探地数据交互式河道提取与可视化系统

Richen Liu, Hanqi Guo, and Xiaoru Yuan

Seismic Structure Extraction Based on Multi-scale Sensitivity Analysis

Journal of Visualization, 17(3):157-166, 2014. Springer.

简介探地数据是石油与天然气勘探过程中向地下发送人工地震波收集到的反射数据。石油勘探人员通过分析反射数据，以深入了解地层结构。其中，地下河道是一类非常重要的地层结构，因为地下河道的分布与走向可以帮助勘探人员了解地下石油生成与蕴藏的信息，进而大大降低钻井定位与施工的成本。人工地震波的反射数据一般是地震波的振幅数据，主要是通过采用声波测速的技术获取的，而声波在不同的地层介质中的速度不同。此外，地层构造极其复杂，物质种类也非常丰富。因此，探地数据具有三个特点，噪音大、不连续性以及分辨率低。这使得对它的可视化与分析带来了极大的困难与挑战。

系统流程图

本系统对探地数据进行分析与可视化。主要包括二维切片分析和三维体绘制。系统设计了交互式的轻量级传递函数，帮助用户快速地提取二维切片上对应的地下成分的强度分布范围，并将该强度范围共享给进行三维体绘制的GPU，从而快速提取目标成分的三维结构与地理分布。为了提高用户的探索与感知效果，系统提供了三维体切割、全局染色、局部染色、噪音擦除，二维切片噪音擦除、目标增强等所见即所得的功能。系统还提供了三维结构（地下河道）的自动追踪功能，以及自定义符号库的功能，从而大大减少用户解释三维探地数据的时间。

系统界面概览

具体技术包括：（1）从三维体数据中抽取二维切片，在二维切片上让用户选择感兴趣区域，并使用我们设计的轻量级传递函数，进行目标物质强度分布范围的局部敏感度分析，快速提取目标物质的强度分布范围。（2）得到分布范围之后，系统可以直接将该范围值共享给GPU，从而使得在GPU上进行的体绘制可以快速定位与过滤无关数据，将目标物质的三维结构快速提取出来。（3）为了能高效地擦除与目标物质无关的区域，我们设计了体切割技术，用户只需要在二维切片上初步划定范围，就可以在三维体上将无关区域擦除。（4）用户可以进一步擦除三维体结构中的噪音，以及允许用户对不同的目标物质进行染色。（5）为了增强用户的探索与感知效果，我们还提供了三维结构（地下暗流等）的自动追踪功能，以及自定义符号库的功能。三维体全局染色、局部染色、噪音擦除，二维切片噪音擦除、目标增强等功能。（6）在可视化方面，我们提供了地震剖面的椅状体、栅状体、十字线显示，探井显示。

直接体绘制技术已经被广泛用于不同的领域。从医学诊断到气象模拟数据，都会用到体可视化以及直接体绘制技术。然而，得到好的体绘制结果并非易事，因为用户往往需要手动地指定绘制参数。其中，传递函数是体绘制参数中最重要、最复杂的参数之一。在体绘制过程中，体素的值被传递函数转换为颜色和不透明度，进而通过体绘制算法生成最终的图像。传递函数可以间接地决定那些特征被隐藏，以及如何减少不同结构之间的遮挡。因此，设置合适的传递函数是理解和分析体数据中复杂结构的关键。对普通用户而言，设置传递函数的主要困难体现在它的不直观性。大多数的传递函数设计工具都需要用户直接指定颜色和不透明度的映射关系。例如传统的一维传递函数需要手动的设置各个颜色通道和不透明度值的曲线。时常，传递函数很小的改动可能会带来体绘制图像显著的变化。这样陡峭的学习曲线以及困难程度使得体绘制工具难以被普通用户所掌握。即便利用体可视化中最新的研究进展来辅助传递函数的设计，图像空间和参数空间的分离仍旧是传递函数配置难的最重要的原因之一。

体数据自动追踪结果，椅状体显示结果

为了提高用户解释三维探地数据效率，系统还提供了种子点自动追踪的功能。基于用户在三维空间中无法精准地拾取种子点，我们提供了让用户在二维切片的任意位置选择一个种子点并进行种子点自动追踪。具体步骤为，用户在二维切片中选择一个种子点，用户直接可以在体绘制界面中点击自动追踪的按钮。

轻量级传递函数设计

为了能快速让用户获取圈选区域目标物质的分布范围，用户可以在圈选区域内点击一下鼠标右键，系统将自动计算一个大致分布范围，过滤得到初步的提取结果。二维切片分析的目的是提取地下特定目标物质在特定区域的分布范围，从而辅助用户提取三维目标物质的结构与地理分布。为此，我们设计了轻量级传递函数来帮助用户快速提取相应目标物质强度分布范围。用户只需要调整两个控制点，就可以得到当前圈定的局部切片的强度分布范围。该轻量级传递函数的设计特点如下。设计：扇形、直方图、直方图向下叠加、两边扩展。目的是占用空间相对小，此外，该轻量级传递函数将直接位于用户圈选的目标区域上方弹出，用户还可以移动它的位置，方便用户调节与使用。控制点移动：用户可以调节左侧与右侧的控制点来改变目标物质的截取左值域与右值域。还可以移动中间的控制点来同时左移两侧的控制点范围来调低值域或同时右移两侧的控制点来调高值域。双击：用户可以在轻量级传递函数的扇形区域上双击，进行Log坐标转换。因为用户更关心的是扇形中间部分的物质分布情况，因此，我们设计了Log坐标转换，使得原先的线性变换的扇形坐标变成非线性Log变换，最终得到的坐标将是中间宽两侧窄，以突显中间区域。

扇区解释结果

在提取目标物质之后，我们可以将切片放在三维空间进行显示，通过将多尺度传递函数拷贝到此三维空间的切片上，可以做出与国外专业软件解释效果类似的结果。

二维切片解释结果

Citation:

@Article{Liu2014,
Title   = {Seismic Structure Extraction Based on Multi-scale Sensitivity Analysis},
Author  = {Richen Liu and Hanqi Guo and Xiaoru Yuan},
Journal = {Journal of Visualization},
Number  = {3},
Pages   = {157-166},
Volume  = {17},
Year    = {2014},
Doi     = {10.1007/s12650-014-0207-4}}