基于谷歌地球的三維地震勘探技術(shù)的應(yīng)用

孟凡彬，張晨林，馬寧

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750）

0 引言

谷歌地球（Google Earth）是由谷歌公司開發(fā)的虛擬地球儀軟件，它把衛(wèi)星照片、航空照相和GIS布置在一個(gè)地球的三維模型上，是一套基于衛(wèi)星拍攝及全球定位數(shù)據(jù)的軟件，可以計(jì)算得出三維地圖。作為目前最流行的數(shù)字地球平臺(tái)之一，它具有很多先進(jìn)的技術(shù)和海量衛(wèi)星影像信息數(shù)據(jù)庫(kù)，在地震及地質(zhì)勘探中的開發(fā)與應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。當(dāng)前煤田三維地震勘探正向高密度、高精度方向發(fā)展，工作量日益增大，利用谷歌地球的高精度衛(wèi)星圖片來(lái)指導(dǎo)地震勘探項(xiàng)目招標(biāo)、設(shè)計(jì)和野外施工，能達(dá)到設(shè)計(jì)和指導(dǎo)生產(chǎn)的目的，對(duì)野外地震勘探的施工效率和質(zhì)量有很大的幫助。本文通過(guò)探索谷歌地球軟件的相關(guān)功能，結(jié)合煤田地震勘探的經(jīng)驗(yàn)，介紹了如何在煤田三維地震勘探中充分利用谷歌地球軟件來(lái)指導(dǎo)煤田地震勘探的每個(gè)環(huán)節(jié)，并在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中取得了較好的效果。

1 谷歌地球軟件簡(jiǎn)介

谷歌地球是一款全球衛(wèi)星地圖集成軟件，通過(guò)訪問(wèn)龐大的衛(wèi)星圖片擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)，直觀地顯示地球上的地形及建筑物，其最大特點(diǎn)就是能夠提供大量清晰度很高的衛(wèi)星圖片。

谷歌地球是一款全球衛(wèi)星地圖集成軟件，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出三維地圖及 WGS－84坐標(biāo)。谷歌地球的高分辨影像資料可以廣泛用于地圖定位、戶外野游、衛(wèi)星航天等領(lǐng)域。用戶可以通過(guò)下載一個(gè)谷歌地球客戶端軟件，就能免費(fèi)瀏覽全球各地的高清晰度衛(wèi)星圖片。

谷歌地球的衛(wèi)星影像，并非單一數(shù)據(jù)來(lái)源，而是衛(wèi)星影像與航拍的數(shù)據(jù)整合，其衛(wèi)星影像部分來(lái)自于美國(guó)DigitalGlobe公司的QuickBird（快鳥）商業(yè)衛(wèi)星與EarthSat公司，影像來(lái)源于陸地衛(wèi)星LANDSAT－7微星居多，航拍部分的來(lái)源有英國(guó)BlueSky公司（以航拍、GIS／GPS相關(guān)業(yè)務(wù)為主）、Sanborn公司、美國(guó)IKONOS及法國(guó)SPOT5，其中SPOT5可以提供解析度為2.5m的影像、IKONOS可提供1m左右的影像、而快鳥能夠提供最高為0.61m的高精度影像，是全球商用的最高水平。

谷歌地球上的全球地貌影像的有效分辨率至少為l00m，通常為30m（例如中國(guó)大陸），山區(qū)、軍事禁區(qū)等分辨率較低，視角海拔高度（為15km左右，但針對(duì)大城市、著名風(fēng)景區(qū)、建筑物區(qū)域會(huì)提供分辨率為lm和0.5m左右的高精度影像，視角高度分別約為500m和350m，但并不提供免費(fèi)的數(shù)據(jù)下載服務(wù)。目前提供高精度影像的城市多集中在北美和歐洲，其它地區(qū)往往是首都或極重要城市才提供。中國(guó)大陸有高精度影像的地區(qū)有很多，幾乎所有大城市都有。由于衛(wèi)星照片數(shù)量的不斷增加，高精度影像覆蓋的地區(qū)也在成倍增加。

2 谷歌地球在煤田三維地震勘探中的應(yīng)用

由于煤田三維地震勘探屬于野外施工，工區(qū)的地形地貌對(duì)野外施工和施工質(zhì)量有很大的影響，只有對(duì)勘探區(qū)域的地形地貌有深入的了解，才能更好更快地完成任務(wù)。在地震勘探的踏勘、項(xiàng)目投標(biāo)、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中需要借閱大量的地形圖，來(lái)指導(dǎo)野外生產(chǎn)。由于這些地形圖大多是20世紀(jì)70～80年代繪制的，與工區(qū)的實(shí)際地形有較大的差別，已不能真實(shí)地反映工區(qū)地形地表狀況。這不僅增加了工區(qū)的施工設(shè)計(jì)難度，而且由于和實(shí)際的地形地物不一致，在施工過(guò)程中還可能引起生產(chǎn)事故。谷歌地球正好彌補(bǔ)了這種不足，它公布的數(shù)據(jù)一般都是1～3年前的衛(wèi)星照片，但由于它和真實(shí)的地球物理信息做了匹配，也就是說(shuō)它的地形、海拔、經(jīng)緯度信息和GPS輸出的經(jīng)緯度信息是完全重合的，所以對(duì)于地震勘探來(lái)說(shuō)，有很高的實(shí)用價(jià)值。

2.1 利用谷歌地球進(jìn)行工區(qū)野外現(xiàn)場(chǎng)踏勘

在已知勘探區(qū)域內(nèi)，可以把區(qū)域位置標(biāo)注在谷歌地球上（圖1）。在現(xiàn)場(chǎng)踏勘前，仔細(xì)閱讀圖片，查找可能影響線路的各種因素，量出相應(yīng)的距離，做出多種方案，綜合比較多種方案的優(yōu)劣性。如果使用GPS終端，可以從谷歌地球中直接查到地區(qū)的經(jīng)緯度，并直接輸入需要重點(diǎn)踏勘位置和轉(zhuǎn)角的位置坐標(biāo)，可以節(jié)約大量的現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間，提高踏勘效率。

圖1 工區(qū)位置及踏勘線路

針對(duì)工區(qū)內(nèi)存在的村莊及防護(hù)林帶都可以圈定面積（圖2），了解障礙物的規(guī)模、青賠的難點(diǎn)區(qū)域及工區(qū)內(nèi)巖石出露、黃土覆蓋范圍，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)青賠選擇成孔工藝均具有指導(dǎo)意義。

2.2 在施工設(shè)計(jì)中利用谷歌地球輔助

圖2 谷歌地球地圖上圈定的地貌特征及面積圈定示意圖

可以把谷歌地球的高精度影像圖保存下來(lái)，作為克朗、綠山等其他輔助施工設(shè)計(jì)軟件的底圖（圖3），從而更精確、合理地做好施工設(shè)計(jì)。也可以把測(cè)線的物理點(diǎn)信息直接加載到影像圖上，為物探施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖3 設(shè)計(jì)的炮點(diǎn)檢波點(diǎn)在谷歌地球底圖上的顯示

2.2.1 下載谷歌地球衛(wèi)星屬性圖片

谷歌地球自帶的保存圖片功能并不能滿足大家下載大圖的需求。這里介紹一款軟件GetScreen截圖工具，它可以截取任意大小的影像圖，也可以調(diào)整圖像的清晰度。

在谷歌地球6.0中需要做如下設(shè)置才能正常截?。孩偈紫菺E6.0左邊側(cè)欄應(yīng)與GEtscreen的側(cè)欄一樣寬或小于；②GE6.0一＞工具一＞選項(xiàng)一＞3D視圖一＞圖形模式一＞選擇DirectX和使用安全模式；③關(guān)閉地形即可。

2.2.2 三維地震勘探炮點(diǎn)檢波點(diǎn)的批量展布

通過(guò)谷歌地球提供的gpx（Key－h(huán)ole Markup Language）語(yǔ)言接口，制作gpx格式的文件，實(shí)現(xiàn)炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)的批量展布，繪制航跡線和多功能線等功能。通過(guò)第三方軟件Global Mapper13.0調(diào)用設(shè)計(jì)檢波點(diǎn)、炮點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后制成gpx格式的文件，在谷歌地球中打開gpx文件，可以實(shí)現(xiàn)三維測(cè)線、測(cè)點(diǎn)、邊界等功能，程序界面如圖4所示。

圖4 生成GPX格式文件Global Mapper程序界面

把工區(qū)內(nèi)測(cè)線的每個(gè)測(cè)點(diǎn)都部署在衛(wèi)星圖上（圖5），對(duì)工區(qū)測(cè)線的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，采取相應(yīng)的對(duì)策。測(cè)線過(guò)障礙物時(shí)可以提前進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)地踏勘，采集特殊點(diǎn)的坐標(biāo)，并展布在衛(wèi)星圖上，可以對(duì)測(cè)線進(jìn)行科學(xué)、合理的調(diào)整。

圖5 谷歌地球批量展布測(cè)點(diǎn)

2.2.3 圖像分辨率對(duì)施工設(shè)計(jì)的影響

谷歌地球的圖像分辨率分為100、30、1和0.5m，當(dāng)所在地區(qū)的分辨率較低時(shí)，將對(duì)施工設(shè)計(jì)有很大的影響。例如為30m時(shí)，視角海拔高度（Eye alt）為15km左右（即寬度為30m的物品在影像上就有一個(gè)像素點(diǎn)，再放大就是馬賽克了），將無(wú)法準(zhǔn)確判斷測(cè)點(diǎn)周圍的地形地貌，給施工設(shè)計(jì)增加難度。這時(shí)可以將野外測(cè)得的障礙物特征點(diǎn)展布在谷歌地球上，結(jié)合踏勘資料以及以往的地形圖來(lái)綜合分析，確定工區(qū)內(nèi)障礙物的分布情況，對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行合理優(yōu)化，對(duì)炮點(diǎn)位置進(jìn)行合理調(diào)整，從而使剖面疊加次數(shù)達(dá)到要求。

3 利用谷歌地球指導(dǎo)野外采集生產(chǎn)

3.1 輔助進(jìn)行線束設(shè)計(jì)

由于谷歌地球提供了三維立體影像，可以旋轉(zhuǎn)視角達(dá)到不同的立體效果（圖6）。施工組人員可以根據(jù)測(cè)線經(jīng)過(guò)的地物地貌結(jié)合小折射資料來(lái)確定最佳的激發(fā)因素，包括確定炮點(diǎn)位置、井深、避開障礙物等。

圖6 立體效果

3.2 指導(dǎo)各班組野外作業(yè)

測(cè)量人員可以優(yōu)選行車路線，預(yù)知測(cè)線的障礙物以及地表情況，在復(fù)雜地段優(yōu)選炮點(diǎn)的位置。

儀器人員可以及時(shí)了解測(cè)線中的干擾和障礙物，及早做好應(yīng)對(duì)措施。爆炸組人員可以預(yù)先知道炮點(diǎn)的分布情況，安排合理的路線，節(jié)省尋找炮點(diǎn)位置的時(shí)間。

各班組每日施工前分析衛(wèi)星影像圖，研究測(cè)線經(jīng)過(guò)復(fù)雜地表情況下，測(cè)點(diǎn)的分布，工作量的分配，以及具體的行車路線。在野外充分利用谷歌地球衛(wèi)星影像圖，不但可以提高工作效率，而且可以節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力。

4 谷歌地球在煤田地震勘探中的應(yīng)用效果分析

在2012年大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司潘家窯井田三維地震商務(wù)談判及采集項(xiàng)目中，國(guó)際公司充分利用谷歌地球衛(wèi)星影像圖來(lái)指導(dǎo)施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，使項(xiàng)目能夠順利完成。工區(qū)中部穿過(guò)一個(gè)居民密集的張祥村，禁炮區(qū)范圍大，炮點(diǎn)布設(shè)困難。工區(qū)東北部由于地表切割嚴(yán)重，地形起伏劇烈，車輛通行困難，多數(shù)地段無(wú)法使用機(jī)械化裝備施工，嚴(yán)重制約施工效率。工區(qū)南部有防火森林，在密林區(qū)施工，炮、檢點(diǎn)放樣及施工組織難度大。地表?xiàng)l件變化多樣，根據(jù)谷歌地球地圖，指導(dǎo)我們采取相應(yīng)的措施。

4.1 工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及施工設(shè)計(jì)

首先，在谷歌地球上將探區(qū)的位置標(biāo)注出來(lái)，利用GetScreen截圖工具將工區(qū)的衛(wèi)星影像圖進(jìn)行下載，作為踏勘和施工設(shè)計(jì)的依據(jù)。踏勘前，認(rèn)真研究影像圖，制定合理的踏勘路線。依據(jù)影像圖，選取適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)點(diǎn)，通過(guò)驗(yàn)證，選取的試驗(yàn)點(diǎn)基本代表了本工區(qū)的表層地表?xiàng)l件，如圖7所示。

圖7 工區(qū)位置

由于工區(qū)比較復(fù)雜，利用從谷歌地球上下載的衛(wèi)星圖來(lái)作為設(shè)計(jì)輔助軟件的底圖，對(duì)重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)。例如過(guò)村莊和密林區(qū)時(shí)，進(jìn)行了合理的炮點(diǎn)變觀，如圖8所示。

圖8 過(guò)張祥村炮點(diǎn)變觀

4.2 測(cè)量及分線設(shè)計(jì)

測(cè)量人員利用程序?qū)⒚總€(gè)測(cè)點(diǎn)的理論坐標(biāo)都展布到谷歌地球的衛(wèi)星影像圖上，找出需要變動(dòng)的測(cè)點(diǎn)，在復(fù)雜地段優(yōu)選測(cè)點(diǎn)位置，為進(jìn)行野外測(cè)量做好充分的準(zhǔn)備，提高工作效率。以往分線設(shè)計(jì)需要大量的人力物力，現(xiàn)在用程序?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)展布到衛(wèi)星影像圖，設(shè)計(jì)人員根據(jù)影像圖就可以進(jìn)行炮點(diǎn)的設(shè)計(jì)，包括井深及藥量等，節(jié)省了成本并提高了效率。

4.3 野外采集生產(chǎn)

每天施工前，施工組人員將生產(chǎn)中需要的物理點(diǎn)信息用程序展布到谷歌地球的衛(wèi)星影像圖上（圖3），把影像圖分發(fā)到野外各班組，各班組仔細(xì)分析圖片，研究制定相應(yīng)的對(duì)策，包括具體的行車路線、工作量如何分配等。鉆機(jī)組可以從影像圖中分析炮點(diǎn)的分布情況，了解炮點(diǎn)周圍的地物地貌，做好工作安排；爆炸組可以從影像圖中分析炮點(diǎn)的位置，節(jié)省在野外尋找炮點(diǎn)的時(shí)間；儀器組可以預(yù)知障礙物信息，提前做好準(zhǔn)備。

在潘家窯三維地震采集項(xiàng)目中，各班組都學(xué)會(huì)使用谷歌地球，通過(guò)緊密配合，科學(xué)合理地安排工作，順利圓滿地完成了該項(xiàng)目，節(jié)約了大量的成本。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)成的軟件，結(jié)合煤田三維地震勘探的特點(diǎn)，充分利用谷歌地球所提供的高精度衛(wèi)星影像圖來(lái)指導(dǎo)地震勘探的各個(gè)環(huán)節(jié)。利用影像圖可以直觀地了解測(cè)區(qū)地貌特征，為招標(biāo)設(shè)計(jì)、商務(wù)標(biāo)談判、施工設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、成孔施工、青賠等環(huán)節(jié)提供依據(jù)，可以很大程度地提高工作效率和制定針對(duì)性措施。谷歌地球的免費(fèi)版是對(duì)全球公眾開放的軟件，任何人都可以下載并安裝使用，對(duì)于節(jié)省費(fèi)用、降低成本也有一定的意義。由于谷歌地球不是在所有的地區(qū)都有高清晰度的衛(wèi)星圖片，如果工區(qū)所在位置沒(méi)有高精度衛(wèi)星影像圖，它的作用會(huì)受到很大限制。

（略）