂多层面与网格单元相交的情形，如图2b，该方法也很容易扩展为多重复本的方法，为每个地层体生成有不同复本的速度文件，即，如果四面体与多个地层体相交，则会有多个该四面体的不同速度值复本存在，并记录在相应地层体的速度文件中，图3 描述速度赋值的方法。因此，速度建模过程也需要相应扩展。对每一个地层体，需要查找位于地层体内以及与其地层面相交的四面体网格，并使用该地层体的速度生成规则为四面体网格顶点赋值。实现中的主要困难在于如何查找这些四面体。具体做法是对每一地层体，遍历所有四面体网格，使用符号距离场和地层二叉树，确定四面体是否包含在地层体内或与地层面相交，通常，在地层二叉树中的查找路径为从表示该地层体的叶节点追溯到根节点的路径。例如，要检查四面体C是否包含在地层体S内或与其相交，在地层二叉树中的遍历过程从表示地层体S的叶节点开始，定义一个迭代器指示其遍历的过程。首先，迭代器指向该叶节点的父节点(地层二叉树中非叶节点表示地质层面)，如果地层体S位于迭代器所指示地层的一侧，而四面体C的所有顶点位于另一侧，则可以确定该四面体不包含在地层体S中或与其相交，遍历终止；否则更新迭代器的位置，沿祖先路径追溯，直至根节点，如果追溯过程一直没有违反判断条件，则可确定四面体S包含在地层体S中或与其相交。当找到所有包含在地层体S或与其相交的四面体后，根据速度生成规则为该地层体赋速度值，并生成其相应的速度文件。步骤C，根据构造模型和速度模型进行射线追踪。步骤Cl，根据运动学方程，采用等时分割的方法，对射线路径分段计算；每一计算分段称为一个射线步，对每个射线步，如果其与四面体单元的边界三角形相交，那么它将被该面截断，相交点成为该射线步新的终点。光线追踪的运动学方程属于程函方程，Cerveny使用特征法描述了其具体形式，如下式
权利要求
1.一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法，在隐式方法表达的三维地质构造模型约束下，自动构造速度模型，进行射线追踪，用于地震勘探数据反演、建模和偏移的系统；其特征在于，包括以下步骤步骤A，基于隐式的地质界面和地质体生成方法构造三维地质构造模型，包括符号距离场和地层二叉树；步骤B，在隐式表达的三维构造模型基础上自动构造速度模型；步骤C，根据构造模型和速度模型进行射线追踪。
2.根据权利要求1所述的一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法，其特征在于，所述步骤A中的符号距离场是构造模型的隐式表达形式，符号距离场的零等值面用以表示相应的地质层面。
3.根据权利要求1所述的一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法，其特征在于，所述步骤A中的地层二叉树是描述地质层面和地质体空间拓扑关系的数据结构，具有以下性质每一个非叶子节点代表一个层面，每一个叶子节点代表层面所分割的一个空间区域，即地层体；主地层总是相应辅地层的父或祖先节点；对任一地层二叉树节点，它的左节点、自己、它的右节点对应的层面总是成为层序或逆层序的子排列。
4.根据权利要求1所述的一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法，其特征在于，所述步骤B进一步包括步骤Bi，根据地层二叉树和符号距离场为每个地层体指定四面体网格，这些四面体网格包括完全位于地层体内部和与地层体边界地层面相交的四面体网格，相交的四面体网格在与其相交的不同地层体中各保存一份复本；步骤B2，根据速度生成规则为每个地层体指定的四面体网格顶点赋速度值，并以地层体为单位组织速度文件；速度生成规由地层面基速度函数和速度梯度共同决定，其中速度梯度来源于地质学家和地球物理学家的先验知识或者由偏移速度分析获取。
5.根据权利要求1所述的一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法，其特征在于，所述步骤C进一步包括步骤Cl，根据运动学方程，采用等时分割的方法，对射线路径分段计算；每一计算分段称为一个射线步，对每个射线步，如果其与四面体单元的边界三角形相交，那么它将被该面截断，相交点成为该射线步新的终点；步骤C2，检查射线步是否与断层相交由于断层面采用四面体网格面显示表达，且取消了断层两侧四面体拓扑邻接关系，共享断层面的相邻四面体各自保留一份公共面复本， 当射线步与四面体的边界三角形相交时，检查该面是否为断层面，如果是，则将该射线步终点标记为位于断层，即该射线步与断层相交；步骤C3，检查射线步是否与地层面相交，由于地层面采用了隐示函数表达，不能直接判定相交，可使用判断空间点层位的规则在地层二叉树中确定如果射线步的起点和终点位于地层二叉树同一叶节点，可以确定该射线步完全位于某地层体内而没有与地层面相交； 否则，该射线步至少与一个地层面相交；进一步确定交点的确切位置检查从该射线步起点所在地层体叶节点到根节点的溯祖路径上的每个节点，对于非叶节点，如果射线步的起点和终点在符号距离场中符号相反，则可以确定射线步与该地层面相交，射线步的起点和终点在符号距离场中的值的比例可以确定交点的确切位置；步骤C4，当射线步与断层或地层相交时，将发生反射和折射，使用符号距离场，可迅速计算出射线与层面相交点处的法向量，以方便计算射线入射角与出射角；当射线步相交于断层时，反射射线步仍在当前地层体的当前四面体中进行，但具有新的射线方向；折射射线步将在与当前四面体共享断层面的相邻四面体中进行，根据判断空间点层位的规则可以确定新四面体所在地层体，如果不在当前地层体，需要加载相应地层体速度文件，并使用新地层体的速度生成规则为折射射线步起点插值出速度值；当射线步相交于地层时，反射射线步仍在当前地层体中进行，但具有新的射线方向；折射射线步将起始于新的地层体，新地层体使用修正的判断空间点层位的规则确定，并加载相应地层体速度文件，使用新四面体复本为折射射线步起点插值出速度值。
6.根据权利要求5所述的一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法，其特征在于，所述的步骤C3及C4中的判断空间点层位的规则和修正的判断空间点层位的规则中判断空间点层位的规则是指从地层二叉树根节点开始选择性遍历，由当前二叉树节点对应的层面的符号距离场中插值出给定空间点的值，由该值的符号决定下一个遍历的子节点是左子节点还是右子节点，如此继续遍历，直至抵达叶子节点即给出了空间点所在层位；修正的判断空间点层位的规则的是指当遍历至相交地层的非叶节点，如果当前地层体位于左子树，则从右子树继续遍历，反之亦然。
全文摘要
本发明公开了一种基于隐式模型表达的界面感知射线追踪方法，用于地震数据反演、建模和偏移的系统，步骤为基于隐函数来表达地质界面；使用二叉树来描述地层沉积序列，并结合隐式表达的地质界面实现三维地质体构造模型的生成；在隐式表达的构造模型的基础上，根据指定的每个地层体的速度分布规则，为包含在地层体内或者与地层面相交的四面体单元顶点赋速度值，并以地层体为单位，组织和存储速度文件；在隐式表达的构造模型约束下，根据运动学方程和反射定律，基于界面感知的射线追踪在构造模型中分段迭代进行。本发明可对复杂地质构造模型的自动进行速度建模，并完成高精度和健壮的射线追踪，为地震反演、偏移成像和数值模拟获得重要参数。
文档编号G01V1/28GK102495427SQ201110414879
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月10日 优先权日2011年12月10日
发明者孟宪海, 张建兴, 李吉刚, 杨钦 申请人:北京航空航天大学