基于逐段迭代射线追踪算法的三维可视化软件实现

肖吉星+王军民

摘要：随着地球物理勘探技术的发展，三维地震勘探技术作为新的地球物理勘探方法，在石油界已经得到广泛的认可，由此，三维地震模型的可视化和正演成为地球物理勘探的重要部分；加之近年来计算机图像处理能力的加强以及计算速度的提高也为快速的三维可视化提供了实现基础。本文基于成熟的逐段迭代射线追踪法，用C語言实现多层水平层状均匀介质算法，并结合QT，OPENGL实现模型可视化和模型正演程序界面，并实现了可拖动、旋转的基本交互。

关键词：三维结构；逐段迭代；射线路径；射线追踪；模型可视化；模型正演

近年来，随着地球物理勘探技术的不断发展，地震勘探已经进入了高精度、高分辨率勘探阶段，三维地震勘探的地位进一步的得到石油界的广泛认可，因此三维地震模型的可视化和正演成为地球物理勘探技术的重要组成部分。利用三维地质模型可以以3D真实感的图像的形式形象的表达地质构造的真实形态、特征以及三维空间物性参数分布规律。实现正演模拟的三维可视化对于地震资料处理、解释具有重大意义，可以大大提高解释的直观性与准确性。

1 逐段迭代射线追踪方法理论介绍

逐段迭代射线追踪方法是对Fermat原理和Snell定理的地球物理应用与延伸，地震波在地层的传播过程中，同一条射线路径上满足相同射线参数，实际上在地层中任意连续三点都满足这些射线参数，而三点间的具体形式为Snell定律。从射线的任意一端出发，依据Snell定理，求出中间点，然后以一个小单位长度为步长移动，顺次进行下去，直到另一个端点，完成一次射线路径迭代计算。当整条路径的总矫正量满足精度要求时，就认为最后一次的追踪计算结果为射线路径，不然，就一直重复上述过程，直到找到路径为止。这种计算方法在保证了计算速度的情况下，也可以满足大部分需求的精度要求。

下面以透射波的推导过程为例给出具体公式：假设空间中的一界面z=f（x，y），设P1点的坐标为 ，P3点的坐标为 ，则P1点到 P3点的总旅行时为：

对（1）求导，对结果进行一阶不完全泰勒展开，即对射线长度不做展开。此时

最后推得 ，其具体形式为：

求解的到 后，用 代替原来的 。重复以上过程直到达到所需精度要求。反射波的情况与之类似。

2 软件设计

软件UI使用了Qt进行设计，主要实现模型创建，参数设置，参数修改，数据处理，三维模型呈现，模型交互等功能。三维模型建立采用了OPENGL实现，将计算模块与三维模型建立模块最大程度的分离，符合软件设计低藕性、内聚性的特性。

3 软件展示及总结

软件实现了模拟透射波传播路径模型，并可以通过修改震源，检波器的坐标，以及地层参数对各种不同的情况进行正演模拟与展示。

参考文献：

[1]高尔根，徐果明，蒋先艺，等.三维结构下逐段迭代射线追踪方法[J].石油地球物理勘探，2002，37（1）：11-16

[2]李飞，徐涛，武振波，等.三维非均匀地质模型中的逐段迭代射线追踪[J].地球物理学报，2013，56（10）：3514-3522.

[3]刘殿秘.网格法射线追踪研究及应用[D].吉林大学，2004.

[4]赵博.三维地震模型可视化与正演[D].中国地质大学（北京）， 2008.

[5]Rost R J. OpenGL（R） Shading Language[M]. Addison Wesley Longman Publishing Co. Inc. 2004.endprint