基于GPU的三维水平集断层曲面自动提取方法

摘要

随着社会不断的发展与进步，生产加工工艺等相关技术也取得长足发展，相应的对于工业生产领域中的模型修复、模型重建等技术的要求也越来越高。相比于二维几何模型，三维几何模型更能直观、立体地对目标模型进行展示，因此三维几何模型逐渐受到人们越来越多的关注，而其中的三维空间点云追踪、曲面重建以及提取等更是成为研究的热点。同样在地震勘探领域中，通过采用三维几何模型使得地质研究人员对地质结构进行全方位、立体地展示成为可能，而作为地震数据解释的重要环节，断层解释是一种在探索复杂地质结构时必不可少的手段。
　　在当前阶段，大部分断层解释过程都是依靠解释人员的地质知识以及经验手动完成的，主要是通过二维切片以及二维剖面的方式来对三维地震数据体进行手段断层解释。由于该过程依赖于解释人员的地质知识和经验，很容易造成解释得到的断层带入过多的主观因素，从而影响断层解释结果，同时该过程需要花费解释人员大量的时间，而且解释难度也很大。所以正是为了缩短断层解释的周期以及克服该过程的主观影响，地质研究人员希望通过借助相干分析等技术增强连续性较差的属性体，进而实现以半自动或者自动的方式来对断层进行解释。
　　本文以提取三维断层曲面作为研究内容，在蚂蚁体数据的基础上，采用了一套完全从三维空间的角度对断层曲面进行自动提取的流程。同时还提出了提取三维点云骨架的方式来对断层点云进行曲面重构的方法。本文主要工作如下：
　　1、采用了一种基于三维空间的断层曲面自动提取流程。对当前阶段大多断层解释均是手动完成的现状，在地震蚂蚁体数据的基础上，采用了一种完全从三维空间的角度对断层曲面进行自动提取的流程，该流程借助图像分割思想、水平集方法、GPGPU技术以及点云骨架思想等来提取出断层曲面。首先对数据体进行平滑处理，解决数据体中断层连续性差的问题；然后通过曲面重建的方式重构出断层曲面。该流程解决了常规断层解释由于过分依赖于解释人员的地质知识以及经验而带入过多的主观因素的问题，同时有效缩短了断层解释的周期，提高了断层解释效率。
　　2、提出了一种基于 GPU的三维水平集断层点云提取方法。针对如何从经过数据预处理后的三维数据体中分离出断层点的问题，提出水平集方法进行断层点云提取，通过不断迭代演化水平集方程使最终的演化曲面停靠在断层点附近，提取出断层点云数据。由于水平集方法的特殊性，其提取出的三维断层点云数据带有一定的外形轮廓，更有利于后续提取骨架。同时，针对三维水平集演化效率低的问题，采用GPU进行加速处理，提高演化效率。
　　3、提出了一种基于细化的断层点云骨架提取方法。对于通过水平集方法提取出的断层点云数据，针对如何从中提取出断层曲面的问题，提出了基于细化的点云骨架提取方法，该方法通过不断迭代细化目标点云数据，最终得到单像素宽的断层点云中轴面。然后通过断层二次划分去除断层分叉的问题，最后采用投影构面的方式重构出断层曲面。
　　为了验证本方法的可行性以及有效性，本文采用提出的提取方法，选取实际地震数据进行断层曲面提取，并将提取结果同商业软件Petrel以及其他提取方法的提取效果进行对比，通过对比提取效果显示，本文的提取方法确实能够很好地提取出三维地震数据体中所隐含的断层曲面信息。

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英文缩写对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文的主要研究工作

1.4 本文的论文框架

第二章 相关理论基础

2.1 引言

2.2 图像分割技术

2.3 高斯平滑

2.4 水平集方法

2.5 GPGPU技术

2.6 骨架提取方法

2.7 基于点云的曲面重构方法

2.8 本章小结

第三章 断层曲面提取流程

3.1 断层解释

3.2 地震断层曲面自动提取流程

3.3 本章小结

第四章 三维断层点云提取方法

4.1 三维断层点云提取流程

4.2 改良的C-V模型

4.3 基于GPU的水平集断层点云提取方法

4.4 本章小结

第五章 断层点云曲面重建方法

5.1 三维带轮廓断层点云构面流程

5.2 三维带轮廓断层点云骨架提取方法

5.3 与其他提取方法提取出的断层曲面效果对比

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果