倪 艷，陳建華，李 吟，劉 慧

（1.新疆油田公司數(shù)據(jù)公司，新疆克拉瑪依834000；2.新疆油田公司北京聯(lián)絡(luò)處，北京100011）①

提高天地圖三維平臺(tái)油田單井模型加載效率的方法

倪 艷1，陳建華1，李 吟1，劉 慧2

（1.新疆油田公司數(shù)據(jù)公司，新疆克拉瑪依834000；2.新疆油田公司北京聯(lián)絡(luò)處，北京100011）①

隨著天地圖三維平臺(tái)在新疆油田中的逐步應(yīng)用，結(jié)合油田油井三維模型的特點(diǎn)和要求，從建模過(guò)程、模型封裝和優(yōu)化加載程序、制定標(biāo)準(zhǔn)化加載方法減少人工干預(yù)步驟3個(gè)方面對(duì)關(guān)鍵優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行探討，并給出單井模型示例對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)優(yōu)化前后的運(yùn)行性能參數(shù)對(duì)比，證實(shí)了優(yōu)化建模技術(shù)能提高天地圖三維平臺(tái)三維模型數(shù)據(jù)加載效率和響應(yīng)速度，為天地圖三維平臺(tái)在數(shù)字油田和智能油田建設(shè)方面發(fā)揮更大作用提供一定的參考。

天地圖三維平臺(tái)；數(shù)字油田；單井模型；模型加載效率

隨著新疆?dāng)?shù)字油田的深化應(yīng)用和新疆油田智能油田建設(shè)的啟動(dòng)，綜合運(yùn)用3S（RS、GIS、GPS）、測(cè)繪、三維虛擬仿真等可視化技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。尤其是在現(xiàn)今，大數(shù)據(jù)時(shí)代產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)和各種分析決策的結(jié)果80%都與空間位置有關(guān)，3S技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展智能油田、智慧城市技術(shù)的重要基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)保障，在油田和城市多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。同時(shí)，隨著國(guó)家將信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全納入國(guó)家安全戰(zhàn)略，對(duì)安全、自主、可控的空間信息平臺(tái)的要求日益迫切。

2012-04，新疆油田公司與國(guó)家測(cè)繪地理信息局簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，并與國(guó)家天地圖公司合作，引入了天地圖地理信息二維、三維平臺(tái)系統(tǒng)，但由于天地圖三維平臺(tái)主要是為城市三維開(kāi)發(fā)的，不完全適合油田三維的模型加載現(xiàn)狀，且油田單井三維模型數(shù)據(jù)加載工作量大，尤其是在加載油田單井模型時(shí)出現(xiàn)響應(yīng)速度緩慢以及模型數(shù)據(jù)加載效率低的問(wèn)題。模型加載完成后由于平臺(tái)增加了近1700多個(gè)場(chǎng)景，使得平臺(tái)運(yùn)行速度很慢。從前期的1 s響應(yīng)到加載井位模型后30 s響應(yīng)，嚴(yán)重影響了在油田的應(yīng)用效果。因此，如何提高平臺(tái)三維模型加載效率，同時(shí)又不影響三維場(chǎng)景圖像的顯示效果是急需解決的重要問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)用模型優(yōu)化技術(shù)建立靈活簡(jiǎn)便的三維場(chǎng)景模型，無(wú)疑是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵癥結(jié)所在。本文分別從建模過(guò)程、模型封裝和優(yōu)化加載程序、制定標(biāo)準(zhǔn)化加載方法減少人工干預(yù)步驟3個(gè)方面，對(duì)關(guān)鍵優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了深入研究探討，并通過(guò)在油田單井模型加載和顯示實(shí)際驗(yàn)證取得了良好的應(yīng)用效果，顯著提高了天地圖三維平臺(tái)模型加載效率和響應(yīng)速度，更好地為油田生產(chǎn)提供相關(guān)的地理信息資源和技術(shù)服務(wù)。

1 三維模型建模優(yōu)化方法

油田三維場(chǎng)景包含的內(nèi)容比較豐富，從空間上來(lái)講可以分為地上、地下2部分，從對(duì)象上又可以分為建筑、管網(wǎng)以及油田生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施。其中，運(yùn)用比較廣泛的是地形地貌、建筑物、單井和聯(lián)合站、處理站工藝流程。目前，構(gòu)建三維對(duì)象模型的手段有多種方式：一種是在軟件開(kāi)發(fā)上廣泛使用如Open GL、Direct X／Direct3D、Quick-Draw3D、VRML、IDL及Java3D等圖形接口，通過(guò)如VisualC＋＋等編程語(yǔ)言所構(gòu)建三維對(duì)象模型［1］；另外一種是通過(guò)使用3DMAX、AutoCAD、Google Sketch Up等建模工具所構(gòu)建三維模型。由于三維對(duì)象作為一種復(fù)雜的精細(xì)模型所要求的資源較高，因此創(chuàng)建三維模型不是對(duì)所有要描述的要素都逼真和細(xì)致地表達(dá)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)的不同需要結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景、質(zhì)量、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等約束條件進(jìn)行綜合取舍和權(quán)衡，使得三維模型既能滿足精度要求，又能和模型的形象化描述之間達(dá)到均衡，尤其是大規(guī)模的三維場(chǎng)景視圖所需要的模型的精細(xì)度和層次對(duì)三維展示平臺(tái)的性能有很大的影響。因此，非常有必要采用一些三維模型優(yōu)化技術(shù)在建模過(guò)程中有效地運(yùn)用，可以提升模型的可用性和應(yīng)用效果。

由于油田的復(fù)雜性和特殊性，在其中運(yùn)行和維護(hù)的設(shè)備設(shè)施數(shù)量眾多，因此所需要建立的三維實(shí)體模型數(shù)量需求非常龐大，在這種條件下就需要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，選擇與之相適應(yīng)的建模技術(shù)優(yōu)化方法來(lái)滿足油田在三維領(lǐng)域多樣化應(yīng)用上的要求。模型優(yōu)化方法在不影響視覺(jué)效果和工藝流程的情況下，通過(guò)適當(dāng)精簡(jiǎn)模型面數(shù)，盡量降低模型中多邊形的數(shù)量［2］。在實(shí)際建模和應(yīng)用過(guò)程中，在不影響整體顯示外觀情況下，一般采用以下幾種優(yōu)化方法盡可能減少三維對(duì)象模型庫(kù)中的多邊形數(shù)量，以達(dá)到目的。

1.1 減少三維模型面數(shù)

在三維模型建模時(shí)，如果建模方法不當(dāng)，就會(huì)產(chǎn)生數(shù)量巨大而且冗余的多邊形，尤其是涉及到三維對(duì)象模型復(fù)雜的內(nèi)部細(xì)節(jié)和部位，往往會(huì)產(chǎn)生被其他多邊形擋住的多邊形，這樣的情況通常在2個(gè)模型的遮擋部位、結(jié)合面、重合面等，這些多邊形在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不起任何作用，而且還影響著系統(tǒng)的加載效率，所以需要及時(shí)把它們清除。

1.2 在模型中使用三角形代替多邊形

在模型建模過(guò)程中，通過(guò)利用三角化算法，在模型處理過(guò)程中，把所有的非三角形通過(guò)精簡(jiǎn)和合并都轉(zhuǎn)化成三角形，同時(shí)在模型中通過(guò)合并減少總的三角形數(shù)量［3］（如圖1～2所示），保持一定的精度而且不會(huì)影響視覺(jué)效果表達(dá)。這種方法能夠大幅加速三維圖像的生成和顯示速度。

圖1 2個(gè)三角形合成1個(gè)三角形

圖2 3個(gè)三角形合成2個(gè)三角形

1.3 使用紋理代替多邊形

紋理是構(gòu)建三維模型的一個(gè)重要組成部分，紋理的好壞和精細(xì)程度直接反映到三維模型與真實(shí)展現(xiàn)場(chǎng)景的相似度。使用紋理可以把二維圖像上的像素值映射到三維模型的對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)上，從視覺(jué)效果上豐富模型細(xì)節(jié)，增強(qiáng)模型的真實(shí)感，在不損失所表達(dá)信息的前提下使模型繪制和像片紋理映射的速度達(dá)到最優(yōu)［4］，同時(shí)還可以避免對(duì)模型的每個(gè)細(xì)節(jié)都用多邊形表示，因此減少附加多邊形的使用，提高圖形顯示速度。

1.4 LOD技術(shù)

層次細(xì)節(jié)（LOD，Level Of Detail）模型有連續(xù)LOD和離散LOD兩種類(lèi)型［5］。一般來(lái)講，模型的細(xì)節(jié)層次越高，多邊形的數(shù)量就越多。通過(guò)簡(jiǎn)化技術(shù)可以根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)到模型距離的不同，創(chuàng)建不同細(xì)節(jié)程度的模型，來(lái)滿足應(yīng)用的要求，也就是通過(guò)制作多個(gè)細(xì)節(jié)層次不同的模型，根據(jù)視口位置判斷來(lái)確定載入哪種模型。這種技術(shù)的特點(diǎn)是確定模型展現(xiàn)的層次化，當(dāng)視口距離近時(shí)調(diào)用精細(xì)模型，距離遠(yuǎn)時(shí)調(diào)用較簡(jiǎn)單模型［6］，這樣在大型復(fù)雜的場(chǎng)景中可以大大減少計(jì)算量，使得系統(tǒng)的運(yùn)行速度得到較大的提升。

采用上述方法對(duì)油井三維模型進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)精簡(jiǎn)模型面數(shù)去除冗余，經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，在保證模型精度的前提下，油井三維模型面數(shù)減少了50%以上（如圖3所示）。

圖3 油井三維模型建模優(yōu)化效果對(duì)比

2 模型封裝和批量加載技術(shù)

模型封裝是通過(guò)將模型文件合成的方法，最終形成1個(gè)場(chǎng)景模型文件來(lái)改善和提高加載效率［7］。目前在天地圖三維平臺(tái)中，單井模型需要逐個(gè)加載，重復(fù)加載頻率高，由于1個(gè)模型導(dǎo)入平臺(tái)，就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)場(chǎng)景，同時(shí)也需要輸入相應(yīng)的位置坐標(biāo)，最后生成1個(gè)三維平臺(tái)能夠加載的場(chǎng)景文件。如果模型數(shù)量大，這樣往往會(huì)造成加載效率低下的問(wèn)題，尤其是1次導(dǎo)入上萬(wàn)口井模型，就會(huì)形成大量的模型場(chǎng)景文件，使得加載效率低下，平臺(tái)響應(yīng)速度慢，中間還經(jīng)常需要大量的人工干預(yù)來(lái)檢查坐標(biāo)位置匹配，遠(yuǎn)不能滿足油田應(yīng)用的需要。通過(guò)查閱國(guó)家天地圖公司提供的三維系統(tǒng)平臺(tái)的全部技術(shù)資料以及與該公司三維系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行技術(shù)交流后得知，由于該平臺(tái)是為城市三維而研發(fā)的，如果完全滿足油田的需要必須在三維數(shù)據(jù)組織和加載方式上進(jìn)行有效的改進(jìn)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要是通過(guò)模型封裝和開(kāi)發(fā)批量加載工具來(lái)改進(jìn)天地圖三維平臺(tái)加載效率。

在以往天地圖三維平臺(tái)中加載油田單井模型，首先需要將指定單井模型導(dǎo)入3DMAX軟件中，通過(guò)查找指定單井模型世界坐標(biāo)及模型坐標(biāo)，將指定單井模型文件導(dǎo)出成1個(gè)平臺(tái)加載文件；然后在天地圖三維平臺(tái)上輸入該模型的世界坐標(biāo)及模型坐標(biāo)，將平臺(tái)加載文件導(dǎo)入天地圖三維平臺(tái)；最后檢查模型坐標(biāo)和影像圖坐標(biāo)是否吻合。流程相對(duì)繁瑣，效率也不高，因此需要通過(guò)模型封裝和精簡(jiǎn)模型場(chǎng)景，把多個(gè)文件封裝合成1個(gè)模型文件，減少平臺(tái)加載文件的個(gè)數(shù)，可以提高模型加載速度和運(yùn)行效率。

另外，通過(guò)開(kāi)發(fā)輔助的批量加載工具，實(shí)現(xiàn)1次可批量加載上百口單井模型（如圖4所示），從而實(shí)現(xiàn)規(guī)模加載單井模型，減少平臺(tái)加載文件導(dǎo)出次數(shù)。導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件的多少主要取決于單井模型的文件大小，如果單個(gè)模型面數(shù)少，1次可批量加載單井的數(shù)量將更多。在實(shí)際場(chǎng)景驗(yàn)證過(guò)程中，通過(guò)使用批量加載程序，由原來(lái)1次只能加載1口單井模型到現(xiàn)在可1次加載110口單井模型，加載效率明顯提高。通過(guò)使用該工具可以使上百口井位模型全部形成1個(gè)場(chǎng)景，極大地減少了系統(tǒng)的場(chǎng)景數(shù)量，從根本解決天地圖三維平臺(tái)響應(yīng)速度慢的問(wèn)題。

圖4 精簡(jiǎn)模型面數(shù)后批量加載效果

3 建立油田三維模型加載標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

圖5 三維模型加載流程

目前，新疆油田擁有多尺度、多分辨率的DLG（數(shù)字線劃圖）、DOM（數(shù)字正射影像）、DEM（數(shù)字高程模型），有效地利用這些已有數(shù)據(jù)進(jìn)行油田三維建模，可以在很大程度上節(jié)約成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。同時(shí)，由于油田需要建立的三維模型數(shù)量巨大，為適應(yīng)油田三維模型建設(shè)和展示的需要，需要盡快建立油田三維標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)，完善油田三維模型制作及加載工作流程及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前，已經(jīng)完成了《三維模型批量加載作業(yè)流程》（如圖5所示），通過(guò)規(guī)范化的加載流程和步驟，從而提升天地圖三維平臺(tái)的整體運(yùn)行效果。

4 結(jié)論

1） 結(jié)合天地圖三維平臺(tái)在新疆油田的應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)的方法和措施。

2） 探討了從三維模型實(shí)例建立、模型封裝和模型加載過(guò)程中所用到的優(yōu)化技術(shù)和方法。通過(guò)靈活運(yùn)用該方法，在天地圖三維平臺(tái)軟件加載單井模型中有效減少三維建模和加載的工作量，并通過(guò)實(shí)際的應(yīng)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

3） 通過(guò)使用模型優(yōu)化技術(shù)，有效解決單井三維模型在天地圖三維平臺(tái)加載效率和響應(yīng)速度之間的矛盾，大幅度提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度和加載效率，達(dá)到理想的應(yīng)用效果，為天地圖三維平臺(tái)在油田的應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，也為新疆油田三維模型數(shù)據(jù)規(guī)范和加載模式進(jìn)行了有效的探索，為下一步大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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［7］ Soucy M，Laurendeau D.Multiresolution surface modeling based on hierarchical triangulation［J］.Computer Vision and Image Understanding，1996，63（1）：1-14.

Method of Loading Efficiency for Single Well Mood to Increase TIANDITU 3D Platform in Oilfield

With the gradual application of TIANDITU platform in the Xinjiang oilfield，combined with the characteristics and requirements of oil well from the 3D model，the modeling process，model encapsulation and optimization of loader，standard loading method to reduce the manual intervention step，three aspects of optimization of key technologies were studied，and the single well model example was given to verify the optimization effect.By running the performance comparison before and after optimization，confirming the optimization modeling technique can improve TIANDITU platform of 3D model data loading efficiency and response speed，as TIANDITU platform construction of digital oilfield in the oil field and intelligent play a greater role to provide certain reference.Key words：TIANDITU platform；digital oilfield；single well model；model loading efficiency

TE938

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.024

1001-3482（2014）11-0092-04①

2014-05-28

倪 艷（1980-），女，四川樂(lè)山人，主要從事二／三維地理信息系統(tǒng)及天地圖平臺(tái)在油田的應(yīng)用研究。