GD I+在復雜地區(qū)三維地震資料采集設計中的應用

朱圣軍,陳建國

(江漢石油管理局 地球物理勘探公司,湖北潛江 433100)

GD I+在復雜地區(qū)三維地震資料采集設計中的應用

朱圣軍,陳建國

(江漢石油管理局 地球物理勘探公司,湖北潛江 433100)

隨著油氣勘探向復雜地區(qū)延伸,三維地震資料采集難度日益突出。在復雜地區(qū)許多激發(fā)點位于多個禁炮區(qū)內,依靠手工很難完成激發(fā)點的正確篩選。這里采用基于GD I+生成禁炮區(qū),可以自動選擇所有非禁炮區(qū)內的激發(fā)點。實際應用表明:方法具有建立速度快、運行穩(wěn)定可靠等特點,并取得了好的應用效果。

油氣勘探;三維地震資料采集;禁炮區(qū);緩沖區(qū);GD I+

0 前言

三維地震是指按照一定的采樣格網(wǎng)密度采集獲取地下地震信息的方法,具有很高的勘探精度,可以從三維空間來了解地下地質構造情況,并獲得精確而詳細的地下圖像,三維地震已經(jīng)成為石油和天然氣勘探開發(fā)的主要工具。三維地震資料采集采用將整個勘探區(qū)域劃分為接收格網(wǎng)和激發(fā)格網(wǎng),接收點和激發(fā)點分別位于格網(wǎng)的節(jié)點上,在激發(fā)點上采用人工地震的方法進行激發(fā),在接收格點上接收地下反射信號。受人工地震的限制,所選擇的激發(fā)點必須離地表建筑和各種地物有一定的安全距離,在地表條件比較簡單的草原、戈壁等地區(qū),選擇安全區(qū)域內的激發(fā)點往往依靠人工來完成。

隨著油氣勘探開發(fā)的深入,三維地震逐步向地表條件復雜的城鎮(zhèn)、水網(wǎng)延伸。在復雜地區(qū)進行三維勘探,涉及到的地表障礙物多,每種地表障礙物都有不同的安全距離,一個激發(fā)點可能位于一個或多個禁炮區(qū)內,依靠手工很難判斷和正確選擇位于安全區(qū)內的激發(fā)點。

通過試驗,采用GD I+建立不同震源激發(fā)方式下地表障礙物的禁炮區(qū),排除禁炮區(qū)內的激發(fā)點,實現(xiàn)自動選擇位于安全區(qū)域內的激發(fā)點,達到優(yōu)選激發(fā)點,降低采集施工的安全風險、提高地震資料采集效果和施工效率之目的。

1 不同震源的禁炮區(qū)和安全區(qū)

三維地震采集一般采用炸藥震源,可控震源和空氣槍震源,涉及的地表障礙物可分為點狀地物、線狀地物和面狀地物。見圖1,不同的地表障礙物,在不同的震源激發(fā)下有不同的安全距離。

1.1 基本地表障礙物的禁炮區(qū)

(1)點狀地物的禁炮區(qū)。點狀地物是指煙囪、水塔等獨立地表障礙物。禁炮區(qū)是以地物中心點為圓心,安全距離為半徑的圓,如圖2(a)所示。

圖1 三種基本地表障礙物Fig.1 Three typesof basical ground objects

(2)線狀地物的禁炮區(qū)。線狀地物是指公路、通訊線路、管網(wǎng)等地表障礙物,其禁炮區(qū)是以線為中心軸線,距中心軸線一定距離的平行條帶區(qū)域,如圖2(b)所示。

(3)面狀地物的禁炮區(qū)。面狀地物是指高層建筑、居民地、環(huán)形公路等地表障礙物。禁炮區(qū)是由面的邊界多邊形向外、向內,或內外同時擴展到一定距離時所生成的新區(qū)域。圖2(c)所示為高層建筑向外擴展形成的禁炮區(qū);圖2(d)所示是環(huán)形公路向內、向外同時擴展,生成的外擴區(qū)域和內擴區(qū)域,在外擴區(qū)域減去內擴區(qū)域所形成的區(qū)域為禁炮區(qū)。

1.2 炸藥震源的禁炮區(qū)與安全區(qū)

炸藥震源主要用于陸地上,在地表障礙物周圍安全距離范圍之內的區(qū)域,就是炸藥震源禁炮區(qū)。建立炸藥震源禁炮區(qū)是地表障礙物擴展形成的區(qū)域(如圖2所示),所有炸藥震源禁炮區(qū)以外的區(qū)域是安全區(qū)。設A=(所有地表障礙物的炸藥震源禁炮區(qū)之和),則安全區(qū)為C=A。

在圖3中,長方形框內用斜線填充的區(qū)域就是安全區(qū)。

1.3 可控震源的禁炮區(qū)與安全區(qū)

可控震源主要用于陸地上,可控震源禁炮區(qū)與安全區(qū),除在安全距離存在差異外,其它與炸藥震源相同。

1.4 空氣槍震源的禁炮區(qū)和安全區(qū)

空氣槍震源主要用于江、河、湖、海等大面積水域。空氣槍震源禁炮區(qū)是指地表障礙物(主要指水域附近或水域內的地表障礙物)周圍安全距離以內的區(qū)域,空氣槍震源禁炮區(qū)也是地表障礙物擴展生成的(見圖2)?？諝鈽屨鹪窗踩珔^(qū)則是在特定的大面積水域中,除去空氣槍震源禁炮區(qū)的區(qū)域之后的區(qū)域。

圖2 三種地表障礙物的禁炮區(qū)Fig.2 The forbidden shooting region of three typesof ground ob jects

圖3 炸藥震源安全區(qū)Fig.3 The safe area of exp losive source

圖4 空氣槍震源的禁炮區(qū)與安全區(qū)Fig.4 The forbidden shooting region and the safe area of air-gun source

圖4(a)所示的多邊形是水域,多邊形二側是水域附近的地表障礙物;圖4(b)中用斜線填充的區(qū)域是空氣槍震源安全區(qū)。設:A=所有地表障礙物的空氣槍震源禁炮區(qū)之和;B=所有設計空氣槍施工的大面積面狀水域區(qū)域之和;則空氣槍震源安全區(qū)為:

1.5 安全區(qū)內的激發(fā)點

在建立禁炮區(qū)后,就可以依據(jù)激發(fā)點與每個禁炮區(qū)的位置關系,來判斷激發(fā)點是否位于禁炮區(qū)內。對于采用空氣槍震源,除了要判斷激發(fā)點是否位于禁炮區(qū)內之外,還要判斷激發(fā)點是否位于指定的空氣槍震源施工面狀水域內,并以此來確定位于安全區(qū)內的所有激發(fā)點。在三種震源同時存在時,依次建立每種震源下的禁炮區(qū)和輸出每種震源安全區(qū)內的激發(fā)點。

2 復雜對象的禁炮區(qū)生成方法

禁炮區(qū)的本質就是緩沖區(qū),所謂緩沖區(qū)是指在點、線、面等實體的周圍建立的一定寬度的區(qū)域,這個寬度就是安全距離,建立禁炮區(qū)的過程就是緩沖區(qū)建立的過程。在點、線和面的緩沖區(qū)建立過程中,點的緩沖區(qū)建立非常簡單,而線的緩沖區(qū)生成非常重要,是面狀緩沖區(qū)的基礎。因此,對緩沖區(qū)生成的研究,主要針對線對象和面對象進行。

2.1 常用禁炮區(qū)生成方法

緩沖區(qū)的建立目前主要有柵格算法和矢量算法二類。

代表性柵格算法有基于柵格數(shù)據(jù)的距離變換法[1]和數(shù)學形態(tài)學擴張法[2],其基本原理是將點、線和面的矢量數(shù)據(jù),轉化為柵格數(shù)據(jù),進行像元加粗,然后作邊緣提取。多數(shù)柵格算法原理簡單且易于實現(xiàn),但不易獲得矢量邊界,高內存占用和低精度是該算法的主要缺點,所能處理的數(shù)據(jù)量受到機器硬件設備的限制,因此,矢量方法成為研究者普遍關注的熱點。

矢量方法原理通常較為復雜,但在機器精度范圍內不降低原始數(shù)據(jù)精度。在緩沖區(qū)生成的矢量算法中,常用的是角平分線算法和凸角圓弧算法,在此基礎上也出現(xiàn)了一些新的或改進算法[3～5]。

(1)角平分線算法。以線目標為軸線,并分別在其二側作距軸線一定距離(緩沖半徑)的平行線,來生成緩沖區(qū)邊界的簡便方法。該方法也稱“簡單平行線法”,其優(yōu)點是簡單、易于實現(xiàn),缺點在于難以最大限度地保證緩沖區(qū)邊界線的等寬性,在對復雜對象的實現(xiàn)過程中,計算復雜且難以適應各種異常情況。

(2)凸角圓弧算法。該算法的基本原理是在軸線首點及末點處,作軸線的垂線,并按緩沖區(qū)半寬E截出左右邊界的起訖點。在軸線的其它各個拐點上,首先判斷該點的凹、凸特性,在凸側用圓弧彌合,而在凹側則用與該點所關聯(lián)的,前后二鄰邊距軸線的偏移量為E的二平行線交點,來生成對應頂點(如圖5所示)。由于在凸側用圓弧彌合,使凸側平行邊界與軸線等寬。而在凹側,平行邊界相交在角平分線上,如圖6所示。交點距軸對應頂點的距離為:

d=E/cos(A/2)或d=E/sin(B/2)

該算法能最大限度地保證平行曲線的等寬性,排除了角平分線算法所帶來的眾多異常情況,但是生成緩沖區(qū)邊界過程相對復雜。

圖5 凸角圓弧算法原理Fig.5 The p rincip le of arc algorithm of convex angle

圖6 凹側雙線寬度與曲線彎曲程度的關系Fig.6 The relation between doub le-linew id th and curve degree of crook on the concave side

(3)緩沖區(qū)半徑旋轉生成算法。在分析和研究角平分線算法和凸角圓弧算法基礎上,作者提出了一種簡便的方法,通過緩沖半徑分別組成目標對象的各點旋轉生成目標緩沖區(qū)邊界,簡化了緩沖區(qū)邊界的生成過程,并對緩沖區(qū)生成過程中出現(xiàn)的特殊情況進行了處理,應用遞歸方法管理和存儲緩沖區(qū)邊界的自相交多邊形[6]。

(4)多邊形疊置方法。逐個求得各線段單獨的緩沖區(qū),通過多邊形疊置依次合并。該方法被許多GIS軟件采用,其核心問題是多邊形疊置,其中涉及大量線段之間關系的求解。為處理線段重疊等異常情形,提高運行效率,一些研究者提出了若干優(yōu)化方法,如進行數(shù)據(jù)的自適應重采樣[7],基于動態(tài)疊置思想的緩沖區(qū)生長法[8]。孫立新等[9]對邊界求交后結點上弧段的方向規(guī)律進行分析,提出結點上有向弧段的刪除規(guī)則,以避免通過線～面包含關系,來判定來取舍弧段;董鵬等[10]運用旋轉點變換公式和遞歸方法,簡化了平行線生成和尖銳角光滑校正過程;吳華意等[11]提出緩沖曲線的概念,并建立邊約束三角網(wǎng)輔助的緩沖區(qū)生成算法,減少了參與切割重組的線段數(shù)目,從而提高算法的穩(wěn)定性和時間效率。

現(xiàn)有矢量算法通常包含曲線求交,弧段切割重組;包含關系判定,多邊形所屬弧段搜索等過程,算法實現(xiàn)較為復雜。通過實踐,作者在本文基于GD I+實現(xiàn)了一種穩(wěn)健、適應性強、高效的緩沖區(qū)建立方法,并由此建立了一個支持復雜面狀地物和復雜拓撲結構的緩沖區(qū)邊界描述方法。

2.2 基于GD I+的禁炮區(qū)生成和邊界描述方法

GD I+是GD I(Graphics Device Interface,W indow s早期版本提供的圖形設備接口)的后續(xù)版本,是一種應用程序編程接口(API),通過一套部署為托管代碼的類來展現(xiàn),這套類被稱為GD I+的“托管類接口”。應用程序的程序員可利用GD I+這樣的圖形設備接口,在屏幕或打印機上顯示信息,而不需要考慮特定顯示設備的具體情況。應用程序的程序員調用GD I+類提供的方法,而這些方法又反過來相應地調用特定的設備驅動程序。GD I+將應用程序與圖形硬件隔離,而正是這種隔離,允許開發(fā)人員創(chuàng)建設備無關的應用程序。

GD I+主要提供三個方面的繪制和顯示支持:二維矢量圖形、圖像處理和版式。禁炮區(qū)的生成主要涉及線對象和面對象,作者正是基于GD I+的二維矢量圖形繪制功能,實現(xiàn)了復雜禁炮區(qū)的生成和描述。

2.2.1 GraphicsPath/Region類的基本功能

GD I+提供路徑類(GraphicsPath)和區(qū)域(Region)類,分別對應線對象和面對象。

(1)路徑標識一系列相互連接的直線和曲線,它可由任意數(shù)目的圖形(子路徑)組成。每一個圖形,都由一系列相互連接的直線、曲線,或簡單的幾何圖形構成。圖形的起點是相互連接的一系列直線和曲線中的第一點,終結點是該序列中的最后一點。

(2)區(qū)域是由曲線定義的區(qū)間,是輸出到設備顯示區(qū)域的一部份。區(qū)域可以是簡單的(如單個矩形),也可以是復雜的(如多邊形和閉合曲線的組合)。區(qū)域可以從矩形或路徑中構建,也可以通過合并現(xiàn)有的區(qū)域來創(chuàng)建,合并支持各種集合運算。

作者在本文所涉及到的GraphicsPath類和Region類的基本函數(shù),如表1所示。

正是基于路徑和區(qū)域的這些功能函數(shù),為基于GD I+實現(xiàn)各種禁炮區(qū)的建立提供了基礎功能。

2.2.2 線緩沖區(qū)的建立和邊界描述

基于GD I+實現(xiàn)線緩沖區(qū)的建立與邊界描述過程如下:

(1)構建路徑對象。在得到折線的各個端點后,構建一個路徑對象,如圖7所示。圖7是有交叉現(xiàn)象的復雜折線,在地震采集的實際工作中,一般不會存在這種地物。舉此例的目的是為了說明本文中的方法,不僅適用于簡單折線,同時適用于復雜折線。

表1 GraphicsPath類和Region類基本功能Tab.1 The basic function of the GraphicsPath class and the Region class

圖7 折線對象Fig.7 The po lyline ob ject

(2)定義畫筆對象。在取得路徑對象的外接矩形范圍后,將其換算到屏幕坐標系,以其大小為寬度,定義一個畫筆對象。

(3)設定畫筆的形態(tài),包括端點形狀和直線連接方式。在GD I+中,可以設置的直線端點形態(tài)有十一種,如表2所示?？梢栽O置的直線連接方式有四種,如圖8所示,從左至右依次為斜切(bevel)、圓形(round)、斜接(m iter)和剪裁斜接(m iter clipped)。對緩沖區(qū)建立而言,畫筆端點形態(tài)設置為L ineCapRound,直線連接方式設置為圓形(round)。

圖8 四種直線連接方式Fig.8 Four typesof line connection

(4)通過GraphicsPath類的拓寬函數(shù),得到折線對象拓寬后的各個節(jié)點,如圖9所示。

(5)通過GraphicsPath類的Outline函數(shù),得到折線對象的緩沖區(qū),如下頁圖10所示。

(6)通過GraphicsPath類的GetPathPoints函數(shù),得到緩沖區(qū)的邊界點,如下頁圖11所示。

(7)通過GraphicsPath類的GetPathTypes函數(shù),得到緩沖區(qū)邊界上每一個點的標記。

圖9 折線拓寬后的結果Fig.9 The resu ltof po lyline broaden

圖10 提取輪廓生成折線的緩沖區(qū)Fig.10 Tom ake the bufferof po lyline by d raw ing figure

圖11 折線的緩沖區(qū)及其對應的邊界點Fig.11 The po lyline’s buffer and its boundary points

點的標記主要有三種:①“0”代表邊界的起始點;②“1”代表邊界的中間點;③“129”代表邊界的結束點。當緩沖區(qū)內部存在孔洞時(如圖13所示),則通過每一個邊界點的標記首先描述最外層的緩沖區(qū)邊界,然后依次描述其中的孔洞區(qū)域的邊界。每一個邊界都是從標記為“0”的點開始,以標記為“129”的點結束。第一個閉合的邊界點序列,即是主邊界點序列,其它的邊界點序列都是空洞的邊界點序列。

2.2.3 面緩沖區(qū)的建立和邊界描述

基于GD I+實現(xiàn)線緩沖區(qū)的建立過程如下:(1)使用得到的多邊形的各個端點,構建一個路徑對象。

(2)根據(jù)線緩沖區(qū)建立方法,對多邊形的邊界點建立線緩沖區(qū)。

(3)根據(jù)不同要求,分別建立內擴緩沖區(qū)(如圖12所示)和外擴緩沖區(qū)(如圖13所示)。

在以上過程中,涉及的關鍵問題主要有二個:(1)如何由線緩沖區(qū)得到面緩沖區(qū)。(2)如何得到面緩沖區(qū)的邊界點。

對外擴緩沖區(qū)而言,由多邊形節(jié)點構成的線緩沖區(qū),需要和初始的多邊形進行區(qū)域合并處理;對內擴緩沖區(qū)而言,由多邊形節(jié)點構成的線緩沖區(qū),需要和初始的多邊形進行區(qū)域異或處理。

圖13 內擴緩沖區(qū)示例Fig.13 An examp le of generating inner buffer

在實驗中發(fā)現(xiàn),直接通過GD I+的Region類中提供的區(qū)域運算函數(shù)會出現(xiàn)錯誤,無法得到穩(wěn)定的緩沖區(qū)。因此,采取將線緩沖區(qū)和初始多邊形區(qū)域都轉換成HRGN句柄,由W indow s系統(tǒng)提供的API函數(shù)Com bineRgn來完成對區(qū)域的運算。實驗表明,通過此API函數(shù)能夠得到穩(wěn)定、正確的運算結果。

建立外擴或內擴緩沖區(qū)后,得到的緩沖區(qū)事實上是一個或多個的區(qū)域組合而成,一般情況下需要通過行掃描或者邊緣跟蹤等方法,將面緩沖區(qū)的邊界轉換成矢量坐標序列。此過程較為繁瑣,穩(wěn)定性不夠好。當處理凹多邊形或者異常復雜的多邊形時,容易出現(xiàn)問題。這些問題主要體現(xiàn)在:

(1)通過行掃描等方式得到的邊界點會相當密集,需要占用較大的存儲空間,降低系統(tǒng)效率。

(2)對外擴緩沖區(qū)而言,每一個位于所有頂點構成的凸包上面的點,都會對應緩沖區(qū)邊界上的一段弧段。相比較于其它邊界點,此處需要較為密集的點來逼近,但是對每一個邊界點而言,很難判定其是位于此類弧段上。

在上述緩沖區(qū)建立過程中,可以得到閉合的任意多邊形的邊界點所構成的閉合線緩沖區(qū),每一個此類緩沖區(qū),都是由一個描述緩沖區(qū)外部輪廓的點集和多個描述緩沖區(qū)內部輪廓的點集構成。對外擴緩沖區(qū)而言,只需要判斷以路徑方式描述的閉合線緩沖區(qū)的邊界上的點是否在多邊形內,如果不在,則此點即是需要的邊界點;對內擴緩沖區(qū)而言,只需要判斷以路徑方式描述的閉合線緩沖區(qū)的邊界上的點是否在多邊形外,如果不在,則此點即是需要的邊界點?；谝陨峡紤],即可最為簡化和穩(wěn)定地得到任意多邊形的外擴或內擴緩沖區(qū)的邊界點。在圖12和圖13中,分別用圓點標示出了所有的邊界點。

3 應用效果

深江站三維位于湖北省潛江市和仙桃市境內,包含整個潛江市城區(qū),城區(qū)面積約25 km2,城區(qū)南部有318國道和滬蓉高速公路,城區(qū)北部有曹禺公園,城區(qū)周圍有成片的魚塘。由于城區(qū)面積大,城區(qū)及周邊建筑、交通、管網(wǎng)、電力通訊設施密布、人口密集,各種地表障礙物有四千多個,完成地震采集任務技術要求高、難度大。

圖14 深江站三維潛江城區(qū)禁炮區(qū)示意圖Fig.14 The fo rbidden shoo ting region chatofQ ian jiang urban area in Shen jiangzhan 3D

通過收集工區(qū)最新的矢量圖數(shù)據(jù),采用GD I+對城區(qū)及周邊各類地表障礙物自動建立了炸藥震源激發(fā)下的禁炮區(qū)(如圖14所示),排除所有禁炮區(qū)區(qū)域之內的激發(fā)點,篩選位于安全區(qū)內的激發(fā)點,將安全區(qū)內的激發(fā)點提供給地震采集設計和施工,彌補了城區(qū)地震資料空白,完成了地質任務。

4 結束語

應用表明,基于GD I+的緩沖區(qū)建立方法,能夠快速、有效地完成各種地表障礙物,特別是復雜線狀、面狀地物的禁炮區(qū)建立,在存儲禁炮區(qū)邊界點的同時,保存邊界點的連接狀態(tài),可以有效的對復雜線狀、面狀地物的禁炮區(qū)的邊界,及其拓撲結果進行描述,達到自動篩選安全區(qū)內激發(fā)點的效果。

基于GD I+的禁炮區(qū)自動建立方法,在復雜地區(qū)三維地震采集應用中取得了較好的效果,為解決復雜地區(qū)三維地震采集,提供了一種行之有效的方法,具有推廣價值。

[1]郭仁忠.空間分析[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,1997.

[2]胡鵬,游漣,楊傳勇,等.地圖代數(shù)[M].武漢:武漢大學出版社,2002.

[3]馮花平,廉文娟.求緩沖區(qū)的算法[J].山東科技大學學報,2005,24(3):57.

[4]朱燥,艾廷華.基于條帶掃描思想的線目標緩沖區(qū)快速構建[J].測繪學報,2006,35(2):171.

[5]張文藝.G IS緩沖區(qū)租疊加分析[D].中南大學碩士學位論文,2007.

[6]程鵬根,龔健雅.機助制圖中平行線的繪制方法及其特殊問題的處理[J].武測科技,1994,(1):43.

[7]王家耀.空間信息系統(tǒng)原理[M].北京:科學出版社,2001.

[8]王亮.GeoW indow s中緩沖區(qū)生成的算法[J].遙感信息,1998,(12):26.

[9]孫立新,黃明,任美睿.GIS緩沖區(qū)重疊合并的快速算法[J].遙感信息,1998,(3):12.

[10]董鵬,毛東軍,李軍,等.一種有效的G IS緩沖區(qū)生成算法[J].計算機工程與應用,2004,40(16):4.

[11]吳華意,龔健雅,李德仁.緩沖曲線和邊約束的三角網(wǎng)輔助的緩沖區(qū)生成算法[J].測繪學報,1999,28(4):355.

[12]周鳴揚,趙景亮.精通GD I+編程[M].北京:清華大學出版社,2004.

P 315.63

A

1001—1749(2010)06—0587—07

2010-05-25 改回日期:2010-09-28

朱圣軍(1970-),男,湖北仙桃人,工程師,主要從事石油物探測量技術研究及應用。