一種基于ArcGIS的地震采集質(zhì)量分析評(píng)價(jià)技術(shù)

陳德武,何　欣,王萬里,魏新建,祿　娟

(中國石油勘探開發(fā)研究院　西北分院,蘭州　730020)

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一種基于ArcGIS的地震采集質(zhì)量分析評(píng)價(jià)技術(shù)

陳德武,何欣,王萬里,魏新建,祿娟

(中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院,蘭州730020)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的地震采集質(zhì)量評(píng)價(jià)方法在自動(dòng)化和科學(xué)化方面的不足，這里設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ArcGIS的地震采集質(zhì)量分析評(píng)價(jià)方法。利用ArcGIS框架強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)分析處理和建模功能，完成工區(qū)觀測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并結(jié)合高分辨率的衛(wèi)星影像和數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，對(duì)工區(qū)內(nèi)炮點(diǎn)的信噪比、能量和分辨率屬性值進(jìn)行散點(diǎn)渲染分析和插值成圖分析，最后對(duì)信噪比、能量和分辨率屬性值基于一定的規(guī)則進(jìn)行融合，對(duì)炮點(diǎn)采集質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：地震采集；質(zhì)量分析評(píng)價(jià)；ArcGIS；炮點(diǎn)屬性；屬性成圖；屬性融合

0引言

隨著地震勘探的不斷發(fā)展，地震資料采集工作逐步向地表、地下地質(zhì)情況異常復(fù)雜的低信噪比地區(qū)延伸，地震勘探數(shù)據(jù)量增大(接收道數(shù)增多、覆蓋次數(shù)加大、面元變小和多分量等)[1]，要想對(duì)地震采集質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地分析評(píng)價(jià)，就需要設(shè)計(jì)出有效的評(píng)價(jià)方法。

ESRI公司開發(fā)的ArcGIS框架具有很強(qiáng)的海量數(shù)據(jù)空間分析處理和建模功能，利用它可對(duì)采集現(xiàn)場炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的分布情況進(jìn)行建模，完成工區(qū)觀測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。將經(jīng)過坐標(biāo)配準(zhǔn)后的衛(wèi)星遙感影像及數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)加載到ArcGIS中，可以為地震勘探施工設(shè)計(jì)和野外采集準(zhǔn)確地提供地貌特征、地表巖性、人文、交通、水文、構(gòu)造特征等直觀性信息[2]。

現(xiàn)有的地震采集質(zhì)量分析評(píng)價(jià)方法大多是通過計(jì)算炮點(diǎn)的屬性，然后對(duì)它們進(jìn)行簡單的數(shù)值分析，如KLSeis地震采集軟件是將炮點(diǎn)屬性的分析結(jié)果以柱狀圖的形式顯示，GeoMountain軟件系統(tǒng)也只是將炮點(diǎn)屬性的分析結(jié)果歸類為一級(jí)、二級(jí)和廢品三個(gè)等級(jí)，對(duì)炮點(diǎn)的具體屬性值在觀測系統(tǒng)中不進(jìn)行投影分析。這里通過對(duì)工區(qū)內(nèi)各炮的能量、分辨率和信噪比屬性在觀測系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行散點(diǎn)渲染分析和插值網(wǎng)格成圖分析，并結(jié)合高分辨率的衛(wèi)星影像和構(gòu)造圖等各種地質(zhì)圖件，可以對(duì)采集質(zhì)量進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。因此，該技術(shù)將會(huì)在地震勘探野外采集質(zhì)量定性科學(xué)化評(píng)價(jià)中,發(fā)揮比較重要的作用。

1基于ArcGIS的地震采集質(zhì)量分析評(píng)價(jià)原理

基于ArcGIS的地震采集質(zhì)量分析評(píng)價(jià)原理是：①根據(jù)地震采集的SPS文件中炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的大地坐標(biāo)和高程信息生成炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的shapefile文件，shapefile文件是ArcGIS通用的一種數(shù)據(jù)格式，將兩個(gè)shapefile文件和衛(wèi)星遙感影像及數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)加載到ArcGIS中疊合顯示，利用它們疊加的直觀信息，可在室內(nèi)精心做好各種復(fù)雜地表如高陡山區(qū)、丘陵、水網(wǎng)及城鎮(zhèn)等地區(qū)的觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，圖1是對(duì)四川某工區(qū)觀測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；②加載工區(qū)內(nèi)所有地震數(shù)據(jù)，利用每一炮的均方根振幅值計(jì)算該炮的能量，使用李慶忠[3]的VPRS算法計(jì)算出每一炮的信噪比和分辨率，將三個(gè)屬性的值寫進(jìn)該工區(qū)炮點(diǎn)的shapefile文件；③利用ArcGIS的渲染和插值功能，操作該shapefile文件對(duì)所有炮的三個(gè)屬性進(jìn)行成圖分析，并與測網(wǎng)信息、衛(wèi)星遙感影像的真地表信息(巖性、環(huán)境、地勢(shì)起伏等)疊合進(jìn)行三維顯示，為用戶更好地監(jiān)控該工區(qū)的地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量以及設(shè)計(jì)下一步的地震采集方案提供了詳盡的科學(xué)依據(jù)，其中，屬性成圖方式包括散點(diǎn)式和網(wǎng)格化兩種。

圖1　四川某工區(qū)觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.1　The observer systen design of　　one workspace in Sichuan

2炮點(diǎn)屬性分析結(jié)果投影顯示

2.1屬性分析結(jié)果散點(diǎn)式成圖

利用ArcGIS的分級(jí)渲染功能對(duì)炮點(diǎn)shapefile中的信噪比、能量和分辨率屬性值進(jìn)行渲染，用某一種顏色表示某一范圍的屬性值，就可以得到該工區(qū)內(nèi)所有炮點(diǎn)三個(gè)屬性的散點(diǎn)成圖。如圖2為大慶某工區(qū)部分炮點(diǎn)能量的散點(diǎn)成圖。從圖2中可以看出，呈現(xiàn)黃色、橙色或紅色的炮點(diǎn)能量值比較大，炮點(diǎn)采集質(zhì)量較好。

2.2屬性分析結(jié)果網(wǎng)格化成圖

利用ArcGIS的插值功能對(duì)炮點(diǎn)shapefile中的信噪比、能量和分辨率屬性值進(jìn)行插值計(jì)算，得到該工區(qū)內(nèi)所有炮點(diǎn)三個(gè)屬性的網(wǎng)格圖。所用到的插值方式有反向距離權(quán)重插值(IDW)[4]和克里金插值(Kriging)。反向距離權(quán)重插值的公式見式(1)。

(1)

(2)

式(2)中，di0是預(yù)測點(diǎn)S0與已知樣點(diǎn)Si之間的距離，隨著di0的增加，樣點(diǎn)對(duì)預(yù)測點(diǎn)影響的權(quán)重也同時(shí)減少。

克里金插值方法最早是由南非金礦工程師克里金(D.G.Krige)于20世紀(jì)50年代提出來的，根據(jù)不同的條件又分為普通克里金插值、泛克里金插值、協(xié)同克里金插值等。

這里采用的是普通克里金法插值算法[5]，其原理如下：設(shè)研究區(qū)域?yàn)锳，區(qū)域化變量為{Z(x)∈A}，x表示空間位置(一維、二維或三維坐標(biāo))，Z(x)在采樣點(diǎn)xi(i=1,2,…，n)處的屬性值為Z(xi)(i=1,2,…，n)，則根據(jù)普通克里金插值原理，未采樣點(diǎn)xo處的屬性值Z(xo)估計(jì)值是n個(gè)已知采樣點(diǎn)屬性值的加權(quán)和，即式(3)：

(3)

其中，λi為權(quán)重系數(shù)，其計(jì)算方程組為：

(4)

式(4)中：Cov(xi,xj)為Z(xi)的協(xié)方差，μ為拉格朗日乘子，求出每個(gè)權(quán)重系數(shù)λi(i=1,2,...,n)后，就可以求出未采樣點(diǎn)xo處的屬性值Z(xo)。

圖3是利用反向距離權(quán)重插值法和克里金插值法對(duì)大慶某工區(qū)部分炮點(diǎn)的能量進(jìn)行插值生成的網(wǎng)格圖。圖4是利用兩種插值方式生成的網(wǎng)格圖和上面散點(diǎn)渲染圖的疊合顯示。因?yàn)樯Ⅻc(diǎn)渲染圖反映的是真實(shí)值，從圖4以看出，利用反向距離權(quán)重插值法生成的網(wǎng)格圖與散點(diǎn)渲染圖的吻合度更高，更符合實(shí)際情況，圖4(a)中呈現(xiàn)黃色、橙色或紅色的區(qū)域的炮點(diǎn)能量值較高，采集質(zhì)量較好。

圖3　炮點(diǎn)能量網(wǎng)格圖Fig.3　The grid image of shot energy(a)反向距離權(quán)重插值；(b)克里金插值

圖4　炮點(diǎn)能量疊合圖Fig.4　The superimposed image of shot energy(a)反向距離權(quán)重插值；(b)克里金插值

3炮點(diǎn)屬性分析結(jié)果融合投影顯示

為了分析結(jié)果更能綜合地反映炮點(diǎn)的采集質(zhì)量，將炮點(diǎn)的能量、信噪比和分辨率基于一定的規(guī)則進(jìn)行融合，具體分兩種融合模式。

3.1基于校準(zhǔn)系數(shù)的融合模式

某一炮點(diǎn)能量、信噪比和分辨率的融合值 QC按式(5)求得：

(5)

3.2基于變權(quán)重的融合模式

我們可根據(jù)工區(qū)和采集條件的實(shí)際情況，更改炮點(diǎn)能量、信噪比和分辨率所占的權(quán)重比例，該融合模式的融合值QC可按式(6)得：

QC=Ksn*SN′+Kse*SE′+Kres*RES′

(6)

其中：SN′是該炮歸一化后的信噪比；Ksn該炮的信噪比所占權(quán)重；SE′是該炮歸一化后的能量；Kse是該炮能量所占權(quán)重；RES是該炮歸一化后的分辨率；Kres是該炮的分辨率所占權(quán)重。

由于炮點(diǎn)的信噪比、能量及分辨率的值的范圍不在同一數(shù)量級(jí)上，在同一權(quán)重的情況下，容易造成只凸顯大值的效果。為了消除這一影響，這里首先將炮點(diǎn)的能量、信噪比和分辨率的值按公式(7)做了歸一化，將它們的值歸一化到[0，255]區(qū)域：

(7)

其中:Vmax是(能量、信噪比和分辨率)的最大值；Vmin是(能量、信噪比和分辨率)的最小值；V是(能量、信噪比和分辨率)的某一值。

3.3兩種屬性融合模式的比較

圖5為大慶某工區(qū)部分炮基于校準(zhǔn)系數(shù)屬性融合模式和基于變權(quán)重屬性融合 模式的散點(diǎn)渲染成圖，其中，k=0.4，Ksn=1/3，Kse=1/2，Kres=1/6。圖6為該工區(qū)兩種屬性融合模式的散點(diǎn)渲染成圖和插值網(wǎng)格化成圖的疊合顯示。從圖6(a)中可以看出，在三個(gè)屬性權(quán)重相等的情況下，某個(gè)屬性凸顯大值的情況比較明顯，在圖6(b)中經(jīng)過歸一化之后的屬性融合比較平滑，沒有凸顯大值的情況，比較符合實(shí)際情況，其中呈現(xiàn)黃色、橙色或紅色的區(qū)域的炮點(diǎn)采集質(zhì)量較高。

圖5　屬性融合散點(diǎn)成圖Fig.5　The scatter plot of fused properties(a)基于校準(zhǔn)系數(shù)的融合模式;(b)基于變權(quán)重的融合模式

圖6　屬性融合疊合成圖Fig.6　The superimposed image of fused properties(a)基于校準(zhǔn)系數(shù)的融合模式;(b)基于變權(quán)重的融合模式

4結(jié)論

基于ArcGIS組件強(qiáng)大的空間分析和處理能力，實(shí)現(xiàn)快速縮放、平移和導(dǎo)航等操作的同時(shí)，能夠在對(duì)地震采集屬性散點(diǎn)渲染成圖以及插值網(wǎng)格化成圖時(shí)獲得較好效果和較高效率，進(jìn)而直觀地反映出能量、信噪比和分辨率強(qiáng)弱的分布情況及它們的綜合表現(xiàn)情況，再結(jié)合衛(wèi)星照片和高程數(shù)據(jù)上的巖性、濕度和坡度等信息，就可以較好地判斷地震采集質(zhì)量的好壞。另外，利用ArcGIS強(qiáng)大的可視化能力,可以進(jìn)行疊前疊后聯(lián)動(dòng)顯示(即地表上面是采集現(xiàn)場炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的三維顯示，地表下面是對(duì)應(yīng)炮疊后數(shù)據(jù)的三維顯示)，這樣就可以將地震勘探中分離開來的采集、處理和解釋三個(gè)環(huán)節(jié)在某種程度上聯(lián)系起來。

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A comprehensive analysis and evaluation technology of seismic acquisition quality based on ArcGIS

CHEN De-wu,HE Xin,WANG Wan-li,WEI Xin-jian,LU Juan

(Research Institute of Petroleum Exploration &Development-NorthWest,PetroChina,Lanzhou730020，China)

Abstract:Aiming at the deficiency in automation and scientization of the traditional method of seismic acquisition quality control,we designed and implemented a comprehensive analysis and evaluation technique of seismic acquisition quality based on ArcGIS framework.Using powerful spatial data analysing and modeling capabilities of ArcGIS framework,we completed the design of observing system of current workspace,and combined with high-resolution satellite imagery and digital elevation model(DEM) data.We finished rendering analysis and grid analysis of workspace shots' signal to noise ratio,energy and resolution.Finally,we made a fusion of these three attribute values based on certain rules to finish a comprehensive analysis and evaluation of the quality of the seismic acquisition.

Key words:seismic acquisition;quality analysis and evaluation;ArcGIS;shot attribute;attribute mapping;attribute fusion

收稿日期：2015-03-20改回日期：2015-09-29

基金項(xiàng)目:中國石油天然氣集團(tuán)公司科技管理部(2011B-3707)

作者簡介：陳德武(1987-)，男，碩士，主要從事數(shù)據(jù)挖掘與地學(xué)軟件方面的研究，E-mail:542032853@qq.com。

文章編號(hào)：1001-1749(2016)02-0259-05

中圖分類號(hào)：P 631.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.18