鄭劍鋒，沈安江，喬占峰，常少英

(1中國石油天然氣集團公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室；2中國石油杭州地質研究院)

技術·應用

基于激光雷達技術的三維數字露頭及其在地質建模中的應用
——以巴楚地區(qū)大班塔格剖面礁灘復合體為例

鄭劍鋒1，2，沈安江1，2，喬占峰1，2，常少英2

(1中國石油天然氣集團公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室；2中國石油杭州地質研究院)

介紹了激光雷達技術的工作原理以及數據的采集、處理和解釋方法，展示了三維數字露頭的構建過程。以塔里木盆地巴楚地區(qū)大班塔格剖面中奧陶統一間房組礁灘復合體為研究對象，在真實的三維數字露頭地質構架下，以巖相與巖石物性關系為約束，構建了礁灘復合體三維地層結構模型、沉積相模型和儲層模型，其結果真實地反映了地質情況。研究表明，基于激光雷達技術的三維數字露頭改進了傳統的露頭建模研究方法，極大地提高了地質模型的精度，能為勘探開發(fā)提供有效指導。

激光雷達；三維數字露頭；地質建模；礁灘復合體

露頭類比研究被認為是垂向分辨率高的單井研究與側向分辨率高的三維地震資料研究的重要紐帶，它對預測地下地質單元的三維展布特征和建立地質模型意義重大。傳統的露頭研究主要以野外測量、描述、拍照和繪制手工剖面為手段，所建地質模型為二維模型，且精度低、受地形影響大、無法采集高危地區(qū)的露頭資料。因此，如何建立準確、有效的三維露頭地質模型來指導勘探和開發(fā)一直是地質工程師們不斷努力的目標。

激光雷達，簡稱LIDAR（Light Detection and Ranging，光探測與測距），該詞最早出現在1970年一篇關于大氣氣溶膠研究的論文中［1］，它可分為地面LIDAR和空中LIDAR兩種，本文所討論的為基于地面的LIDAR技術。隨著技術的進步，LIDAR的測量精度從最初的米級提高到現在的毫米級，目前主要應用于航空、航天及測繪領域，研究人員可以獲得大量包含空間方位及強度信息的激光點，即激光點云，可以說LIDAR技術將是繼GPS之后在測繪領域的又一重大技術革命［2］。把該技術應用到露頭地層成圖研究中，并利用計算機實現可視化，就能形成三維數字露頭，可以更客觀、全面地認識露頭揭示的地質信息，進而建立更真實的三維露頭地質模型。近十年來，國外LIDAR技術在露頭研究中的應用已較為成熟，如Bellian等［3］建立了基于數字露頭的地層模型，并總結了建模方法；Janson等［4］、Phelps等［5］建立了基于數字露頭的三維沉積相模型，進而有效地約束地震模型；Zahm等［6］建立了基于數字露頭的裂縫發(fā)育模型，有效地預測了裂縫的發(fā)育規(guī)律；美國德克薩斯大學奧斯汀分校甚至對美國、西班牙、愛爾蘭、法國、南非等國家和地區(qū)的數十個露頭進行了掃描和三維刻畫，建立了相應的數字露頭知識庫，形成了一系列基于數字露頭的地質建模方法和技術。然而，國內對LIDAR技術的應用研究還相當薄弱，尚處于起步階段，只有一些綜述性的報道或工程測繪應用的實例，該項技術在地學中的應用則更是鮮有發(fā)表［7-12］。

本文介紹了LIDAR技術的基本原理及本次研究所用儀器的情況，并以塔里木盆地巴楚地區(qū)大班塔格剖面中奧陶統一間房組礁灘復合體為研究對象，以如何構建三維數字露頭為重點，詳細討論了LIDAR數據的采集、處理及解釋方法，并應用三維數字露頭構建了礁灘復合體的三維地質模型，對比傳統露頭建模方法，其精度和實用性都得到了提高。雖然目前在國內基于LIDAR技術的三維數字露頭建模技術研究還處于初級階段，但已有數家石油地質科研單位引進了LIDAR掃描儀及相應的建模技術，相信未來其應用前景將得到拓展。

1 LIDAR技術原理及儀器簡介

所有的LIDAR掃描儀都基于相同的工作原理：一束激光從激光槍中射向遠程目標，碰到目標后反彈回來，被檢測器接收。根據光的雙程傳播時間，除以2，再乘以光的速度，就能得到準確的高程z值；同時，基于發(fā)射裝置（或激光偏轉鏡）的位置就能進行空間定位，計算出準確的x、y值［3］。三維數字露頭的創(chuàng)建就是利用LIDAR掃描儀對露頭進行精細掃描，得到大量的包含x、y和z的空間方位信息和反射強度（I）信息的激光點。這些激光點的集合在同一空間參考系下表達目標的空間分布和表面特性，就叫激光點云。激光點云在隨后的計算機處理中會被轉換為三角面，產生一個凹凸不平的近于真實的三維露頭面，從而構建高精度的數字露頭。

本次研究所用的地面LIDAR掃描儀為加拿大Optech公司所產，型號為ILRIS-3D，激光波長為1500nm，發(fā)射頻率為2500～3500Hz，最大測量距離1700m，測量精度7mm，整體具有掃描精度高、體積小的特點。儀器內部配置有310萬像素的數碼相機和LCD監(jiān)視器，目標區(qū)域和掃描狀態(tài)可直接顯示在屏幕上，此外，儀器表面具有視頻接口、網絡接口和USB接口，可以通過無線PDA（掌上電腦）或筆記本電腦直接控制數據的采集，所得到的數據能直接寫入可擦寫的存儲器中。儀器使用簡單，可單人獨立操作。同時，該儀器的設計適用于惡劣的野外條件，最佳作業(yè)溫度0～40℃，且具有很好的防水性。

2 基于LIDAR技術的三維數字露頭構建方法

2.1 LIDAR掃描儀數據采集

好的露頭能使地面LIDAR掃描儀獲得更強的激光反射強度，因此在采集數據前，選擇露頭非常重要。地面LIDAR掃描儀最佳的掃描對象是垂直的峭壁、峽谷或公路兩側的陡峭巖壁，當露頭面是連續(xù)的、同時又具有不同方位的時候，那么根據數字露頭所建立的地質模型就越能代表真實的地質情況。

本次研究的塔里木盆地巴楚地區(qū)大班塔格剖面中奧陶統一間房組8號礁灘復合體［13］就是一個較好的三維露頭實例（圖1），它具有近垂直、植被覆蓋少的特點，其規(guī)模為100m×20m，能清楚地區(qū)分出礁灘復合體的各個微相，露頭主體部分呈小半圓柱面形態(tài)，整個掃描可以固定在一個地點，不需要平移LIDAR掃描儀，只要轉動三角架上的托盤即可對不同方向的露頭進行掃描。在數據采集之前，首先需要對露頭進行精細的解剖，并根據研究需要，系統地對每條剖面進行采樣，同時對采樣點及露頭中的特殊現象做好標記。樣品的巖性、物性分析資料能使數字露頭所包含的信息更豐富、更準確，從而構建成高精度的三維數字露頭。

圖1 塔里木盆地巴楚地區(qū)大班塔格剖面中奧陶統一間房組8號礁灘復合體

在進行數據采集時，先安裝好LIDAR掃描儀，對準需要掃描的露頭起點，然后利用無線掌上電腦（或通過網線與LIDAR掃描儀連接的手提電腦）設置天氣模式、掃描范圍和分辨率等參數。掃描所需時間主要由分辨率和距離決定，通常，以5cm分辨率掃描一幅150m×50m、距離露頭500m遠的圖像，需要約20min。針對本例，以2cm分辨率、80m遠的位置掃描45m× 25m規(guī)模的露頭，所需時間為11min。在進行數據采集的同時，還需要在儀器位置，利用高分辨率數碼相機對掃描的露頭進行拍照，以此獲得與LIDAR掃描儀掃描具有相同視角的高清晰度露頭照片。

對一個剖面進行連續(xù)掃描時，每一次新的掃描都要和前一次掃描有重合的部分。因為在隨后的數據處理中，需要根據相鄰兩幅掃描圖像中重合部分的一些相同特征點進行圖像拼接，一般情況下，10%～20%左右的重合就可以較好地完成圖像拼接。當遇到一些障礙物如建筑物、樹木等妨礙最佳露頭面掃描時，可以從障礙物兩側斜著掃描，但會造成一些地層信息的缺失，在三維激光點云圖上表現為黑洞或陰影。此外，如果遇到掃描的露頭很大、分辨率又較低（＞10cm）、并且露頭是不連續(xù)的情況，還需要對每個掃描的位置進行精確的GPS定位。

2.2 LIDAR數據處理

LIDAR數據采集完成后，首先利用Parser軟件對原始數據進行解析，即把BLK格式文件轉化為PF格式文件，然后把數據導入PloyWorks軟件，就能夠看到激光點云圖像，并可以進行三維可視化瀏覽。同時，根據研究需要，對圖像進行平滑處理和刪除一些無用激光點（平地、樹木等）的編輯處理。完成對所有掃描的激光點云圖像的編輯后，還需要把這些圖像拼接在一起，形成一個完整的三維露頭面。

前已述及，每一次掃描，都需要移動儀器（包括旋轉固定在三腳架上的托盤），而LIDAR掃描儀單次掃描的激光點云都有其自己的相對坐標系統。因此，每一次掃描，儀器就會自動地在三維空間中重置一個新的笛卡爾坐標起點，即使是相鄰連續(xù)的兩次掃描，它們的坐標起點也是完全不同的。為了在三維空間中拼接多次掃描的激光點云圖像，就需要通過轉換矩陣，變換多次掃描的激光點云到第一次掃描的坐標系統中。應用PloyWorks軟件的IMALign模塊可實現這一過程，即在兩次掃描的重合區(qū)域標定一些相同的特征點（根據3點確定一個面的原則，至少選擇3個特征點），軟件可以根據這些特征點進行半自動地拼接（圖2）。當以同樣的方法，完成所有掃描的激光點云圖像的拼接后，完整的三維數字露頭面就顯現出來了。此外，還可以在PolyWorks軟件中，應用最優(yōu)化算法完成對激光點云圖像進行最優(yōu)化處理，使拼接誤差達到最小，從而構成完美的三維數字露頭面（圖3）。

2.3 LIDAR數據解釋

完成LIDAR數據處理后，就可以在三維空間中進行露頭面解釋，這一過程也是在PolyWorks軟件中進行。與地震解釋中沿地震體的某個切面追蹤地層面相似，LIDAR數據解釋就是根據露頭上的一些地層標記，在三維激光點云圖像中追蹤地層面，并實現數字化的過程。由于三維激光點云圖像為灰度圖像，并且局部可能存在黑洞和陰影，有時會影響地層追蹤的準確性。此時，如果配合標有地層記號的高分辨率的露頭照片就能很好地克服這一缺陷，從而得到準確的解釋結果，這也是前文所述及的、在進行數據采集的同時要拍攝與掃描圖像具有相同視角的高清晰照片的原因。完成所有地層面的追蹤、解釋后，需要把各種測量的剖面信息如采樣點位置、斷層及特殊沉積、構造現象等，手動加載到三維露頭面中，這些剖面信息在三維空間中的位置都是與露頭面匹配的，所以可以象地震解釋中的單井資料一樣，作為露頭中虛擬井輸出，并在隨后地質建模中發(fā)揮重要作用。加載完所有的剖面信息后，一個完整的三維數字露頭就構建完成了（圖4）。本實例中，共解釋出10個地層單元、19個小層、兩期障積礁體、10種沉積微相類型，加載了9條實測剖面信息。數字露頭中，所有的解釋、測量信息甚至是整個露頭面都可以ASCII或DXF格式輸出到GoCAD、Petrel等建模軟件中。

3 三維數字露頭在地質建模中的應用

三維數字露頭不僅有助于地質研究人員在以后的工作中可以隨時對露頭進行分析、研究，還可以為之后的野外考察進行預演，而且保存、歸檔也相當方便，同時還可用于教學。通常，露頭研究中最重要的任務是構建露頭地質模型，用于指導地下的勘探和開發(fā)。傳統的露頭地質模型是二維的，但隨著油氣田勘探、開發(fā)的不斷深入，轉向以建立定量的三維地質模型為目標，是地質模型研究向著更高階段發(fā)展的體現［14］，而基于LIDAR技術的三維數字露頭，可使這個目標得以實現。

圖2 LIDAR激光點云圖像拼接

圖3 塔里木盆地大班塔格剖面一間房組礁灘復合體三維激光點云圖

本次研究以塔里木盆地巴楚地區(qū)大班塔格剖面中奧陶統一間房組生物礁灘復合體的三維數字露頭為例，在GoCAD建模軟件中建立了三維地質模型。其實質就是應用三維數字露頭，綜合地質背景、巖性及物性等資料，進行三維定量隨機建模，最后得到一個最佳模型。其構建思路可以細分為三步：（1）模擬地層面，構建三維地層結構模型；（2）模擬地層單元控制的三維沉積相模型；（3）模擬沉積相控制的三維儲層模型。

圖4 塔里木盆地大班塔格剖面一間房組礁灘復合體數字露頭

3.1 構建三維地層結構模型

三維地層結構模型的構建是以數字露頭中的三維地層界線為出發(fā)點進行外推，得到三維地層界面，即每個地層單元的頂面、底面，并在三維地層面間建立恰當的網格。地層界面的準確性和空間展布特征是建立逼近真實地層結構模型的基礎。本例中，一間房組礁灘復合體結構模型清楚地展示了各個地層界面的形態(tài)和地層單元的厚度（圖5a）及兩期障積礁在時間和三維空間上的發(fā)育關系（圖5b），它們與實際地質情況相符合。

圖5 塔里木盆地大班塔格剖面一間房組礁灘復合體三維地層結構模型

3.2 模擬地層單元控制的三維沉積相模型

前已述及，在三維數字露頭中加載了采樣點等所測剖面的信息，那么地層剖面位置在三維空間中就是固定的，因此可以把所測剖面視為虛擬井。通過給虛擬井加載巖性信息，并在每個地層單元內分別進行沉積微相的數值模擬，就可以表現地層單元內各種沉積微相在橫向上和垂向上的變化，從而建立沉積相模型（圖6），圖6a、6b分別為兩期障積礁的三維沉積相模型。模型真實地表現了不同沉積微相在空間上的組合關系，其結果符合礁灘復合體的理論微相組合模式。

3.3 模擬沉積相控制的三維儲層模型

由于塔里木盆地大班塔格剖面一間房組生物礁灘復合體的物性具有相控特征［13］，所以當構建完沉積相模型后，就可以構建沉積相控制下的儲層模型。與建立沉積相模型相似，通過給虛擬井加載剖面樣品的實測孔隙度和滲透率資料，并在每個沉積微相單元內分別進行孔隙度和滲透率的數值模擬，就得到了整個礁灘復合體的儲層模型（圖7）。從圖中可以看出，圖7c和圖7d較圖7a和7b更直觀地表示出儲層物性與露頭的對應關系。三維儲層模型精細地刻畫出了臺緣灘物性明顯高于臺內灘、礁基物性最好、礁核物性較差的儲層物性分布規(guī)律，其真實性和實用性較二維模型有明顯提高，這對塔里木盆地塔中地區(qū)上奧陶統良里塔格組礁灘型儲層的油氣田開發(fā)也具有一定指導意義。

圖6 塔里木盆地大班塔格剖面一間房組礁灘復合體三維沉積相模型

與傳統的二維露頭地質模型相比，首先，用于三維地質建模的露頭為連續(xù)的高精度測量的三維數字露頭，是真實地質構架的反映，而二維地質建模往往表現為抽象化和模型化；其次，三維儲層地質模型以真實的巖相特征及其組合關系為基礎，以巖相與巖石物性的相互關系為約束，在進行數值模擬時，能夠相對真實地反映實際地質情況，而二維地質模型則人為主觀因素相對更多些；第三，三維地質模型較二維地質模型的表現形式更加直觀、精細，同時也更加容易修改和校正。

圖7 塔里木盆地大班塔格剖面一間房組礁灘復合體三維儲層模型

4 結論

（1）LIDAR技術是一種改進現有野外工作的非常有用的方法，它量化了地質工程師們所觀察的結果。通過對露頭進行掃描、采集激光點云數據，并進行處理和解釋，所得到的三維數字露頭真實地保留了實際露頭的地質信息，使地質工程師們在室內描述和分析露頭成為可能。

（2）把三維數字露頭應用到巴楚地區(qū)大班塔格剖面礁灘復合體實際的地質建模中。實踐證明，在真實的地質構架下，以真實的巖相特征和組合關系為基礎，以巖相與巖石物性相互關系為約束，通過露頭中解釋的地層面控制地層單元結構，在地層單元中構建沉積微相的空間展布模型，繼而構建相控的儲層地質模型，極大地提高了露頭地質模型的精度，真實地反映了實際地質情況，可為勘探開發(fā)提供有效指導。

［1］SCHUSTER B G.Detection of tropospheric and stratospheric aerosol layers by optical radar(LIDAR)［J］.Journal of Geophysical Research，1970，75:3123-3132.

［2］戴升山，李田鳳.地面三維激光掃描技術的發(fā)展與應用前景［J］.現代測繪，2009，32(4)：11-12，15.

［3］BELLIAN J A，KERANS C，JENNETTE D C.Digital outcrop models:Applications of terrestrial scanning lidar technology in stratigraphic modeling［J］.Journal of Sedimentary Research，2005，75(2):166-176.

［4］JANSON X，KERANS C，BELLIAN J A，et al.Three-dimensional geological and synthetic seismic model of Early Permian redeposited basinal carbonate deposits，Victorio Canyon，West Texas［J］.AAPG Bulletin，2007，91(10):1405-1436.

［5］PHELPS R M，KERANS C，SCOTT S Z，et al.Three-dimensional modelling and sequence stratigraphy of a carbonate ramp-to-shelf transition，Permian Upper San Andres Formation［J］.Sedimentology，2008，55(6):1777-1813.

［6］ZAHM C K，ZAHM L C，BELLIAN J A.Integrated fracture prediction using sequence stratigraphy within a carbonate fault damage zone，Texas，USA［J］.Journal of Structural Geology，2010，32(9):1363-1374.

［7］馬洪超.激光雷達測量技術在地學中的若干應用［J］.地球科學中國地質大學學報，2011，36(2)：347-354.

［8］劉昌軍，丁留謙，寧保輝，等.基于激光點云數據的裂隙巖體滲流場的無單元法模擬［J］.巖石力學與工程學報，2011，30 (11)：2330-2337.

［9］周征.地面激光雷達掃描技術在數字露頭研究中的應用［J］.投資與合作：學術版，2012(4)：147.

［10］李顯巨.基于LiDAR技術的復雜地質環(huán)境區(qū)滑坡識別研究［D］.中國地質大學（武漢），2012.

［11］尹太舉，張昌民，羅喻潔，等.LIDAR技術及其在露頭研究中的應用［J］.高校地質學報，2013,19(增刊)：351-352.

［12］朱如凱，白斌，袁選俊，等.利用數字露頭模型技術對曲流河三角洲沉積儲層特征的研究［J］.沉積學報，2013，31(5)：867-877.

［13］沈安江，鄭劍鋒，顧喬元.塔里木盆地巴楚地區(qū)中奧陶統一間房組露頭礁灘復合體儲層地質建模及其對塔中地區(qū)油氣勘探的啟示［J］.地質通報，2008，27(1)：137-148.

［14］吳勝和，李宇鵬.儲層地質建模的現狀與展望［J］.海相油氣地質，2007，12(3)：53-60.

編輯：黃革萍

LIDAR-based 3D Digital Outcrop Modeling and Application in Geologic Modeling: A Case of Modeling of Middle Ordovician Reef-beach Carbonate Body at Dabantage Outcrop in Bachu Uplift,Tarim Basin

Zheng Jianfeng,Shen Anjiang,Qiao Zhanfeng,Chang Shaoying

The working principle of LIDAR and the methods of LIDAR data acquisition,processing and interpretation are introduced and the establishment process of a digital outcrop is shown.The Middle Ordovician Yijianfang reef-beach facies carbonate body at Dabantage outcrop in Bachu Uplift is selected to set up a 3D digital outcrop.According to the real geological framework of 3D digital outcrop,and constrained by the lithology and physical property of the body,the three-dimensional stratum structure model,sedimentary facies model and reservoir model are set up.All the models match well with the actual geological conditions.It is shown that the technology of LIDAR-based 3D digital outcrop can improve the investigation method of conventional outcrop modeling and increase the accuracy of geologic models.

LIDAR;3D digital outcrop;Geologic modeling;Reef-beach facies body;Tarim Basin

TE19

：A

10.3969/j.issn.1672-9854.2014.03.010

1672-9854(2014)-03-0072-07

2013-12-05；改回日期：2014-04-21

本文受國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（編號2011ZX05004-002）資助

鄭劍鋒：1977年生，高工。2004年長江大學畢業(yè)，獲碩士學位。從事碳酸鹽巖沉積、儲層方面的研究工作。通訊地址：310023浙江省杭州市西溪路920號；E-mail：zhengjf_hz@petrochina.com.cn

Zheng Jianfeng：male，MSc.，Geologist.Add:PetroChina Hangzhou Institute of Geology,920 Xixi Rd.,Hangzhou,Zhejiang,310023,China