基于Python的地震數(shù)據(jù)可視化

河南省航空物探遙感中心 師天祺

在地震勘探行業(yè)中，地震數(shù)據(jù)的讀取與顯示是地震處理與解釋的關(guān)鍵一環(huán)，隨著淺層地震勘探、工程地震勘探的興起，基于Linux的地震處理、解釋系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)快速發(fā)展的局面。本文詳細(xì)介紹了SEGY數(shù)據(jù)格式，并重點分析了SEGY數(shù)據(jù)的難點，借助Python實現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)的可視化，滿足了施工現(xiàn)場快速實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的處理與成像的要求，對現(xiàn)場工作有一定指導(dǎo)意義。

地震數(shù)據(jù)的讀取與顯示是地震處理與解釋的關(guān)鍵一環(huán)，可視化技術(shù)利用計算機技術(shù)，將數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)為顯示在屏幕上，通過交互處理挖掘數(shù)據(jù)之間的規(guī)律[1]。可視化技術(shù)以被運用到多個領(lǐng)域，特別是在找煤、找油、找氣、找斷層上取得了重要的意義[2]。但是國內(nèi)外上通常使用Linux主機作為地震數(shù)據(jù)的處理、解釋的載體，笨重的設(shè)備、高昂的生產(chǎn)成本無法適應(yīng)如今工程物探領(lǐng)域短平快的發(fā)展要求。為適應(yīng)快速發(fā)展的工程物探技術(shù)，本文借助Python語言內(nèi)置函數(shù)庫及Matplotlib繪圖庫，在詳細(xì)的分析SEGY格式數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的讀取以及波形的顯示，為野外工作起到了指導(dǎo)作用。

1 SEGY數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

SEGY是以地震道為單位進行存儲，是由SEG協(xié)會提出的標(biāo)準(zhǔn)磁帶數(shù)據(jù)格式之一，它是石油勘探行業(yè)地震數(shù)據(jù)的最為普遍的格式之一。標(biāo)準(zhǔn)SEGY數(shù)據(jù)文件件一般包括三個部分，格式如下：

(1)EBCDIC文件頭。由40個卡組成，長度為3200個字節(jié)，用來儲存對地震數(shù)據(jù)進行描述的信息，通常需要先轉(zhuǎn)換ASCII碼才能進行顯示。(2)二進制文件頭。長度為400個字節(jié)，采用大字節(jié)序儲存，通常使用32位、16位整型，共包含有32項信息，用來儲存描述SEGY數(shù)據(jù)的關(guān)鍵參數(shù)，包括數(shù)據(jù)格式、采樣點數(shù)、采樣間隔、采樣編碼等，正確的讀取文件頭信息將直接影響后續(xù)地震道數(shù)據(jù)的讀取。(3)地震道數(shù)據(jù)。地震道數(shù)據(jù)由兩部分組成，每條地震道數(shù)據(jù)包含240字節(jié)的道頭信息和地震數(shù)據(jù)。道頭信息一般保存該道對應(yīng)的線號、道號、采樣點數(shù)、坐標(biāo)等信息。地震數(shù)據(jù)通常是以IBM浮點形式進行保存的。

2 程序設(shè)計及難點分析

Python是一種完全面向?qū)ο蟮恼Z言，其優(yōu)雅的可讀性、可擴展性、快速的開發(fā)模式及豐富的第三方庫，Python越來越受到開發(fā)者的喜愛。本文為快速實現(xiàn)SEGY數(shù)據(jù)的可視化，縮短開發(fā)周期，采用Python作為程序開發(fā)語言，僅使用Python內(nèi)置庫及Matplotlib繪圖庫實現(xiàn)了SEGY數(shù)據(jù)的讀取與顯示，同時Python其優(yōu)秀的第三方庫，尤其是地震方向的第三方庫，也為未來程序的開發(fā)提供了一些優(yōu)秀的思路和擴展。程序完整流程如圖1所示。

圖1 程序流程圖Fig.1 Program flow chart

想要清晰的顯示SEGY數(shù)據(jù)，除需要理解SEGY數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)外，還需要解決字節(jié)序、IBM浮點讀取等一系列問題[3-5]。

(1)字節(jié)序。大字節(jié)序和小字節(jié)序是數(shù)據(jù)儲存規(guī)則，小字節(jié)序是高位數(shù)據(jù)儲存在內(nèi)存高位地址，低位數(shù)據(jù)儲存在低位地址，大字節(jié)序是高位數(shù)據(jù)儲存在低位地址，低位數(shù)據(jù)儲存在高位地址。字節(jié)序示意圖如圖2所示。

SEGY數(shù)據(jù)使用大字節(jié)序進行編碼，這是因為處理器的結(jié)構(gòu)不同造成的，如IBM機、Unix工作站等通常使用大字節(jié)序格式，個人電腦通常使用小字節(jié)序編碼。在實際讀取數(shù)據(jù)過程中如果忽略字節(jié)序問題，那么讀取的數(shù)據(jù)可能截然相反。例如采樣點數(shù)在大字節(jié)序為2500，在小字節(jié)序則讀取為0，所以在讀取字節(jié)時，應(yīng)首先將字節(jié)序調(diào)整至正確編碼才按字節(jié)依次讀取。

(2)IBM浮點。SEGY數(shù)據(jù)通常使用IBM浮點，偶爾會使用32位IEEE浮點或一些非常用數(shù)據(jù)格式進行記錄。地震數(shù)據(jù)通過何種格式進行記錄，是由卷頭中3225-3226字節(jié)儲存的信息決定的。通過讀取這兩個字節(jié)的內(nèi)容，可以判斷數(shù)據(jù)的儲存格式，從而確定每道地震記錄數(shù)據(jù)所占的字節(jié)空間長度，即數(shù)據(jù)長度=數(shù)據(jù)類型（字節(jié)數(shù)）×采樣點數(shù)[10]Python默認(rèn)使用IEEE浮點，兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在較大的差異，會對地震數(shù)據(jù)讀取與顯示造成影響。為實現(xiàn)IBM浮點的讀取，需要首先了解IBM與IEEE浮點的區(qū)別[6]。

IBM和IEEE浮點數(shù)的結(jié)構(gòu)如下：S代表符號、E代表指數(shù)部分、F代表位數(shù)部分。

浮點數(shù)表示如下：

注：32位IEEE浮點數(shù)：A=2，B=127，C=1；32位IBM浮點數(shù)：A=2，B=64，C=1。

IBM和IEEE浮點的區(qū)別在于位數(shù)的有效范圍，IEEE浮點尾數(shù)最小值是1/(2^23)，而IBM浮點尾數(shù)最小是為1/16，而不是1/(2^24)。

(3)地震數(shù)據(jù)繪制。地震原始數(shù)據(jù)范圍較大且雜亂無章，直接使用原始數(shù)據(jù)成圖未必能做出想要的樣子。為了使原始數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列變換轉(zhuǎn)為圖形圖像，使信息更容易理解，需要對原始數(shù)據(jù)進行一定程度的處理[7-10]。本文使用生產(chǎn)的單炮數(shù)據(jù)（500道接收，1ms采樣間隔，采樣時間為2.5s）作為示例，本文對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，使數(shù)據(jù)范圍在（-1，1）之間并設(shè)置道間隔為1，保證了道與道之間波形不會發(fā)生相交的情況，如圖3所示顯示了不歸一化和歸一化數(shù)據(jù)的成像差異并與使用Seisee軟件的成像效果進行對比。示例單炮圖像橫軸為道序列號，道與道之間間距為設(shè)置為1，縱軸為雙程時，繪制單炮數(shù)據(jù)。

圖3 成像效果圖Fig.3 Imaging rendering

由圖3可明顯看出，由于未對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，地震數(shù)值隨著雙程時的增大而迅速減少，由于數(shù)據(jù)差值過大，波形明顯振動主要集中在前0.2s內(nèi)，后面由于數(shù)值相對較小，波形基本屬于平直狀態(tài)。由于橫軸設(shè)置的道間距過小，振幅數(shù)值遠(yuǎn)超道間距，成像整體擠在了一起，雖能見波形振動，但以無法分辨為哪一道數(shù)據(jù)，更無法分辨單炮質(zhì)量的好壞，可見未對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理難以滿足成像要求。經(jīng)過歸一化處理的單炮數(shù)據(jù)整體圖像效果較好，炮點位置清晰可見，初至波可明顯分辨，初至波之下可見明顯層狀反射波有效信息，顯示效果較好。使用歸一化的數(shù)據(jù)未造成因為距離震源較近，接收能量較大造成的對遠(yuǎn)處地震波成像影響的效果，與使用Seisee軟件的成像效果類似。由于Seisee使用了AGC增益，效果要好于開發(fā)的成像程序，但初步做到的Windows平臺下的SEGY數(shù)據(jù)成像，并且為以后工程地震勘探的定制開發(fā)打下了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

隨著個人計算機存儲技術(shù)和計算能力的提升，使用Windows系統(tǒng)進行地震資料處理與解釋已經(jīng)成為行業(yè)趨勢，尤其是使用個人電腦在施工環(huán)境進行野外施工監(jiān)控、野外數(shù)據(jù)處理以及工程地震勘探環(huán)境需要快速對數(shù)據(jù)處理及成像。在Windows環(huán)境下，本文在充分掌握SEGY數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，嘗試使用Python腳本編寫了程序，正確解析了SEGY數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，初步完成了成像系統(tǒng)的設(shè)計，并應(yīng)用在實際生產(chǎn)環(huán)境中。雖然在成像效果上與主流成像軟件還有一定的差距，但是打下了堅實的基礎(chǔ)，下一步建議在濾波、AGC上進行研究，增加多種成像模式如灰度、變密度等可視化技術(shù)，使之達(dá)到主流成像軟件的效果。