龔大利， 劉得軍， 葉 琿， 李 輝， 張 嵩

( 1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102249; 2. 中國(guó)石油昆侖合燃?jí)嚎s氣有限公司,安徽 合肥 230075 )

0 引言

在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，輸油、輸氣、輸水管線及光纜、電纜作為油田的重要基礎(chǔ)設(shè)施，一般埋藏在地下1.0～3.0 m，屬于隱蔽工程，擔(dān)負(fù)原油、天然氣等各種能源的輸送和調(diào)配，以及工業(yè)、生活等的供排水功能.由于歷史及其他原因，地下管線有的資料殘缺不全，有的資料精度不高或與現(xiàn)場(chǎng)不符，管線位置不明確，給井場(chǎng)開(kāi)挖、打樁施工等現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)帶來(lái)不便[1].由于沒(méi)有有效的技術(shù)手段解決該問(wèn)題，每年都有井場(chǎng)作業(yè)施工時(shí)打漏地下管線的現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而造成油氣泄漏、停水、停電、通訊中斷等.因此，為適應(yīng)油田現(xiàn)代化建設(shè)和加強(qiáng)油田地下空間規(guī)劃管理的需要，防止在油田建設(shè)中對(duì)現(xiàn)有管線系統(tǒng)造成破壞以引發(fā)不必要的損失，開(kāi)展可視化地下管線探測(cè)方法研究具有重要意義[2-3].

傳統(tǒng)的管線探測(cè)方法包括磁力法、電磁感應(yīng)法、磁共振法、超導(dǎo)效應(yīng)法、磁通門(mén)法、磁光效應(yīng)法、磁阻效應(yīng)法等[4-10].這些方法存在探測(cè)深度有限，易受探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)其他電磁信號(hào)干擾，更重要的是無(wú)法對(duì)有效探測(cè)信號(hào)進(jìn)行可視化成像并直觀反映管線的位置及其分布.筆者利用磁阻傳感器陣列采集井場(chǎng)工作區(qū)域內(nèi)磁異常信號(hào)；對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行降噪處理，進(jìn)而提升地下管線所致磁異常信號(hào)的信噪比，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)所提供的信息對(duì)地下情況做出判斷，并利用OpenGL三維圖形顯示和處理功能實(shí)現(xiàn)地磁異常探測(cè)儀器數(shù)據(jù)可視化，利用該方法直觀反映管線的位置及分布信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油田地下管線的精確探測(cè).

1 OpenGL圖形庫(kù)

OpenGL作為當(dāng)前主流的底層圖形庫(kù)之一[11-13]，通過(guò)在軟件中提供硬件所不支持的特性，克服IrisGL接口只能提供底層硬件所支持特性問(wèn)題，讓?xiě)?yīng)用程序在性能相對(duì)較弱的系統(tǒng)上可以使用高級(jí)的圖形功能.OpenGL的基本工作流程見(jiàn)圖1.由圖1可以看出，頂點(diǎn)、線、多邊形等幾何數(shù)據(jù)在處理時(shí)通過(guò)運(yùn)算器、逐頂點(diǎn)操作處理單元，而像素、圖像和位圖等數(shù)據(jù)在此過(guò)程中通過(guò)另一條處理路徑[14-15].2種類型的數(shù)據(jù)在最后階段的處理方式是相同的，即經(jīng)過(guò)光柵化和對(duì)像素段操作.

圖1 OpenGL工作流程

2 數(shù)據(jù)成像方法

2.1 三維場(chǎng)景的設(shè)置

在三維圖形應(yīng)用程序中，三維模型在屏幕上的視覺(jué)效果主要受三維模型在空間中的位置、視界空間的位置及大小，以及攝像機(jī)鏡頭的擺放位置等參數(shù)影響，因此場(chǎng)景設(shè)置主要是對(duì)3個(gè)參數(shù)的設(shè)置.在OpenGL中，存在與3個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的3個(gè)變換——視圖變換、模型變換和投影變換，共同影響三維模型的成像結(jié)果.

視圖變換類比于設(shè)定攝像機(jī)的位置和鏡頭的朝向，在OpenGL中由gluLookAt()函數(shù)指定.

模型變換用來(lái)設(shè)定與模型的位置及方向相關(guān)的參數(shù)，以及在空間及尺度變換的參數(shù).在設(shè)置視圖和模型變換前，需要調(diào)用glMatrixMode()函數(shù)并傳入值為GL—MODELVIEW的參數(shù).

投影變換類似于為攝像機(jī)選擇1個(gè)鏡頭，它決定視界的形狀.在文中選擇正交投影，正交投影的視界是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形平行四面體，相同的長(zhǎng)度不會(huì)因距離攝像頭的遠(yuǎn)近變化而發(fā)生改變.設(shè)置投影變換前，需要調(diào)用glMatrixMode()函數(shù)并傳入值為GL—PROJECTION的參數(shù).

為方便起見(jiàn)，將曲面和視界的中心置于原點(diǎn)，攝像頭的位置需要位于Z軸正方向.將視界的寬度和高度設(shè)置為窗口客戶區(qū)的大小，由于中心位于原點(diǎn)，得到視界在X，Y軸方向的值.視界在Z軸方向選取固定值.經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，攝像頭的位置取為距視界Z軸正方向坐標(biāo)的50個(gè)單位長(zhǎng)度點(diǎn)是比較合理的.選擇無(wú)論遠(yuǎn)近視覺(jué)效果相同的正交投影，最后調(diào)用函數(shù)glOrtho(x, -x,y,-y,z,-z)確定視界，其中x，y，z為視界3個(gè)方向的切割平面坐標(biāo).

2.2 三維曲面的生成

OpenGL利用基本圖元生成三維圖形和曲面，最常用的基本圖元是三角形，它能保證各個(gè)頂點(diǎn)在同一平面內(nèi).生成曲面即遍歷每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).假設(shè)在外層的迭代中遍歷所有列，內(nèi)層的迭代中遍歷每一列上的所有行，對(duì)行上的數(shù)據(jù)點(diǎn)的遍歷的順序需要滿足條件：

(1)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)按照每3個(gè)1組的方式進(jìn)行拆分；

(2)相鄰的2組之間存在2點(diǎn)交集；

(3)每組的3點(diǎn)遵循相同的排列次序 (順時(shí)針或逆時(shí)針)；

(4)每組的3點(diǎn)中有1個(gè)點(diǎn)與其余點(diǎn)不處于同一行內(nèi).

雖然OpenGL提供描繪三角形圖元句法，但是不需要直接使用.因?yàn)镺penGL提供更方便使用的圖元組合——三角形條帶句法，可以避免指定相互連接的三角形條帶中重復(fù)出現(xiàn)的頂點(diǎn).三角形條帶的描述句法為

glBegin(GL—TRIANGLE—STRIP);

glVertex3f(x1,y1,z1);…;glVertex3f(xn,yn,zn);

glEnd();

其中{(xn,yn,zn)}為互不重合的數(shù)據(jù)點(diǎn)集，可以減小函數(shù)調(diào)用次數(shù)，提高程序的運(yùn)行速度.假設(shè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的規(guī)模是m×n，則前一種方式需要6(n-1)(m-1)次調(diào)用,后一種方式需要2n(m-1)次調(diào)用，在n較大時(shí)，后者調(diào)用次數(shù)約為前者的1/3.

三維曲面生成過(guò)程見(jiàn)圖2，其中點(diǎn)表示數(shù)據(jù)點(diǎn)在XY平面上的投影：

2.3 顏色的渲染

Z軸方向的高度反映數(shù)值的大小，即信號(hào)的強(qiáng)弱.如果不指定顏色，整個(gè)曲面將會(huì)用同一種顏色繪制.為了能對(duì)信號(hào)的強(qiáng)弱有更加直觀的體現(xiàn)，可以在曲面上加入顏色的變化，而在OpenGL中完全可以在指定頂點(diǎn)坐標(biāo)的同時(shí)指定頂點(diǎn)的顏色，使用缺省設(shè)置，或者調(diào)用glShadeModel(GL—SMOOTH);OpenGL自動(dòng)生成2個(gè)頂點(diǎn)顏色之間的過(guò)渡色.

圖2 三維曲面生成過(guò)程示意

文中將顏色分為10個(gè)色階，紅色和藍(lán)色分別表示數(shù)據(jù)文件中信號(hào)最強(qiáng)和最弱，利用OpenGL的RGBA顏色模式，可以通過(guò)在顏色三分量中逐漸減小紅色分量、增加藍(lán)色分量的方式搭建.最終產(chǎn)生10×3的色階數(shù)組，作為常量數(shù)組.色階中各顏色分量之間等差的情況下能夠取得最佳的顯示效果.

在生成三維曲面之前，先獲得該數(shù)據(jù)文件中的最大值和最小值，以及兩者之差d.當(dāng)遍歷數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，每取得1個(gè)數(shù)據(jù)，將該點(diǎn)的值減去數(shù)據(jù)的最小值，將該差值除以d，將會(huì)得到1個(gè)0～1間的數(shù)，將該數(shù)乘以10后取整，獲得1個(gè)0～9間的整數(shù)，即為該數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色在色階數(shù)組中的下標(biāo).

3 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)采集過(guò)程見(jiàn)圖3，為8探頭傳感器采樣時(shí)序及掃描探測(cè)方式.采集過(guò)程：傳感器1號(hào)探頭、2號(hào)探頭、……、8號(hào)探頭依次開(kāi)始采樣，完成第一行共8個(gè)樣點(diǎn)的采樣后，再沿傳感器探頭行進(jìn)方向依次進(jìn)行第2行、第3行、……、第N行的掃描采樣.

圖3 傳感器行進(jìn)方向與掃描探測(cè)過(guò)程

3.2 數(shù)據(jù)處理

在地磁信號(hào)探測(cè)過(guò)程中通常有一些附加噪聲迭加在地磁數(shù)據(jù)真實(shí)信號(hào)上.主要噪聲源包括地磁傳感器測(cè)量噪聲、載體磁場(chǎng)干擾、周圍環(huán)境磁性干擾及其他各種誤差和失真因素影響等.這些噪聲使地磁測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生畸變，給地磁信號(hào)的測(cè)量分析帶來(lái)困難.因此，需要利用信號(hào)處理技術(shù)，提高信噪比，將淹沒(méi)在噪聲中的地磁信號(hào)提取出來(lái).

小波變換具有良好的時(shí)頻局部化性質(zhì)和多分辨率分析特性，采取合適的閾值選擇規(guī)則和比例調(diào)整方式對(duì)地磁測(cè)量信號(hào)進(jìn)行降噪處理，可以區(qū)分測(cè)量地磁信號(hào)中的有用信號(hào)與噪聲，具有傳統(tǒng)分析方法不可比擬的優(yōu)越性(見(jiàn)圖4).

圖4 利用小波變換分析技術(shù)對(duì)磁異常信號(hào)降嗓處理

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 已知管線探測(cè)成像

為探測(cè)已知地下管線，選取大慶油田某井場(chǎng)附近1根埋藏在地下3 m左右的管線.實(shí)際埋藏管線見(jiàn)圖5(a)；利用OpenGL將管線探測(cè)儀對(duì)該管線的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，成像結(jié)果見(jiàn)圖5(b).由圖3(b)可以看出，曲面中突起的深色區(qū)域?yàn)閳D3(a)實(shí)際埋藏管線，其磁異常信號(hào)強(qiáng)度是明顯高于周圍介質(zhì)的，同時(shí)可以直觀顯示管線的分布及走向.

圖5 某井場(chǎng)已知管線的探測(cè)成像結(jié)果

4.2 未知管線探測(cè)成像

為探測(cè)未知地下管線，選取大慶油田某井場(chǎng)附近疑似存在的地下管線，對(duì)管線的位置及走向未知的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)并進(jìn)行可視化顯示.該區(qū)域埋藏分布較為集中的平行金屬管線，選取其中一段區(qū)域進(jìn)行探測(cè)并將探測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)OpenGL進(jìn)行成像，結(jié)果見(jiàn)圖6.由圖6可以看出，存在2處磁場(chǎng)脈沖信號(hào)強(qiáng)度異常區(qū)域，顯示為曲面顏色較深區(qū)域的突起和凹陷，說(shuō)明在圖6(a)中曲面的突起處和凹陷處分別存在1條管線.因?yàn)槭艿浇饘俳橘|(zhì)影響，探測(cè)儀發(fā)出的磁場(chǎng)脈沖信號(hào)明顯高于周圍介質(zhì)；通過(guò)圖6(b)可以確定曲面橙色凸起部分存在金屬管線.同理，可以確定曲面藍(lán)色凹陷部分存在非金屬管線.

圖6 某井場(chǎng)未知地下管線的探測(cè)成像結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)地下管線探測(cè)儀探測(cè)的油田地下管線磁異常數(shù)據(jù)，基于Visual C++和OpenGL軟件平臺(tái)，利用OpenGL豐富的三維圖形繪制功能及顏色渲染功能生成帶色階的三維探測(cè)數(shù)據(jù)曲面，不同信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)用不同的顏色進(jìn)行繪制，從而在探測(cè)儀顯示屏上可準(zhǔn)確、直觀顯示油田地下管線的位置及走向等信息.此外，通過(guò)所開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)可方便地對(duì)所生成的三維數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、局部顏色增強(qiáng)等操作，進(jìn)而在顯示屏上即可初步實(shí)現(xiàn)對(duì)油田地下管線的定性分析與位置判斷，強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析功能，為探測(cè)數(shù)據(jù)的后期處理奠定基礎(chǔ).